新型鎂基復(fù)合材料在高校俱樂(lè)部體育器械中的應(yīng)用

趙亞瓊 張星 王利娟

摘 要：隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)水平不斷提升，人們?cè)谧⒅厣钇焚|(zhì)的同時(shí)也更加注重身體健康。因此，越來(lái)越多的人們開(kāi)始喜歡體育運(yùn)動(dòng)，而運(yùn)動(dòng)器材的質(zhì)量決定運(yùn)動(dòng)的品質(zhì)和使用者的安全。新型鎂基復(fù)合材料的出現(xiàn)和發(fā)展對(duì)于體育器械行業(yè)來(lái)說(shuō)無(wú)疑是一個(gè)好的發(fā)現(xiàn)，其具有的許多優(yōu)點(diǎn)正好是體育器材所需要的，將成為一個(gè)趨勢(shì)在體育器材中采用新型鎂基復(fù)合材料。文章通過(guò)研究新型鎂基復(fù)合材料在高校俱樂(lè)部體育器械中的應(yīng)用，做了大量的分析對(duì)比，得出評(píng)論新型鎂基復(fù)合材料抗腐蝕性和抗磨損性良好，而且力學(xué)性能優(yōu)秀。這就為日后體育器材生產(chǎn)所需新型鎂基復(fù)合材料打下了基礎(chǔ)，具有積極的應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：鎂基復(fù)合材料;高校俱樂(lè)部體育器械;力學(xué)性能

中圖分類號(hào)：TS952;TQ327.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1001-5922（2020）10-0072-03

Abstract： With the development of economy and the continuous improvement of national economic level， people pay more attention to the quality of life and health at the same time. Therefore， more and more people begin to like sports， and the quality of sports equipment determines the quality of sports and the safety of users. The emergence and development of new magnesium matrix composite is undoubtedly a good discovery for the sports equipment industry. Many of its advantages are exactly what sports equipment needs. It will become a trend to use new magnesium matrix composite in sports equipment. In this paper， through the research on the application of new magnesium matrix composite in sports equipment of university clubs， a large number of analysis and comparison are made， and it is concluded that the new magnesium matrix composite has good corrosion resistance and wear resistance， and excellent mechanical properties. This will lay a foundation for the production of new magnesium matrix composite materials for sports equipment in the future， which has a positive application value.

Key words：magnesium matrix composite material;sports equipment of university club;mechanical properties

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們生活水平的提高，人們?cè)谧⒅厣钇焚|(zhì)的同時(shí)也越來(lái)越注重身體健康，體育運(yùn)動(dòng)就成為大部分人的首選活動(dòng)，因此，對(duì)體育器材的需求和要求也越來(lái)越高，與此同時(shí)與體育器材相關(guān)的材料也備受關(guān)注。其中鎂合金具有密度不重、減震降噪好而且具有電磁屏蔽等優(yōu)良的性能，在體育器材中用料占比比較高;但其也具有力學(xué)強(qiáng)度弱和抗腐蝕性不高等缺點(diǎn)，所以其商業(yè)化發(fā)展也受到了約束[1]。因此，我們通過(guò)運(yùn)用科技手法將鎂合金進(jìn)行擠壓，使其晶粒更加微小，這個(gè)可以基本消除其晶體缺陷，而且可以將Graphene（石墨烯）與其他材料進(jìn)行適當(dāng)配比來(lái)作為增強(qiáng)體材料，然后對(duì)這些材料進(jìn)行對(duì)比分析，得出新型鎂基材料具有耐腐蝕性高、力學(xué)剛度好的性能。為新型鎂基復(fù)合材料在高校俱樂(lè)部體育器械中的應(yīng)用打下基礎(chǔ)，而且還為新型鎂基材料的商業(yè)化發(fā)展指明了方向。

1 試驗(yàn)材料與實(shí)驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料及工藝

體育器材中使用的鎂基復(fù)合材料是采用了工業(yè)級(jí)的Graphene、magnesite powder和鋅粉[1]，選用了Jsm6510 scanning electron microscope來(lái)進(jìn)行制備工藝[2]，其工藝流程如圖1所示。

首先需要進(jìn)行分散式處理利用Sb-100 ultrasonic cleaning machine，而且可以適當(dāng)?shù)靥砑右恍〢bsolute ethanol，將其均勻的混合在一起。將Graphene和鎂等混合物進(jìn)行熱壓燒結(jié)放在溫度為600℃的Zr-6-8y vacuum molybdenum wire hot pressing sintering furnace of graphene中，其化學(xué)成分配比如表1所示，時(shí)間設(shè)定為5h，隨后將其進(jìn)行冷卻處理（方式為爐冷、空冷和水冷等）制成Magnesium matrix composite（鎂基復(fù)合材料）。同時(shí)，采用機(jī)器Mmud-5b testing machine進(jìn)行溫度為30℃、150℃、300℃的空冷處理磨損實(shí)驗(yàn)，設(shè)定實(shí)驗(yàn)的磨損荷載為100N，轉(zhuǎn)速為200r /s，設(shè)定摩擦損耗時(shí)間為10s。

1.2? 試驗(yàn)方法

將鎂基復(fù)合材料利用線切割的方式進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，將實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行了3次測(cè)試，以確保其測(cè)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性，而且將選取3次測(cè)驗(yàn)結(jié)果的平均值。利用圓棒狀的燒結(jié)材料進(jìn)行拉伸實(shí)驗(yàn)，其有長(zhǎng)度為50mm，有效直徑是10mm;采用了Uh4000gd drawing machine進(jìn)行拉伸力學(xué)實(shí)驗(yàn)，設(shè)定其拉伸速度為1mm/s，并且利用了JSM6510掃描電子顯微鏡對(duì)其進(jìn)行觀察。采用了Chi660b electrochemical workstation三電極體系對(duì)其耐腐蝕性進(jìn)行了性能測(cè)試[3]，在室溫下，電解液為5%的氯化鈉溶液，掃描速度為0.002mm/s，掃描范圍為-1.0V到+1.0V。

2 試驗(yàn)結(jié)果及實(shí)驗(yàn)討論

2.1 研究力學(xué)性能

鎂基復(fù)合材料的力學(xué)性能采用不同的冷卻方式具有不同的機(jī)構(gòu)，如圖2不同方式處理的鎂基復(fù)合材料試樣的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果可以看出[4]，未經(jīng)過(guò)熱處理的和經(jīng)過(guò)熱處理操作的差距很大，未經(jīng)處理的力學(xué)性能不好，一拉伸就會(huì)斷掉;而經(jīng)過(guò)熱處理的力學(xué)性能就相對(duì)比較好。

經(jīng)過(guò)爐冷熱處理的可以加強(qiáng)其拉伸伸長(zhǎng)，從4.89%增長(zhǎng)到6.32%，增加了33.66%;而且拉伸強(qiáng)度也有了較大的變化，增長(zhǎng)了10.2%，從435.54MPa增加到483.48MPa，而且屈服強(qiáng)度也增長(zhǎng)了17.34%，而且這些變化是在爐冷處理的中間水平。如果做稍微較的爐冷處理，它的拉伸伸長(zhǎng)率可以增加72.42%，從4.28%增長(zhǎng)到7.95%;拉伸強(qiáng)度也增了19.38%，從433.5MPa增加到511.02MPa;屈服強(qiáng)度也增加了30.6%，從309.06MPa398.82MPa。效果比中間水平較好，但是水冷效果更加明顯。鎂基復(fù)合材料試樣經(jīng)過(guò)水冷熱處理后，其拉伸伸長(zhǎng)率增加了100%，拉伸強(qiáng)度增加了26.52%左右，拉伸435.54MPa增加到了547.74MPa;屈服強(qiáng)度增加了39.78%，屈服度由311.1MPa增加到436.56MPa。而且還可以從斷口的斷裂方式看出，沒(méi)有經(jīng)過(guò)熱處理的鎂基復(fù)合材料其斷口明顯比較脆弱，斷裂比較多，而經(jīng)過(guò)熱處理的鎂基復(fù)合材料其脆性斷裂少，沒(méi)有明顯的解離臺(tái)階，而且拉伸程度良好。

2.2? ?耐磨損性結(jié)果研究

將鎂基復(fù)合材料進(jìn)行磨損試驗(yàn)分別在溫度為30℃、150℃和300℃下進(jìn)行[5]，如圖3鎂基復(fù)合材料的耐磨損特性測(cè)試所示。該材料的磨損性和其他性能都有所提升，在30℃時(shí)，磨損消耗體積從90.78×10.2-3mm3減少到12.24×10.2-3mm3，減少了89.61%左右;當(dāng)溫度在150℃時(shí)，磨損消耗體積從179.52×10.2-3mm3減少到21.42×10.2-3mm3，減少了92.82%;當(dāng)溫度在300℃時(shí)，磨損消耗體積由311.1×10.2-3mm3減少到31.62×10.2-3mm3，減少了93.84%。材料的磨損和磨損消耗體積成反比，耗損體積小，表明耐磨損性能強(qiáng)。石墨烯鎂基復(fù)合材料與普通商用鎂合金相比，其耐磨損性能強(qiáng)，耐磨損效果優(yōu)良。

2.3? ?研究耐腐蝕性結(jié)果

將商用鎂合金與鎂基復(fù)合材料放于氯化鈉溶液中進(jìn)行試驗(yàn)，其極化曲線擬合結(jié)果如表2所示。當(dāng)腐蝕電位從-1.0V特向+1.0V特移動(dòng)的時(shí)候，其腐蝕電位更加偏向正電位與商用鎂合金相比較。根據(jù)之前學(xué)者研究理論得知，腐蝕電位越偏向正極說(shuō)明材料的耐腐蝕性越強(qiáng)，反之，腐蝕電位越偏向負(fù)極說(shuō)明材料的耐腐蝕性越弱。說(shuō)明鎂基復(fù)合材料在加入Graphene后耐腐蝕性更加好[6]。

3 在高校俱樂(lè)部體育器械中運(yùn)用鎂基復(fù)合材的 優(yōu)勢(shì)

通過(guò)加入利用燒結(jié)法超聲分散的Graphene加固后的新型鎂基復(fù)合材料，它的力學(xué)性能、拉伸強(qiáng)度和耐腐蝕性都發(fā)生了很大的改變。將這種具有許多優(yōu)良性能的材料使用到高校俱樂(lè)部體育器械中具有很多優(yōu)勢(shì)。

1）質(zhì)量很輕的新型鎂基復(fù)合材料運(yùn)用在體育領(lǐng)域中，可以為體育運(yùn)動(dòng)帶來(lái)更加良好的效果[7]。比如：網(wǎng)球拍和自行車(chē)等，加入Graphene后，用起來(lái)非常輕便，效果更加好。

2）質(zhì)量強(qiáng)度比普通鎂合金強(qiáng)，將新型鎂基復(fù)合材料運(yùn)用于體育器材中又增加了其一大優(yōu)點(diǎn)。單位質(zhì)量強(qiáng)度的提升使其抗疲勞程度有了很大的提升，比如將其運(yùn)用到杠鈴中，經(jīng)過(guò)多次的實(shí)驗(yàn)表明其抗疲勞程度優(yōu)良。抗疲勞程度良好的原因是Graphene良好的物理結(jié)構(gòu)起到的作用，如果抗疲勞程度提高，將會(huì)導(dǎo)致體育器材的使用率提高，而且使用壽命也會(huì)加長(zhǎng)。Graphene的晶體各向異性優(yōu)良[8]，因此使新型鎂基復(fù)合材料的抗損害性和安全性能高。而且高校俱樂(lè)部體育器械中運(yùn)用的材料還應(yīng)該具備耐磨損性高，在運(yùn)動(dòng)時(shí)，體育器材會(huì)對(duì)運(yùn)動(dòng)員的身體產(chǎn)生傷害，需要將傷害減低到最小，就需要運(yùn)動(dòng)器材具有良好的耐磨損性。體育器材需要具有一定的緩沖作用，而該材料正好具備這種阻尼性能。因此，在高校俱樂(lè)部體育器械領(lǐng)域中，新型鎂基復(fù)合材料憑借其天然優(yōu)勢(shì)將發(fā)揮巨大的作用，需要充分利用新型鎂基復(fù)合材料[9]。

4 結(jié)語(yǔ)

研究結(jié)果表明，新型鎂基復(fù)合材料經(jīng)過(guò)熱處理和不同的冷卻方式將會(huì)為其帶來(lái)不同的影響效果。新型鎂基復(fù)合材料與普通鎂合金相比更適和在體育器材領(lǐng)域使用[10]，其具有的耐磨損性等具有很大的優(yōu)勢(shì)，而且其價(jià)格也是大眾可以接受的和廣泛運(yùn)用的。通過(guò)加入增強(qiáng)體Graphene，使其各方面性能都有了很大的提升。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，該材料制成的工藝品技術(shù)更加成熟，將其運(yùn)用到日常生活中去將會(huì)創(chuàng)造出更多的經(jīng)濟(jì)效益。

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