石墨烯增强镁基复合材料对运动器材的影响及性能分析

陈盼盼

(西安医学院，陕西 西安 710021)

新型镁合金材料受到了业内的广泛关注，此材料因密度较轻、减震降噪性能突出、防屏蔽性能好、强度也较高，通过开发研究也取得社会的关注。虽说此材料的综合性能也较为突出，但是它所包含的力学性能远远不足，此缺点阻碍了该材料的大规模应用及发展；而镁基复合材料却是有着镁合金以及增强体全部的性能，其中包含的性能这二者优劣互补，这受到许多技术人员及科研开发人员的关注。为此，通过开发镁基复合材料，此材料在运动器材中得到了广泛的使用。但是由于镁基复合材料的组成部分较为复杂，所包含的性能可能会在进行制备、加工以及组成的过程中受到影响，镁基复合材料仍需要进一步研究，完善它的不足之处并促进镁基复合材料在运动器材中的推广应用。基于此，石墨烯作为增强体，来进行运动器材用石墨烯增强镁基复合材料的制备，并进行力学性能、耐磨性、抗腐蚀性、显微组织进行分析。

1 材料与方法

1.1 试验材料

试验材料以工业级别的镁、铝、锌、锰粉与石墨烯末做原料，从而制备出运动器材用石墨烯增强镁基复合材料，其制备流程如图1所示。

图1 石墨烯增强镁基复合材料的制备Fig.1 Preparation of graphene-magnesium matrix composites

通过显微镜扫描对JSM6510型石墨烯增强材料进行分析，结果如图2所示。为了使石墨烯的分散速度加快，应当在SB-100清洗机中进行超声分散中添加少许酒精促进分散速度。

图2 石墨烯增强体的扫描电镜照片Fig.2 SEM images of graphene enhancers

1.2 试验方法

选用石墨烯增强镁基复合材料作为运动器材的制备材料，对其微观结构进行了测试。采用PX-5型显微镜和D8ADVANCE型X射线衍射仪并对石墨烯增强镁基复合材料的微观结构进行分析与观察；力学性能测试则采用CMT4000型电子万能试验机；温度测试是在分别为-20、200和300 ℃的温度环境下进行；采用JSM-6510型扫描电子显微镜对石墨烯增强镁基复合材料的拉伸断口进行分析。在MMUD-5B型高温摩擦磨损试验机上进行耐磨性试验，温度分别为20、150和300 ℃，试验过程中选择的载荷为100 N磨损载荷、250 r/min磨损轮速、10 min摩擦磨损时间和90 mm/min相对滑动速度。

2 测试效果分析与讨论

2.1 显微组织分析

根据运动器材利用石墨烯增强镁基复合材料的XRD图谱进行了试验测试，结果表明：石墨烯增强镁基复合材料是由镁和石墨烯组合构成的，不存在钛和锰等化和物质，这一现象主要原因就是钛的含量可以完全忽略掉；而锰最多用来去除杂物。运动器材用石墨烯增强镁基复合材料显微结构的金相检验运动器材用石墨烯增强镁基复合材料显微结构的金相检验，结果如图3所示。由图3可以看出，石墨烯的结构分布较为均匀，没有团聚现象。

图3 石墨烯增强镁基复合材料试样的显微组织照片Fig.3 Microstructure of graphene magnesium matrix composites

2.2 力学性能测试结果

该测试使用石墨烯增强镁基复合材料与AZ31镁合金相比较，分别在-20、20和300 ℃的温度环境下开展力学性能的试验；结果如图4所示。

图4 石墨烯增强镁基复合材料试样的力学性能测试Fig.4 Mechanical properties of graphene magnesium matrix composites

由图4可知，石墨烯增强镁基复合材料无论在多么恶劣的温度环境中，力学性能仍然要高于AZ31镁合金。在温度-20 ℃环境下，石墨烯增强镁基复合材料的抗拉强度比AZ31镁合金的抗拉强度提高407%；在温度20 ℃的环境下，石墨烯增强镁基复合材料的抗拉强度比AZ31镁合金的抗拉强度提高105%；在高温300 ℃的恶劣环境下，石墨烯增强镁基复合材料的抗拉强度要比AZ31镁合金的抗拉强度直接提高520%。从图4中还可得出，运动器材用石墨烯基复合材料在温度20 、300 ℃环境下的抗拉强度与AZ31镁合金相当；但在温度-20 ℃环境下，其断裂伸长率比AZ31镁合金提高了7%，表明石墨烯增强镁基复合材料的力学性能较其更胜一筹。

2.3 耐磨损属性分析

对石墨烯增强镁基复合材料与AZ31镁合金分别在不同温度的恶劣环境下，对2种材料的力学性能以及耐磨性和防腐蚀性进行测试对比，2种材料在温度-20、20和300 ℃的环境下，运动器材用石墨烯增强镁基复合材料的多方面受损情况都比AZ31镁合金受损要小得多，表明此实验数据得出的石墨烯增强镁基复合材料的性能更好。与AZ31镁合金相比，石墨烯增强镁基复合材料在温度20 ℃环境下的磨损体积由98×10mm减到11×10mm；在150 ℃下的磨损体积由184×10mm减到19×10mm；在温度350 ℃下的磨损量减少了89%，耐磨性由291×10mm减到27×10mm，耐磨性下降了90.9%；其受损的面积更小，这表明运动器材用石墨烯增强镁基复合材料的抗磨性能较为优越。石墨烯增强镁基复合材料与AZ31镁合金材料相比，石墨烯增强镁基复合材料的性能表现较为突出。

3 运动器材中应用石墨烯增强镁基复合材料的前景

因复合材料早已普遍应用与体育运动器材中，所以石墨烯增强镁基复合材料在竞技体育中应用有以下典型方面。

3.1 滑雪板

滑雪板的结构及材料较为复杂，多年来为实现滑雪板轻量化、改进的减震性能、疲劳寿命和回转性能一直是被关注的主要问题。采用石墨烯碳纤维复合材料的滑雪板可以使弯曲与扭曲相平衡、回转性与滑行性相匹配、减震吸能和滑雪稳定性能较好的特点。

3.2 撑杆运动

石墨烯碳纤维复合材料和玻璃纤维复合材料制成的撑杆跳质轻有弹性，可用来跳更高的高度。在最早的撑杆是由桃木制成，质量大也缺乏弹性，当是比赛的成绩最好的只有3.3 m；1905年使用的具有一定弹性的竹竿成绩提高到了4.77 m；之后几十年相继使用了尼龙撑杆和金属杆，届时的世界记录被成功刷新；1984年美国研发了质轻、弹性更强的玻璃纤维杆，第一次使用的记录突破在6 m；被改进成碳纤维撑杆后，在保证一定结实且不易断裂的情况下，合金杆是发展的趋势。石墨烯增强镁基复合材料在前人的基础上具备更强的恢复能力，充分的储能保证了撑杆的弹跳运动。

3.3 弓箭运动

采用复合材料制成的弓箭不但质量轻，且具有较高的弯曲强度和弯曲模量，能够承受运动员施加更大的弯曲压力。石墨烯增强镁基复合材料同样可用来制作弓箭，而且也可得到更高的弯曲度和弯曲模量。石墨烯增强镁基复合材料还可用来制造箭杆。在过去箭多用于竹子、玻璃钢、铝合金等制造材料，但因为它们的比模量和强度低，不易制作轻而细、刚则弯曲的箭杆，因此，为提高箭的初速和命中率，适合用石墨烯增强镁基复合材料制作高性能箭。

4 结语

本试验用石墨烯增强镁基复合材料制备运动器材，无论是抗拉强度、耐磨抗腐蚀性、力学性能等，这种石墨烯增强镁基复合材料都表现出色。考虑到大部分运动器材都基本假设在室外而且常年受到自然环境的威胁，如今传统的运动器材已经慢慢的被市场拒绝，石墨烯增强镁基复合材料在运动器材上的优势，可以有效地提升体育运动器材的使用寿命和质量，这种石墨烯增强镁基复合材料的应用巨大的，所含的市场前景也较为广阔。