体育器材用石墨烯复合材料的磨损性能研究

堵航歌

摘 要：针对石墨烯复合材料在体育器材制造上的广泛应用，而缺乏对该材料性能研究的问题，本研究从该材料的显微组织、力学性能、耐磨损性能，以及耐腐蚀性能对其性能进行了初步探索。通过制备以石墨烯为增强体的体育器材用复合材料，并与现有广泛用于商用的AZ31镁合金材料进行对比实验，探讨了该材料的力学性能和耐腐蚀性能，重点研究分析了该材料的磨损性能。实验结果表明，本研究制备的体育器材用石墨烯复合材料复合材料耐磨损性能良好，具有良好的力学性能和耐腐蚀性能，且优于AZ31镁合金材料。

关键词：体育器材;石墨烯;复合材料;磨损性能

中图分类号：TQ317                            文献标识码：A                       文章编号：1001-5922（2021）07-0080-04

Research on Wear Properties of Graphene Composites Used in Sports Equipment

Du Hangge

（Baoji Vocational and Technical College， Baoji 721000， China）

Abstract：In view of the wide application of graphene composite in sports equipment manufacturing， but the lack of research on its properties， this study made a preliminary exploration on its properties from the microstructure， mechanical properties， wear resistance and corrosion resistance of the material. Through the preparation of graphene reinforced sports equipment composite material， and a coMParative experiment with the existing AZ31 magnesium alloy material widely used in commercial use， the mechanical properties and corrosion resistance of the material were discussed， and the wear performance of the material was mainly studied and analyzed. The experimental results show that the graphene composite for sports equipment prepared in this study has good wear resistance， good mechanical properties and corrosion resistance， and is better than AZ31 magnesium alloy.

Key words：sports equipment; graphene; composite material; wear performance

優质的原材料是体育器材质量的保证。近年来，为了延长体育器材的使用寿命，各种新型材料广泛应用于体育器材。随着复合材料和石墨烯技术的发展，以石墨烯为增强体制造的体育器材用复合材料越发引起人们的关注。对于这类体育器材用复合材料，国内专家学者均进行了相关的研究。但其研究内容主要集中在材料的制备和材料的应用范围等方面，如张宁主要对体育器材用石墨烯镁基复合材料的制备与性能进行了研究和分析[1]，芦雨泽主要对石墨烯技术在体育运动器材中应用进行了探索[2]。但这些文献内容都缺乏对体育器材用石墨烯复合材料的力学性能和耐磨损性能的研究。因此，本研究从材料的显微组织、力学性能、耐磨损性能、耐腐蚀性能4个方面，详细探讨了体育器材用石墨烯复合材料的性能，并重点研究分析了该复合材料的耐磨损性能。

1 材料与方法

1.1 仪器与材料

本研究试验仪器如表1所示。试验材料包括工业级金属铝、锌、钛、锰、镁，以Mg-3Al-1Zn-0.1Ti0.3Mn进行配料[3]。首先，将配料倒入熔炼温度为700℃[4]的熔炼炉进行熔炼，并不断机械搅拌，直到所有配料全部熔炼。然后从导管中加入10vol%[5]的石墨烯增强体，不断机械搅拌直到石墨烯增强体全部喷入熔体，再持续机械搅拌10min[6]。最后将熔体浇注在铁制模具中，浇注过程中需全程使用机械搅拌辅助。浇注结束，在空气中冷却，取出。

1.2 试验方法

采用金相显微镜对试验制备的体育器材用石墨烯复合材料进行显微组织观察;利用X射线衍射仪进行材料的物相进行组织分析;分别在25℃、100℃、300℃、500℃的测试温度中，采用高温拉伸试验机对材料进行力学性能测试，并利用扫描电镜对拉伸断口进行观察;分别在20℃、100℃、300℃的测试温度中，采用高温摩擦磨损试验机对材料磨损性能进行测试;采用CHI660B型电化学工作站对材料进行耐腐蚀性能研究。

试验中，MMUD-MMUD-5B高温摩擦磨损试验机的工作参数设置如表2所示。CHI660B型电化学工作站的工作参数设置如表3所示。

2 结果与分析

2.1 显微组织分析

对试验制备的体育器材用石墨烯复合材料利用金相显微镜和扫描电镜进行观察，得到如图1所示的观察结果。由图1可知，该制备试样的晶粒平均尺寸约为57.89μm，较为细小;增强体石墨烯在材料中的分布较为均匀，基本没有出现团聚的现象。

2.2 XRD分析结果

对实验制备的体育器材用石墨烯复合材料试样进行X射线扫描，得到如图2所示的试样XRD图谱。由图可知，试样中的石墨烯复合材料主要由石墨烯、镁铝合金（Mg12Al12）和a-mg组成，不含钛和锰等化合物相，其原因是钛含量较少，而锰的作用仅用于石墨烯复合材料制备中的去杂，故制备得到的复合材料不含钛、锰两种元素。

2.3 力学性能测试结果及分析

分别在25℃、100℃、300℃、500℃的测试温度中对实验制备的体育器材用石墨烯复合材料试样的力学性能进行测试，得到如图3所示的试验结果。由图可知，随着温度的升高，研究制备的石墨烯复合材料试样的伸长率逐渐提升，拉伸强度逐渐降低。在25℃（室温）条件下，试样的拉伸强度为430MPa，伸长率为13.18%;在500℃条件下，试样的拉伸强度为391MPa，伸长率为27.31%，说明研究制备的体育器材用石墨烯复合材料在室温和高温条件下具有良好的力学性能，且拉伸强度和伸长率的保持性能较好。

利用扫描电镜对25℃拉伸试验的材料进行拉伸断口形貌观测，得到如图4所示的观察结果。由图可知，该试样中的拉伸断口含有大量的细小等轴韧窝以及少量的撕裂棱，这是韧性断裂的特征表现[7]。由此可得出，该试样具有良好的拉伸性能，即本研究制备的体育器材用石墨烯复合材料的拉伸性能良好，与上述结果一致。

2.4 耐磨损性能测试结果及分析

分别在20℃、100℃、300℃的测试温度中对实验制备的体育器材用石墨烯复合材料试样的磨损性能进行测试。为更好地研究该材料的磨损性能，本研究将该材料与常见的商用体育器材用AZ31镁合金材料[8]的磨损性进行了对比试验，得到如图5所示的试验结果。由图可知，本研究制备的石墨烯复合材料的磨损体积为与商用AZ31镁合金磨损体积相比，在20℃测试温度条件下，从97.5×10-3mm3减少到9.75×10-3mm3，减少了90%;在100℃测试温度条件，共185×10-3mm3减少到17.94×10-3mm3，减少了90.3%;在300℃测试温度条件下，从292×10-3mm3减少到26.84×10-3mm3，减少了90.8%，均小于商用AZ31镁合金材料的磨损体积。说明在以上任何测试温度条件下，本研究制备的石墨烯复合材料的磨损体积均小于商用AZ31镁合金材料的磨损体积，即本研究制备的体育器材用石墨烯复合材料的耐磨损性更高。

2.5 耐腐蚀性能测试结果及分析

在25℃、质量百分比为5的氯化钠溶液中[9]，采用CHI660B型电化学工作站以0.002mm/s的扫描速度，对实验制备的体育器材用石墨烯复合材料试样的耐腐蚀性能进行测试。为更好地研究该材料的耐腐蚀性能，本研究將该材料与常见的商用体育器材用AZ31镁合金材料的耐腐蚀性能进行了对比试验，得到如图6所示的试验结果。由表可知，本研究试验制备的石墨烯复合材料的腐蚀电位与商用体育器材用AZ31镁合金材料的腐蚀电位相比，由-0.915V移至-0.638V，正移了277mV。根据文献[10]，腐蚀电位数值越大，耐腐蚀性能越好可知，本研究制备的体育器材用石墨烯复合材料耐腐蚀性能高于商用体育器材用AZ31镁合金材料腐蚀性能，具有更高的实用价值。

3 结论

根据上文研究，可以得到以下4点结论：

（1）在Mg-3Al-1Zn-0.1Ti0.3Mn中添加10vol%的石墨烯增强体，可制备得到具有良好性能的体育器材用石墨烯复合材料。

（2）本研究制备的体育器材用石墨烯复合材料在室温和高温环境下力学性能表现良好，且随着温度的升高，其伸长率逐渐提升，拉伸强度逐渐降低。在室温（25℃）条件下，材料的拉伸强度为430MPa，伸长率为13.18%;在高温（500℃）条件下，材料的拉伸强度为391MPa，伸长率为27.31%。

（3）本研究制备的体育器材用石墨烯复合材料耐磨损性能良好，优于商用AZ31镁合金的耐磨损性能。与商用AZ31镁合金相比，在20℃测试温度条件下，该材料的磨损体积减少了90%;在100℃测试温度条件，该材料的磨损体积减少了90.3%;在300℃测试温度条件下，该材料的磨损体积减少了90.8%，均小于商用AZ31镁合金材料的磨损体积。

（4）本研究制备的体育器材用石墨烯复合材料耐腐蚀性能优于商用AZ31镁合金耐腐蚀性能。与商用体育器材用AZ31镁合金材料的腐蚀电位相比，该材料的腐蚀电位由-0.915V移至-0.638V，正移了277mV。

参考文献

[1]张宁.体育器材用石墨烯镁基复合材料的制备与性能分析[J].粘接，2019，40（07）：120-123.

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