體育器材器械的改性鋁基復合材料性能分析

鄧彭沖

(中共陜西省委黨校(陜西行政學院),陜西 西安 710061)

CNTs-SiC改性鋁基復合材料有著十分優(yōu)異的力學及物理性能，而該材料中CNTs-SiC的含量是決定其力學性能的一項關(guān)鍵因素[1]。因此，本次研究重點分析CNTs-SiC含量與CNTs-SiC改性鋁基復合材料力學及物理性能之間的關(guān)系，為該材料在體育器材器械中的合理應(yīng)用提供更有價值的參數(shù)依據(jù)。

1 實驗材料

本次研究所使用的CNTs主要參數(shù)如表1所示。為了使CNTs的力學性能得到強化，本次研究采用納米SiC復合化的方式對CNTs表面進行處理。選取φ(CNTs)為5%、10%及15%的CNTs-SiC改性鋁基復合材料，將其設(shè)定為實驗組；另選取SiC/Al復合材料與CNTs/Al復合材料(增強相含量與實驗給相同)，將其設(shè)定為對照組。

2 力學性能分析

本次研究所使用的CNTs-SiC改性鋁基復合材料處于塑性狀態(tài)，因此只進行拉伸實驗，借助延伸率、屈服強度和抗拉強度來評價該材料的力學性能。熱擠壓條件如表2所示，通過熱擠壓的方式將φ30試樣轉(zhuǎn)化為φ7棒材，根據(jù)國標加工制式將棒材制作成拉伸試樣[2]。在此基礎(chǔ)上，于室溫環(huán)境下來評價CNTs-SiC改性鋁基復合材料的拉伸性能，擠壓方向與拉伸方向一致，將每種材料拉伸為三個不同的試樣，再計算出平均值以表示該材料的拉伸性能，室溫環(huán)境下的拉伸試樣直徑為3mm，標距為15mm，變速率為5×10-4/s[3]。

表1 CNTs主要參數(shù)

表2 熱擠壓參數(shù)

CNTs-SiC改性鋁基復合材料的力學性能、硬度及密度如表3所示。經(jīng)實驗研究發(fā)現(xiàn)，在本次研究所設(shè)置的工藝環(huán)境下，所有實驗對象均達到99%以上的密度水平，可以滿足在致密化方面的要求。在不斷增加CNTs-SiC含量的過程中，改性鋁基復合材料的硬度也逐漸得到增強15%CNTs-SiC/Al、10%CNTs-SiC/Al、5%CNTs-SiC/Al相比于純鋁來說，其硬度分別提升了195%、116%和46%，在不斷加入CNTs-SiC增加相的過程中，改性鋁基復合材料的塑性變形得到了有效的抑制，進一步增加了復合材料的硬度以及抵抗塑性變形的能力。改性鋁基性能力學性能與CNTs-SiC含量之間的關(guān)系如圖1所示，在不斷增加CNTs-SiC含量的過程中，改性鋁基復合材料的強度先增后減，在含量為10%的情況下處于最高水平。另外，改性鋁基材料的延伸率會隨著強度的增加而下降。

表3 復合材料及純鋁材料性能

經(jīng)實驗研究發(fā)現(xiàn)，純Al延伸率、抗拉強度和屈服強度分別為27%、107MPa、81MPa；5%CNTs-SiC/Al 試樣的延伸率、抗拉強度和屈服強度分別為9.5%、180MPa、117MPa。相比于純鋁來說，其抗拉強度和屈服強度分別提升了69%和45%；10%CNTs-SiC/Al 試樣的延伸率、抗拉強度和屈服強度分別為7.5%、209 MPa、146 MPa。相比于純鋁來說，其抗拉強度和屈服強度分別提升了97%和80%；15%CNTs-SiC/Al 試樣的延伸率、抗拉強度和屈服強度分別為3.6%、198 MPa、131 MPa。相比于純鋁來說，其抗拉強度和屈服強度分別提升了87%和65%。根據(jù)實驗結(jié)果可知，在Al基體中w(CNTs-SiC)為15%的情況下，改性鋁基復合材料仍然能夠得到強化，但在不斷提升改性鋁基復合材料的過程中，延伸率也隨之出現(xiàn)了明顯的下降，也就是金屬基復合材料強塑性不匹配現(xiàn)象。在不斷增加CNTs-SiC含量的過程中，Al基體與CNTs-SiC二者之間不并存在一致的變形能力，Al 基體塑性變形很大程度上會受到CNTs-SiC的影響，為合理控制材料開裂的風險，需要妥善處理好強度與延伸率之間的矛盾。

3 增強改性鋁基復合材料性能有關(guān)方法

根據(jù)現(xiàn)有的文獻資料發(fā)現(xiàn)，CNTs-SiC改性鋁基復合材料通常只有3%左右的增強相含量[4]。由于CNTs容易團聚且難以分散，因此改性鋁基復合材料也存在難以致密的問題[5]。另外，由于Al與CNTs之間缺乏相容性，CNTs的增強效果難以得到充分的發(fā)揮，反而會影響到改性鋁基復合材料的延伸率和力學性能[6]。因此，本次研究在進行實驗之前，首先對Al基體與CNTs的界面相容性進行了改善處理，進而提高了CNTs在改性鋁基復合材料中所占的比例，并且獲得了致密的CNTs-SiC改性鋁基復合材料試樣[7]。另外，CNTs表面的SiC復合層能夠?qū)l基體與CNTs之間起到一定的阻隔作用，使CNTs/Al之間的界面反應(yīng)得到控制，降低Al4C3硬脆相的生成量，使Al基體與CNTs之間表現(xiàn)出良好的界面結(jié)合強度[8]。

4 結(jié) 語

將CNTs-SiC改性鋁基復合材料應(yīng)用于體育器材器械中，能夠有效改善體育器材器械的力學性能，使設(shè)備整體結(jié)構(gòu)更加堅固，并且在重量上不會出現(xiàn)過大的提升，方便設(shè)備的拆卸與運輸，并且為體育器材器械各部件的標準化創(chuàng)造了便利條件。而在未來的研究中，還需要進一步考慮CNTs-SiC含量與改性鋁基復合材料熱膨脹之前的關(guān)系，使該材料不僅能夠應(yīng)用于體育器材器械上，還要應(yīng)用于汽車、航天器等領(lǐng)域，需要通過更多的研究來分析該材料在各個領(lǐng)域中的適用性。