新型鎂基復合材料的體育器材制備與性能分析

劉利鋒

摘 要：將新型鎂基復合材料當做增強體，對體育器材進行制備，進行改良后的體育器材對競技成績的提升和開展全民運動都有著推動作用，提升運動品質。并從顯微組織、耐磨損程度和力學性能等多方面對其進行性能分析，測試結果表明，新型鎂基復合材料擁有著良好的拉伸性、耐腐蝕性，優化體育器材性能，提升體育器材的功效和耐用性，具有實際應用價值。

關鍵詞：新型鎂基復合材料;體育器材;性能分析;耐磨損性

中圖分類號：TQ050.4+3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：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

隨著經濟的高速發展，人們的生活水平也日益提升，對身體健康也越來越重視。由于對體育器材的需求有所提高，因此在相關材料的研發上也投入了更高的關注度。新型鎂基復合材料因其密度輕、減震降噪等優點被廣泛的應用于體育器材值制備中。但是影響新型鎂基復合材料性能的因素眾多，因此仍需要不斷地研究和改進。為了尋求到更加適宜的力學剛度、彈性的復合材料，研發人員將碳化硼增強體融入鈦鎂合金之中，并進行了XRD、OM和SEM分析。

1 鎂基復合材料的基體合金和增強體

1.1 基體合金

由于純鎂強度較低，無法當做新型鎂基復合材料的基體進行使用，需要在其中添加合金元素，對其進行合金化來增強其強度[1]。常用的合金元素多為稀土金屬，包含Zn，Mn，CE等，這些合金元素擁有著固溶強化、細晶強化等功能，常用的為Al，Zn，Mn等。多個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。在進行基體材料選擇時以自身特性為判斷依據，若側重擠壓性能，可以選擇變形鎂合金，若側重鑄造性能，可以選擇鑄造鎂合金，目前應用的最為廣泛的基體合金為AZ91，AM60，ZK60等。

1.2 鎂基復合材料增強體

在進行鎂基復合材料增強體選擇時，需要具備界面潤濕性良好和荷載承受力強等條件。下面對幾種增強體進行詳細介紹。①長纖維增強金屬基，擁有良好且穩定的性能，但是造價昂貴，且材料存在各向異性，不適用于民用工業。②顆粒增強金屬基，結構靈活，可進行二次塑性，并且具備良好的強度、硬度，且耐高溫耐腐蝕，性能優渥，越來越受研發人員的重視。目前可用的增強顆粒可以劃分為碳化物、氮化物、氧化物和硼化物4種[2]。由于金屬鎂自身的化學性質活潑，因此能夠與多種金屬基進行組合。例如：Al2O3和Mg會產生3Mg+Al2O3=2Al+3MgO的化學反應，會削減金屬基和基體間的結合強度。如果Al2O3中含有SiO2，那么SiO2會和Mg產生激烈反應：2Mg+SiO2=Si+2MgO，2Mg+SiO2=Mg2Si，因為Mg2Si會影響界面結合強度，因此很少選用Al2O3顆粒當做增強體。B4C顆粒中的B2O3和Mg會發生反應：4Mg+B2O3=MgB2+3MgO，MgB2可以提升潤滑性，使新型鎂基復合材料擁有良好的力學性能。因此，SiC和B4C是目前較常用的新型鎂基復合材料。

2 制備方法

2.1 粉末冶金法

利用粉末冶金原理，將基體材質和增強顆粒依照科學配比進行融合、壓胚，當溫度達到合金兩相區時燒結，也可以直接進行熱軋、熱壓來制備新型鎂基復合材料，用于體育器材的制作當中。運用該制備方法生產出的新型鎂基復合材料無須經歷全熔高溫狀態，可以一定程度上避免鎂合金發生氧化[3]。且增強顆粒和基體材質的融合率高，分布均勻，復合材料擁有良好的綜合性能，做出的體育器材更加耐用。應用粉末冶金法時對增強顆粒的種類也沒有具體要求，可以任意調整配比。但是粉末冶金法需要用到的生產設備較為復雜，且投入成本較高，也無法生產形狀較為復雜的體育器材，且存在粉末易燃燒、爆炸等安全隱患，無法用在大規模工業化生產當中，很難得以推廣。

2.2 攪拌鑄造法

該制備方法依靠機械、電磁、超聲波等方式對原料進行充分攪拌，使增強粉末均勻的分布于基體熔體中，然后制備成型。按照鑄造時金屬形態的差異可以將制備方法分為3種，分別是全液態法、半液態法和攪熔法。研究人員應用全液態法制備出了SiC復合材料，通過與AZ91材料對比后，得出SiC復合材料制作的體育器材在力學性能方面更具優勢。此種制備方法工藝簡單，易于操作，無需投入過多的資金，可用于大規模工業化生產當中[4]。但是，會對增強顆粒的體積分數進行限制，在鑄造時也容易出現氣孔、沉積，團聚等問題。

2.3 原位合成法

將復合材料中的增強顆粒以物理化學反應的方式在制備過程中進行生成，換言之，增強顆粒是借助組元間的反應產生的。合成原理是依照材料設計要求，添加適當反應劑，當溫度高于基體材料的熔點時，依靠反應劑和集體材料的反應，于原位生成增強顆粒。當前較常使用的原位合成技術包括：Self-propagating High temperature Synthesis（自蔓延高溫法），Exothermic Dispersion（放熱彌散法），Direct Reaction Synthesis（直接反應法），Reactive Self-Infiltration（反應自發浸滲法），Remelting and Dilution（重熔稀釋法）。

2.4 熔體浸滲法

將增強顆粒預制成形，再借助壓力將早已熔斷好的基體材料滲浸到預制體的縫隙當中，完成復合化。較常應用的方法為壓力滲透，自發滲透，真空滲透等。拿壓力滲透（Squeeze Casting）舉例，先將增強體加工成預制件，然后加入液態鎂合金，通過增壓的方式使其均勻的浸滲于預制件當中，制備出復合材料[5]。該方法的優點在于可用來制備高體積分數的復合材質，易于成型，缺點是制備工藝復雜，資金投入大，并且基體材料和增強顆粒之間的潤濕性較差。若是采用高壓浸透的方式，可以改善潤濕性較差，質地疏松、氣孔多等現象。

2.5 噴射沉積法

利用高壓惰性氣體將液態鎂或鎂合金進行霧化處理，在形成熔融純鎂或鎂合金噴射流時直接將增強體噴入其中，使液體、固體兩種材質充分融合，并同步沉積至預制件的襯底上，冷卻后形成顆粒增強鎂基復合材質。該制備方法的優點是增強體在基體中均勻分布無偏聚，冷卻速度快，不易產生界面反應。缺點是在進行制備時對氣氛保護的要求十分嚴格，具有較大的危險性，因此較少使用這一鎂基復合材料制作體育器材。

3 測試材料和方式

3.1 測試材料

在進行測試時，我們選擇了較常應用的Mg，Zn，Mn工業級金屬，以Mg-3Al-1，Zn-0.1，Ti-0.3Mn當做增強體，在TXZ-110熔爐中以700℃將其熔煉，并且在熔煉時需要不間斷的對其進行機械攪拌。當基體金屬全部熔斷后，向其中加入10vol%碳化硼增強體，繼續進行機械攪拌，攪拌時長一般設定為10min。然后將熔煉好的金屬液體在鐵模中進行澆注，且澆注過程中需要持續攪拌確保其充分流動直到澆注結束[6]。冷卻后從鐵模中將體育器材用鎂基復合材料拿取出來。于新型鎂基復合材料中添加Mn，主要是為了去除雜質，制備完成后，運用Winner 2000ZD型激光粒度儀對其進行粒徑分布檢測，得出其粒徑在38～45μm之間。

3.2 實驗方法

運用6XB-PC型金相顯微鏡和JSM6510型掃描電鏡，對制備出的鎂基復合材料試樣進行分析，通過觀察其纖維組織判斷其是否可以用來制作體育器材。運用D8ADVANCE型X射線衍射儀分析其物相構成。運用UH-100GL型高溫拉伸試驗機測試其力學性能，將溫度分別設定為200℃、350℃和500℃3個階段，確保測試數據更具參考價值。運用JSM6510型掃描電鏡觀察其拉伸斷口處的形貌。運用CHI660B型電化學工作站測試其耐腐蝕性，應用的是三電極體系，分別為甘汞電極、鉑黑電極和試樣制備電極[7]。除了對測試設備有著嚴格要求，在測試溫度，掃描速度和掃描范圍等方面也有著規定數值，測試溫度為正常室溫，掃描速度和范圍分別為0.002mm/s、-1.0V～-0.5V。

4 測試結果與性能分析

4.1 XRD、顯微組織分析及討論

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

通過觀察圖譜我們可以得知，該新型鎂基復合材料是由構成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型掃描電鏡對體育器械用新型鎂基復合材料試樣進行觀察，可以發現該試樣晶粒比較細小，平均尺寸大約為58μm，且碳化硼增強顆粒分布的也較為均勻，團聚現象少。

4.2 拉伸性試驗結果及討論

將測試室溫設為200℃、350℃和500℃3個階段，對試樣及拉伸性能進行實驗，通過分析測試結果我們可以發現，該試樣擁有著良好的拉伸強度及伸長率，在不同室溫下高溫力學性能都能趨于穩定。該試樣在室溫抗拉強度為427MPa，伸長率為12.3%，隨著測試溫度升高，抗拉強度會有所下降，伸長率則會有所上升，當測試溫度為500℃時，抗拉強度的數值會降至388MPa，相比室溫時的抗拉強度值降低了9%左右，伸長率則提升了大約26%，由此可見，該新型鎂基復合材料擁有良好且穩定的室溫、高溫力學性能[9]。運用JSM6510型掃描電鏡觀察其拉伸斷口處的形貌，會發現斷口處有著少量的撕裂棱以及大量的微小等軸韌窩，呈現韌性斷裂特征。由此可見，該款新型鎂基復合材料有著良好的拉伸性能。因為部分體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，例如我國東北地區冬季室外溫度可達-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、健身轉盤和社區健身器材等體育器材擁有良好的比剛度以及伸展性。以往應用木質、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。應用新型鎂基復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、抗拉伸力好，可以很好的滿足使用者對力學性能方面的要求。

4.3 耐腐蝕性試驗結果及討論

將制備出的體育器材用新型鎂基復合材料試樣和商用軋制態AZ31鎂合金放于5wt%室溫的NaCl溶液之中，將掃描速度設定為0.002mm/s，會得出相應的極化曲線，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AZ31鎂合金相比，新型鎂基復合材料的腐蝕電位發生了正移，從-0.932V到-0.648V，數值相差284mV。依據定律，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。通過對比二者數值我們可以得知，新型鎂基復合材料的耐腐蝕性要遠高于商用軋制態AZ31鎂合金，具備更高的實際應用價值。因為體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，長期暴露在高酸高堿的環境當中，因此對其抗腐蝕性能要求較高。改款新型鎂基復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久耐用，可以大幅度提升其使用期限和效率，可當做社區健身器材供人們使用。

4.4 力學屬性試驗結果及討論

將本次測試制備的新型復合材料和商用軋制態AZ31鎂合金分別放于-20℃、20℃、300℃溫度下進行力學屬性實驗，我們會發現無論處于何種溫度，新型鎂基復合材料的力學屬性都要優于商用軋制態AZ31鎂合金[10]。在-20℃溫度下，力學屬性從103MPa提升至526MPa，按百分比換算提升數值為407%，在20℃溫度下，力學屬性從261MPa提升至537MPa，按百分比換算提升數值為105%，在300℃溫度下，力學屬性從82MPa提升至514MPa，提升520%。由于部分體育器材都是作為社區健身器材使用，供居民進行日常鍛煉時使用。我國城鎮人口密度大，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行鍛煉，這就要求其應該具備良好的力學屬性，應用新型鎂基復合材料制作的體育器材就可以很好的滿足這一要求，器材堅固不易壞，更具使用價值。

5 結語

通過對力學屬性、耐腐蝕性、拉伸性等多方面進行測試，證明了該款新型鎂基復合材料的各項性能要遠優于市面上常用的商用軋制態AZ31鎂合金。由于很多體育器材都被用于戶外，長期被風吹雨淋，處于高酸高堿環境中，在溫差較大的地區受溫度變化的影響較大，運用傳統材質制作的體育器材已經無法滿足使用需求，正在逐漸被市場淘汰。而運用這一材料制成的體育器材更加堅固耐用，使用壽命得到了有效延長，在今后擁有著廣闊的發展前景。

參考文獻

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