新型鎂基復(fù)合材料的體育器材制備與性能分析

劉利鋒

摘 要：將新型鎂基復(fù)合材料當(dāng)做增強(qiáng)體，對(duì)體育器材進(jìn)行制備，進(jìn)行改良后的體育器材對(duì)競(jìng)技成績(jī)的提升和開展全民運(yùn)動(dòng)都有著推動(dòng)作用，提升運(yùn)動(dòng)品質(zhì)。并從顯微組織、耐磨損程度和力學(xué)性能等多方面對(duì)其進(jìn)行性能分析，測(cè)試結(jié)果表明，新型鎂基復(fù)合材料擁有著良好的拉伸性、耐腐蝕性，優(yōu)化體育器材性能，提升體育器材的功效和耐用性，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：新型鎂基復(fù)合材料;體育器材;性能分析;耐磨損性

中圖分類號(hào)：TQ050.4+3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1001-5922（2021）07-0071-04

Preparation and Performance Analysis of Sports Equipment of New Type Magnesium-based Composite

Liu Lifeng

（School of Physical Education， Xi an Peihua University， Xi an 710065， China）

Abstract：The new type of magnesium-based composite material is used as a reinforcement to prepare sports equipment. The improved sports equipment will promote the improvement of athletic performance and the development of national sports， and improve the quality of sports. It also analyzes its performance in terms of microstructure， abrasion resistance and mechanical properties. The test results show that the new magnesium-based composite material has good tensile properties and corrosion resistance， optimizes the performance of sports equipment， and improves sports the efficacy and durability of the equipment have practical application value.

Key words：new magnesium-based composites; sports equipment; performance analysis; wear resistance

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人們的生活水平也日益提升，對(duì)身體健康也越來(lái)越重視。由于對(duì)體育器材的需求有所提高，因此在相關(guān)材料的研發(fā)上也投入了更高的關(guān)注度。新型鎂基復(fù)合材料因其密度輕、減震降噪等優(yōu)點(diǎn)被廣泛的應(yīng)用于體育器材值制備中。但是影響新型鎂基復(fù)合材料性能的因素眾多，因此仍需要不斷地研究和改進(jìn)。為了尋求到更加適宜的力學(xué)剛度、彈性的復(fù)合材料，研發(fā)人員將碳化硼增強(qiáng)體融入鈦鎂合金之中，并進(jìn)行了XRD、OM和SEM分析。

1 鎂基復(fù)合材料的基體合金和增強(qiáng)體

1.1 基體合金

由于純鎂強(qiáng)度較低，無(wú)法當(dāng)做新型鎂基復(fù)合材料的基體進(jìn)行使用，需要在其中添加合金元素，對(duì)其進(jìn)行合金化來(lái)增強(qiáng)其強(qiáng)度[1]。常用的合金元素多為稀土金屬，包含Zn，Mn，CE等，這些合金元素?fù)碛兄倘軓?qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化等功能，常用的為Al，Zn，Mn等。多個(gè)合金元素可自由組合搭配，常用的基體合金包括：Mg-Mn，Mg-Al，Mg-Li，Mg-Zr等。在進(jìn)行基體材料選擇時(shí)以自身特性為判斷依據(jù)，若側(cè)重?cái)D壓性能，可以選擇變形鎂合金，若側(cè)重鑄造性能，可以選擇鑄造鎂合金，目前應(yīng)用的最為廣泛的基體合金為AZ91，AM60，ZK60等。

1.2 鎂基復(fù)合材料增強(qiáng)體

在進(jìn)行鎂基復(fù)合材料增強(qiáng)體選擇時(shí)，需要具備界面潤(rùn)濕性良好和荷載承受力強(qiáng)等條件。下面對(duì)幾種增強(qiáng)體進(jìn)行詳細(xì)介紹。①長(zhǎng)纖維增強(qiáng)金屬基，擁有良好且穩(wěn)定的性能，但是造價(jià)昂貴，且材料存在各向異性，不適用于民用工業(yè)。②顆粒增強(qiáng)金屬基，結(jié)構(gòu)靈活，可進(jìn)行二次塑性，并且具備良好的強(qiáng)度、硬度，且耐高溫耐腐蝕，性能優(yōu)渥，越來(lái)越受研發(fā)人員的重視。目前可用的增強(qiáng)顆?？梢詣澐譃樘蓟?、氮化物、氧化物和硼化物4種[2]。由于金屬鎂自身的化學(xué)性質(zhì)活潑，因此能夠與多種金屬基進(jìn)行組合。例如：Al2O3和Mg會(huì)產(chǎn)生3Mg+Al2O3=2Al+3MgO的化學(xué)反應(yīng)，會(huì)削減金屬基和基體間的結(jié)合強(qiáng)度。如果Al2O3中含有SiO2，那么SiO2會(huì)和Mg產(chǎn)生激烈反應(yīng)：2Mg+SiO2=Si+2MgO，2Mg+SiO2=Mg2Si，因?yàn)镸g2Si會(huì)影響界面結(jié)合強(qiáng)度，因此很少選用Al2O3顆粒當(dāng)做增強(qiáng)體。B4C顆粒中的B2O3和Mg會(huì)發(fā)生反應(yīng)：4Mg+B2O3=MgB2+3MgO，MgB2可以提升潤(rùn)滑性，使新型鎂基復(fù)合材料擁有良好的力學(xué)性能。因此，SiC和B4C是目前較常用的新型鎂基復(fù)合材料。

2 制備方法

2.1 粉末冶金法

利用粉末冶金原理，將基體材質(zhì)和增強(qiáng)顆粒依照科學(xué)配比進(jìn)行融合、壓胚，當(dāng)溫度達(dá)到合金兩相區(qū)時(shí)燒結(jié)，也可以直接進(jìn)行熱軋、熱壓來(lái)制備新型鎂基復(fù)合材料，用于體育器材的制作當(dāng)中。運(yùn)用該制備方法生產(chǎn)出的新型鎂基復(fù)合材料無(wú)須經(jīng)歷全熔高溫狀態(tài)，可以一定程度上避免鎂合金發(fā)生氧化[3]。且增強(qiáng)顆粒和基體材質(zhì)的融合率高，分布均勻，復(fù)合材料擁有良好的綜合性能，做出的體育器材更加耐用。應(yīng)用粉末冶金法時(shí)對(duì)增強(qiáng)顆粒的種類也沒有具體要求，可以任意調(diào)整配比。但是粉末冶金法需要用到的生產(chǎn)設(shè)備較為復(fù)雜，且投入成本較高，也無(wú)法生產(chǎn)形狀較為復(fù)雜的體育器材，且存在粉末易燃燒、爆炸等安全隱患，無(wú)法用在大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)當(dāng)中，很難得以推廣。

2.2 攪拌鑄造法

該制備方法依靠機(jī)械、電磁、超聲波等方式對(duì)原料進(jìn)行充分?jǐn)嚢瑁乖鰪?qiáng)粉末均勻的分布于基體熔體中，然后制備成型。按照鑄造時(shí)金屬形態(tài)的差異可以將制備方法分為3種，分別是全液態(tài)法、半液態(tài)法和攪熔法。研究人員應(yīng)用全液態(tài)法制備出了SiC復(fù)合材料，通過與AZ91材料對(duì)比后，得出SiC復(fù)合材料制作的體育器材在力學(xué)性能方面更具優(yōu)勢(shì)。此種制備方法工藝簡(jiǎn)單，易于操作，無(wú)需投入過多的資金，可用于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)當(dāng)中[4]。但是，會(huì)對(duì)增強(qiáng)顆粒的體積分?jǐn)?shù)進(jìn)行限制，在鑄造時(shí)也容易出現(xiàn)氣孔、沉積，團(tuán)聚等問題。

2.3 原位合成法

將復(fù)合材料中的增強(qiáng)顆粒以物理化學(xué)反應(yīng)的方式在制備過程中進(jìn)行生成，換言之，增強(qiáng)顆粒是借助組元間的反應(yīng)產(chǎn)生的。合成原理是依照材料設(shè)計(jì)要求，添加適當(dāng)反應(yīng)劑，當(dāng)溫度高于基體材料的熔點(diǎn)時(shí)，依靠反應(yīng)劑和集體材料的反應(yīng)，于原位生成增強(qiáng)顆粒。當(dāng)前較常使用的原位合成技術(shù)包括：Self-propagating High temperature Synthesis（自蔓延高溫法），Exothermic Dispersion（放熱彌散法），Direct Reaction Synthesis（直接反應(yīng)法），Reactive Self-Infiltration（反應(yīng)自發(fā)浸滲法），Remelting and Dilution（重熔稀釋法）。

2.4 熔體浸滲法

將增強(qiáng)顆粒預(yù)制成形，再借助壓力將早已熔斷好的基體材料滲浸到預(yù)制體的縫隙當(dāng)中，完成復(fù)合化。較常應(yīng)用的方法為壓力滲透，自發(fā)滲透，真空滲透等。拿壓力滲透（Squeeze Casting）舉例，先將增強(qiáng)體加工成預(yù)制件，然后加入液態(tài)鎂合金，通過增壓的方式使其均勻的浸滲于預(yù)制件當(dāng)中，制備出復(fù)合材料[5]。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于可用來(lái)制備高體積分?jǐn)?shù)的復(fù)合材質(zhì)，易于成型，缺點(diǎn)是制備工藝復(fù)雜，資金投入大，并且基體材料和增強(qiáng)顆粒之間的潤(rùn)濕性較差。若是采用高壓浸透的方式，可以改善潤(rùn)濕性較差，質(zhì)地疏松、氣孔多等現(xiàn)象。

2.5 噴射沉積法

利用高壓惰性氣體將液態(tài)鎂或鎂合金進(jìn)行霧化處理，在形成熔融純鎂或鎂合金噴射流時(shí)直接將增強(qiáng)體噴入其中，使液體、固體兩種材質(zhì)充分融合，并同步沉積至預(yù)制件的襯底上，冷卻后形成顆粒增強(qiáng)鎂基復(fù)合材質(zhì)。該制備方法的優(yōu)點(diǎn)是增強(qiáng)體在基體中均勻分布無(wú)偏聚，冷卻速度快，不易產(chǎn)生界面反應(yīng)。缺點(diǎn)是在進(jìn)行制備時(shí)對(duì)氣氛保護(hù)的要求十分嚴(yán)格，具有較大的危險(xiǎn)性，因此較少使用這一鎂基復(fù)合材料制作體育器材。

3 測(cè)試材料和方式

3.1 測(cè)試材料

在進(jìn)行測(cè)試時(shí)，我們選擇了較常應(yīng)用的Mg，Zn，Mn工業(yè)級(jí)金屬，以Mg-3Al-1，Zn-0.1，Ti-0.3Mn當(dāng)做增強(qiáng)體，在TXZ-110熔爐中以700℃將其熔煉，并且在熔煉時(shí)需要不間斷的對(duì)其進(jìn)行機(jī)械攪拌。當(dāng)基體金屬全部熔斷后，向其中加入10vol%碳化硼增強(qiáng)體，繼續(xù)進(jìn)行機(jī)械攪拌，攪拌時(shí)長(zhǎng)一般設(shè)定為10min。然后將熔煉好的金屬液體在鐵模中進(jìn)行澆注，且澆注過程中需要持續(xù)攪拌確保其充分流動(dòng)直到澆注結(jié)束[6]。冷卻后從鐵模中將體育器材用鎂基復(fù)合材料拿取出來(lái)。于新型鎂基復(fù)合材料中添加Mn，主要是為了去除雜質(zhì)，制備完成后，運(yùn)用Winner 2000ZD型激光粒度儀對(duì)其進(jìn)行粒徑分布檢測(cè)，得出其粒徑在38～45μm之間。

3.2 實(shí)驗(yàn)方法

運(yùn)用6XB-PC型金相顯微鏡和JSM6510型掃描電鏡，對(duì)制備出的鎂基復(fù)合材料試樣進(jìn)行分析，通過觀察其纖維組織判斷其是否可以用來(lái)制作體育器材。運(yùn)用D8ADVANCE型X射線衍射儀分析其物相構(gòu)成。運(yùn)用UH-100GL型高溫拉伸試驗(yàn)機(jī)測(cè)試其力學(xué)性能，將溫度分別設(shè)定為200℃、350℃和500℃3個(gè)階段，確保測(cè)試數(shù)據(jù)更具參考價(jià)值。運(yùn)用JSM6510型掃描電鏡觀察其拉伸斷口處的形貌。運(yùn)用CHI660B型電化學(xué)工作站測(cè)試其耐腐蝕性，應(yīng)用的是三電極體系，分別為甘汞電極、鉑黑電極和試樣制備電極[7]。除了對(duì)測(cè)試設(shè)備有著嚴(yán)格要求，在測(cè)試溫度，掃描速度和掃描范圍等方面也有著規(guī)定數(shù)值，測(cè)試溫度為正常室溫，掃描速度和范圍分別為0.002mm/s、-1.0V～-0.5V。

4 測(cè)試結(jié)果與性能分析

4.1 XRD、顯微組織分析及討論

利用上述精密測(cè)試儀器，我們可以得到新型鎂基復(fù)合材料試樣的XRD圖譜，如圖1所示。

通過觀察圖譜我們可以得知，該新型鎂基復(fù)合材料是由構(gòu)成α-Mg、Mg17Al12、B4C，不含Ti或Mn的化合物相[8]。使用6XB-PC型金相顯微鏡和JSM6510型掃描電鏡對(duì)體育器械用新型鎂基復(fù)合材料試樣進(jìn)行觀察，可以發(fā)現(xiàn)該試樣晶粒比較細(xì)小，平均尺寸大約為58μm，且碳化硼增強(qiáng)顆粒分布的也較為均勻，團(tuán)聚現(xiàn)象少。

4.2 拉伸性試驗(yàn)結(jié)果及討論

將測(cè)試室溫設(shè)為200℃、350℃和500℃3個(gè)階段，對(duì)試樣及拉伸性能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過分析測(cè)試結(jié)果我們可以發(fā)現(xiàn)，該試樣擁有著良好的拉伸強(qiáng)度及伸長(zhǎng)率，在不同室溫下高溫力學(xué)性能都能趨于穩(wěn)定。該試樣在室溫抗拉強(qiáng)度為427MPa，伸長(zhǎng)率為12.3%，隨著測(cè)試溫度升高，抗拉強(qiáng)度會(huì)有所下降，伸長(zhǎng)率則會(huì)有所上升，當(dāng)測(cè)試溫度為500℃時(shí)，抗拉強(qiáng)度的數(shù)值會(huì)降至388MPa，相比室溫時(shí)的抗拉強(qiáng)度值降低了9%左右，伸長(zhǎng)率則提升了大約26%，由此可見，該新型鎂基復(fù)合材料擁有良好且穩(wěn)定的室溫、高溫力學(xué)性能[9]。運(yùn)用JSM6510型掃描電鏡觀察其拉伸斷口處的形貌，會(huì)發(fā)現(xiàn)斷口處有著少量的撕裂棱以及大量的微小等軸韌窩，呈現(xiàn)韌性斷裂特征。由此可見，該款新型鎂基復(fù)合材料有著良好的拉伸性能。因?yàn)椴糠煮w育器材需要安放在室外供人們使用，因此受溫度的影響較大，例如我國(guó)東北地區(qū)冬季室外溫度可達(dá)-40℃左右，夏天的室外溫度大約為35℃，溫差較大，這就要求室外雙杠、健身轉(zhuǎn)盤和社區(qū)健身器材等體育器材擁有良好的比剛度以及伸展性。以往應(yīng)用木質(zhì)、鋼材為原料的健身器材在比剛度和彈性等方面都略有欠缺。應(yīng)用新型鎂基復(fù)合材料制作健身器材則可以很好的解決這些問題，器材韌性強(qiáng)、抗拉伸力好，可以很好的滿足使用者對(duì)力學(xué)性能方面的要求。

4.3 耐腐蝕性試驗(yàn)結(jié)果及討論

將制備出的體育器材用新型鎂基復(fù)合材料試樣和商用軋制態(tài)AZ31鎂合金放于5wt%室溫的NaCl溶液之中，將掃描速度設(shè)定為0.002mm/s，會(huì)得出相應(yīng)的極化曲線，具體情況如圖2所示。

從圖2中我們可以看出，和商用軋制態(tài)AZ31鎂合金相比，新型鎂基復(fù)合材料的腐蝕電位發(fā)生了正移，從-0.932V到-0.648V，數(shù)值相差284mV。依據(jù)定律，材料腐蝕電位直接代表其耐腐蝕性，電位越正耐腐蝕性越好，反之則耐腐蝕性越差。通過對(duì)比二者數(shù)值我們可以得知，新型鎂基復(fù)合材料的耐腐蝕性要遠(yuǎn)高于商用軋制態(tài)AZ31鎂合金，具備更高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。因?yàn)轶w育器材擁有著體育本身的特殊性，且安裝和放置方式各有不同，一部分室外體育器材需要將器材的一部分埋于地下，長(zhǎng)期暴露在高酸高堿的環(huán)境當(dāng)中，因此對(duì)其抗腐蝕性能要求較高。改款新型鎂基復(fù)合材料就擁有著良好的耐腐蝕性，用其制作體育器材更加經(jīng)久耐用，可以大幅度提升其使用期限和效率，可當(dāng)做社區(qū)健身器材供人們使用。

4.4 力學(xué)屬性試驗(yàn)結(jié)果及討論

將本次測(cè)試制備的新型復(fù)合材料和商用軋制態(tài)AZ31鎂合金分別放于-20℃、20℃、300℃溫度下進(jìn)行力學(xué)屬性實(shí)驗(yàn)，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)無(wú)論處于何種溫度，新型鎂基復(fù)合材料的力學(xué)屬性都要優(yōu)于商用軋制態(tài)AZ31鎂合金[10]。在-20℃溫度下，力學(xué)屬性從103MPa提升至526MPa，按百分比換算提升數(shù)值為407%，在20℃溫度下，力學(xué)屬性從261MPa提升至537MPa，按百分比換算提升數(shù)值為105%，在300℃溫度下，力學(xué)屬性從82MPa提升至514MPa，提升520%。由于部分體育器材都是作為社區(qū)健身器材使用，供居民進(jìn)行日常鍛煉時(shí)使用。我國(guó)城鎮(zhèn)人口密度大，晨練人口眾多，因此體育器材的利用率也較高，每天都有大量的居民使用同一體育器材進(jìn)行鍛煉，這就要求其應(yīng)該具備良好的力學(xué)屬性，應(yīng)用新型鎂基復(fù)合材料制作的體育器材就可以很好的滿足這一要求，器材堅(jiān)固不易壞，更具使用價(jià)值。

5 結(jié)語(yǔ)

通過對(duì)力學(xué)屬性、耐腐蝕性、拉伸性等多方面進(jìn)行測(cè)試，證明了該款新型鎂基復(fù)合材料的各項(xiàng)性能要遠(yuǎn)優(yōu)于市面上常用的商用軋制態(tài)AZ31鎂合金。由于很多體育器材都被用于戶外，長(zhǎng)期被風(fēng)吹雨淋，處于高酸高堿環(huán)境中，在溫差較大的地區(qū)受溫度變化的影響較大，運(yùn)用傳統(tǒng)材質(zhì)制作的體育器材已經(jīng)無(wú)法滿足使用需求，正在逐漸被市場(chǎng)淘汰。而運(yùn)用這一材料制成的體育器材更加堅(jiān)固耐用，使用壽命得到了有效延長(zhǎng)，在今后擁有著廣闊的發(fā)展前景。

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