装配式建筑用镁基复合材料的制备及性能研究

毕 猛

（1.长春市城建学校，吉林 长春 130000；2.吉林建筑大学，吉林 长春 130118）

引 言

装配式建筑通常是工厂做成成品，然后送往现场直接进行安装的一种建筑方式。这种建筑方式具有速度快、成本低、抗震强等特点[1]。用于装配式建筑的镁基复合材料作为装配式建筑的主要原材料，更是受到行业人员的高度重视，具有耐腐蚀、稳定性强、硬度高等特点。为制备镁基复合材料，目前研究人员往往会在镁基材料中加入基体合金，如Mg-Al-Zn、Mg-Mn、Mg-Zn-Zr等[2]；除加入以上基体合金外，通常还会加入增强体，如C纤维、Al2O3、Si C[3]。研究发现虽然这些增强体可提高材料的硬度和耐腐蚀性，但由于增强体本身存在的脆性问题，导致对镁基复合材料机械性能的改进往往达不到要求。因此，人们开始尝试加入其他的增强体，以提升镁基复合材料的性能。本研究则在以往研究基础上，提出在镁基复合材料中加入石墨烯，并通过试验验证对镁基复合材料机械性能的改进效果。

1 材料与方法

1.1 试验原材料

（1）镁基基体材料

镁基基体材料选择天津众通联金属材料有限公司生产，经切削的A Z91D镁合金颗粒，该合金颗粒成分主要由Al、Zn、Mn、Fe等元素组成，具体含量见表1所示。该合金颗粒材料具有耐腐蚀、高硬度和良好抗震性等。

表1 AZ91D镁合金组成(质量分数/%)Table 1 The chemical composition of AZ91D magnesium alloy(mass fraction/%)

（2）增强体材料

增强体材料选择多层GNPs，该材料由杭州新乔生物科技有限公司生产，具体参数见表2所示。

表2 多层GNPs参数Table 2 The parameters of multi-layer GNPs

除以上试剂以外，还选取苦味酸、醋酸、乙醇等试剂。

1.2 试验仪器

本实验用仪器见表3所示。

表3 试验仪器Table 3 The test instruments

1.3 实验过程

1.3.1 GNPs添加量选择

一般而言，A Z91D镁合金中GNPs的添加量（质量分数）为0.1%～1.5%[4]，故选择0.1%、0.5%、1%的GNPs添加量。利用触变注射成形的方法制备GNPs增强镁基复合材料[5]。

1.3.2 混粉

将GNPs和A Z91D镁合金颗粒按一定比例倒入V型混粉机充分混合，混合比如表4所示。

表4 GNPs和AZ91D镁合金颗粒混合成分表Table 4 The mixed composition of GNPs and AZ91D magnesium alloy particles

1.3.3 具体制备过程

将GNPs与A Z91D镁合金颗粒倒入V型料筒中，在一定温度和转速下充分混合，从而形成熔融的镁合金浆液，将半固态的浆料倒入储料区，以2m/s的速度压射到275℃的模具内成型；注射结束后，取出材料放在空气中冷却，从而得到试样。

1.4 性能测试

1.4.1 金相显微组织分析

选用莱卡DMi8型金相显微镜对复合材料进行观察。具体步骤为:将制好的复合材料切割成高15mm、半径5mm的圆柱试样，并用金相砂纸进行细磨；利用抛光机对细磨试样抛光，放入1.5g苦味酸+1.25mL醋酸+25mL乙醇+2.5mL蒸馏水的混合溶液[7]中进行腐蚀，腐蚀时间为5s；最后分析晶粒尺寸。

1.4.2 X射线衍射分析

利用D/max-rBXRD检测GNPs和复合材料.具体步骤为：采用铜靶作为射线源对材料进行连续扫描；利用J A D E5.0软件进行物相分析。

1.4.3 密度测试

利用阿基米德排水法对制备的复合材料进行密度测量[8]，具体步骤为：首先用砂纸对材料进行打磨；然后用酒精清洗表面；用电子分析天平测量材料样品在空气中的质量m1，悬浮在蒸馏水中的质量为m2。由此可得试样的实际密度、理论密度以及空隙率，具体计算公式为[9]：

实际密度为：

理论密度为：

孔隙率：

1.4.4 硬度测试

用显微维氏硬度计在实验载荷为2N，实验时长为15s的环境下对材料进行测试[10]。测试前，为保证测试硬度，需要利用砂纸对材料细磨。测试中，为保证数据的准确性，在试样横竖方向每隔2mm进行一次测试。取测试结果的平均值作为最终检测显微硬度值。

1.4.5 拉伸力学性能测试

用AG-XPLUS万能拉伸机对材料进行拉伸力学性能测试[9]，拉伸速率为1.5mm/min。

2 结果与分析

2.1 复合材料微观组织

2.1.1 GNPs微观组织

为更好地观察复合材料和混合物中的GNPs特征，本研究首先对GNPs进行了微观组织观察，图1为GNPs微观SEM观察图。

2.1.1 GNPs与A Z91D镁合金颗粒混合颗粒的微观组织

图2为0.5%GNPs与AZ91D混合的镁合金颗粒宏观形貌图。由图2可知，AZ91D镁合金颗粒表面为明亮的银白色，加入GNPs后镁合金颗粒表面呈灰黑色。另外由图2可知，GNPs与AZ91D混合物的颗粒尺寸没有发生变化，且没有出现大规模的团聚现象，说明混合效果良好。

图2 AZ91D镁合金颗粒与混合GNPs的AZ91D镁合金颗粒的形貌Fig.2 The morphology of AZ91D magnesium alloy particles and AZ91D magnesium alloy particles mixed with GNPS

图3为混合1%GNPs的A Z91D镁合金颗粒的S E M图，它们对应的EDS分析如表5所示。由图3可知，当GNPs添加量较多时，容易出现团聚现象。由表5可知，碳含量较高时说明GNPs堆积在一起，即对复合材料的性能可能产生不良影响。其原因可能是GNPs与镁合金颗粒的混合时间较短，无法进行充分混合。另外，该混合颗粒中含有少量的氧元素，其原因可能是混合过程中，镁合金颗粒与空气中的氧混合，形成含氧的氧化物。

图3 1%GNPs与AZ91D镁合金混合SEM图Fig.3 The SEM image of 1%GNPs mixed with AZ91D magnesium alloy

表5 EDS检测结果Table 5 The EDS test results

2.2 GNPs/A Z91D复合材料性能测试结果

2.2.1 致密度测试结果

表6为利用触变注射成形制备后得到的GNPs/A Z91D复合材料的理论密度、实验密度、孔隙率。由表6可知，复合材料的密度随着GNPs的含量增加而逐渐提升；孔隙率随着GNPs含量的增加而逐渐下降，当GNPs添加量为0时，制备得到的材料孔隙率最大为7.9%，当GNPs添加量为1%时，孔隙率最小为4.4%。其原因在于，GNPs与镁基体之间紧密结合，减小了A Z91D材料的裂缝，同时改善了合金的流动性，进而减小了材料的孔隙率。因此，这进一步说明添加GNPs有利于改善触变注射成型技术内部缺陷的问题。

表6 GNPs/AZ91D复合材料的理论值Table 6 The theoretical values of physical index of GNPs/AZ91D composites

2.2.2 硬度测试结果

图4为添加不同含量GNPs对复合材料的硬度影响。由图可知，当GNPs添加量为0时，镁合金的硬度为68.1HV，当GNPs添加量为0.6%时，复合材料的硬度最大，达到92.3HV；当GNPs添加量小于0.6%，复合材料的硬度随GNPs增加而逐渐提高；当GNPs添加量大于0.6%后，随着GNPs的增加，复合材料的硬度逐渐降低。其原因在于，GNPs具有超高的硬度，当GNPs添加量小于0.6%时，可提升复合材料的硬度；当GNPs添加量大于0.6%时，GNPs发生了团聚行为，从而降低了复合材料的硬度，但其硬度仍高于A Z91D镁合金。

图4 GNPs添加量对复合材料硬度的影响Fig.4 The effect of GNPs addition amount on the hardness of composites

2.2.3 拉伸性能测试结果

表7为触变注射成形后GNPs/A Z91D复合材料的力学性能。由表可知，当GNPs添加量为0时，材料的屈服强度、抗拉强度、延伸率均为最低，分别为147MPa、177MPa、2.2%；当GNPs添加量为0.6%时，材料的屈服强度、抗拉强度、延伸率均为最高，分别达到165MPa、245MPa、3.9%。由此可知，GNPs的含量对复合材料的力学性能影响较大。其原因在于，GNPs本身表面呈褶皱、弯曲状，当与镁基体结合，会形成强大的界面结合，从而增强复合材料的屈服强度和抗拉强度。此外，当GNPs添加量增加到0.9%时，复合材料的屈服强度、抗拉强度、延伸率相较于0.6%的GNPs添加量略有下降，说明大量的GNPs会产生团聚现象，进而影响材料的力学性能。由此可得出，本研究中最佳的GNPs添加量为0.6%。

表7 GNPs/AZ91D复合材料力学性能Table 7 The mechanical properties of GNPs/AZ91D composites

3 结论

通过上述试验看出，将GNPs与A Z91D颗粒混合，可更好地让A Z91D镁基体均匀分布。同时通过触变注射成形工艺，得到制备镁基复合材料增强体无论在密度、硬度、抗拉强度，还是在延伸率等方面，都具有明显的优势。而通过以上结论得出，GNPs添加量超过0.6%时，得到的复合材料在硬度、密度、抗压强度和拉伸性能方面，都达到最优。而根据该实验也证明，在镁基复合体中掺入GNPs，能显著增强复合材料的性能。