基于新型镁基复合材料的体育器材组织与性能研究

任祥钰 牛健壮

摘要：新型复合材料在体育器材中有着广阔的应用前景，好的体育器械有利于提高运动员的竞技成绩，推动全民运动的发展。将10vol%B₄C增强体添加到Mg-3Al-0.1Ti-0.3Mn-1Zn镁合金中，通过采用搅拌摩擦法以及特质导管辅助熔炼制成了适用于体育器材的新型镁基复合材料，并对此材料进行了的OM、XRD、SEM分析以及腐蚀试验和拉伸实验。实验结果显示：镁基复合材料由Mg₁₇Al₁₂、α-Mg以及B₄C组成，在室温与高温环境中有着较好的力学性能与抗腐蚀性能;在室温下，该材料的拉伸强度为428MPa，伸长率为12.5%。相较室温，500℃的拉伸强度只减少了9%，与AZ3l镁合金相比，腐蚀电位正移了285mV。实验所制的镁基复合材料在拉伸、抗腐蚀性能上具有充足的优势，适用于制造体育器材，使体育器材的功用得到最大程度的发挥，增长使用寿命。

关键词：镁基复合材料;体育器材;力学性能;抗腐蚀性能

中图分类号：TQ050.4⁺3文献标识码：A 文章编号：1001-5922（2019）07-0019-04

科技是第一生产力，对体育发展来说亦是如此。当今时代的体育竞技运动，竞争不仅存在于运动员之间，而且在科学技术尤其是新材料技术上的竞争也是相当激烈。经济的发展、科技的进步使更多的新型材料应用于体育器材之中，新型材料的体育器材具有良好的物理与力学特性。镁基复合材料同时具备增强体与镁合金的优点，综合性能比较好，在体育器材上有着良好的应用前景。但是，受制备工艺、材料成分等多种因素的影响，镁基复合材料的性能有待于人们开展进一步的深人性研究。B，C（碳化硼）的硬度很高，制造起来比较容易，而且价格相对来说也比较低，常被用作复合材料的增强体。为了探索优良的新型体育器材复合材料，本次实验将适量的B₄C增强体添加到含钛镁合金之中，通过搅拌摩擦处理，职称镁基复合材料，并对此材料的OM、XRD以及SEM进行了分析，做了腐蚀试验和拉伸试验。

1 实验材料和方法

1.1实验材料

本次实验需要用到B₄C增强体，增强体可以用来改善材料不同方面的性能，比如提高弹性模量和强度，减小密度，优化高温蠕变性能等。制作镁基复合材料需要加入增强体，但是增强体通常是脆性相，添加量不可以超过一定的值，不然就会造成复合材料性能的恶化。本次实验的需要加入10vol%B₄C增强体。

采选工业级金属Mg锭、Al、Ti、Mn和Zn，按照Mg-3A1-0.1Ti-0.3Mn-1Zn比例进行配置，将TXZ-110型熔炼炉的温度设置在700℃，将配料进行熔炼，在此过程中不断地用机械进行搅拌;当金属全部熔炼之后，再利用导管注入10vol%B₄C增强体，一边注入一边用机械进行搅拌，当B₄C增强体完全注入熔体之后，再用机械进行10min的搅拌。之后，将熔体浇注在铁模之中，直至浇注结束之前，都需要进行机械搅拌，空冷之后取出镁基复合材料。图1为熔炼装置的简易图。通过激光粒度仪测试了B₄C增强体的粒径分布，测试结果见图2，B₄C增强体的粒径在37-46um。

1.2实验方法

通过JSM6510扫描仪、6XB-PC显微镜对本实验制出的镁基复合材料显微组织进行分析;用D8AD-VANCE射线衍射仪对材料物相组成进行分析;用UH-100GL高温拉伸试验机分别在室温、200℃、350℃、500℃条件下对材料的力学性能进行测试;用JSM6510扫描电镜对材料的拉伸端口的形貌进行扫描;用CH1660B电化学工作站对材料的抗腐蚀性能进行三电极体系测试，该测试要在室温下进行，采用5wt%NaCI电解液，以0.002mm/s的速度扫描，范围在-1.0～-0.5V。

2 实验结果与讨论

2.1镁基复合材料XRD分析结果与讨论

实验制出的镁基复合材料XRD图谱，如图3所示。从图3可以看出，该材料由Mg₁₇Al₁₂、α-Mg、以及B₄C组成。Mn或者Ti的化合物相并没有在XRD图谱中发现，主要原因在于Mn主要是用来除杂，而Ti的含有量非常少。

2.2镁基复合材料显微组织分析与讨论

图4为实验所制镁基复合材料的显微组织金相图片，图5为扫描电镜图片。从图4和图5中可以发现，本次实验所制得的镁基复合材料有着比较细小的晶粒，平均晶粒的尺寸在58um，材料中分布着较少团聚、比较均匀的B₄C增强体。

2.3镁基复合材料的拉伸实验结果与讨论

对本次实验所制成的镁基复合材料分别在室温、200℃、350℃、500℃的测试条件下的拉伸测试结果如图6所示。从图6中可以看出，本材料的拉伸强度与伸长率都比较高，而且在高温环境下，有着较好的力学性能。在室温环境下，该材料的拉伸强度为428MPa，伸长率为12.5%;随着温度的不断升高，该材料的拉伸强度开始缓慢地降低，但是伸长率却逐步升高;在500℃的测试条件下，材料的拉伸强度是387MPa，相比室温下的拉伸强度只减少了9%，伸长率却增大了26.5%。由此可见，本次实验所制成的镁基复合材料在室温和高温环境下都有着非常好的力学性能。

图7为在室温环境下，该实验镁基复合材料的拉伸断口形貌。从图中可以发现，该材料的拉伸断口中有着很多的细小等轴韧窝和少许的撕裂棱，有着韧性断裂的特点。由此可见，本次实验的镁基复合材料拉伸性能比较好，而且与拉伸测试的结果表现为一致。

对于室外的体育器材来说，受温度的影响比较大，不仅是四季变换的温度影响，而且由于部分地区的温差比较大，比如我国有的地方夏天晒烤温度可达70℃，而冬天的温度会低至-50℃。体育器材对伸展性与比刚度要求较高，比如肋木、户外双杠、健身转盘等。老式的体育器材大多以钢材或者木材为原料，在弹性、比刚度、使用寿命等方面有着先天性的不足。采用镁基复合材料制作而成的体育器材，其拉伸强度与伸展性能不会因为温度的变化而降低性能，有着较强的韧性和安全性，可以满足体育器材对力学性能的要求。

2.4镁基复合材料的抗腐蚀结果与讨论

图8为在5wt%室温NaCl溶液中，将实验所制的镁基复合材料和AZ31镁合金以0.002m/s的速度進行扫描而获取的极化曲线。由极化曲线可以看出，相较于AZ31镁合金，本实验所制的镁基复合材料的腐蚀电位由-0.933V正移到-0.649V，正移了285mV。材料的腐蚀电位越正，抗腐蚀性就会愈好;与之相反，材料的抗腐蚀性就会愈差。由此可见，该镁基复合材料相比AZ31镁合金有着更好的抗腐蚀性能，实用价值很高。户外体育器材有着不同的安装与安放形式，有的需要部分或者全部埋在地下、有的要处在酸碱性比较强的环境中、有的需要经历风吹日晒，因此，体育器材对抗腐蚀性能有着较高的要求。本次实验所制的镁基复合材料的抗腐蚀性能满足体育器材的要求，增加体育器材的使用寿命。

3 实验总结

1）将10vol%的B₄C增强体加入到Mg-3Al-0.1Ti-0.3Mn-1Zn镁合金之中，通过搅拌摩擦处理，制作增强体分散均匀、在室温与高温环境下有着较佳力学性能的适用于体育器材的镁基复合材料，与AZ31镁合金相比，该材料有着显著的抗腐蚀性能，

由Mg₁₇Al₁₂、α-Mg以及B₄C组成。

2）该镁基复合材料在室温下拉伸强度为428MPa，伸长率为12.5%;随着温度的不断升高，该材料的拉伸强度开始缓慢地降低，伸长率逐步升高;相比于室温环境下的测试，在500℃的测试条件下，其拉伸强度只减少了9%，伸长率却增长了26.5%。

3）相较于AZ31镁合金，实验所制的镁基复合材料的腐蚀电位正移了285mV。

4 结语

综上所述，新型的镁基复合材料在体育器材中有着非常高的应用价值。镁基复合材料具有比较高的比强度与比模量，性能稳定，抗腐蚀性强，应用前景十分广阔。当今的体育竞赛离不开科技的进步，先进的体育器材是保证竞赛成绩的有效手段之一。因此，科研工作者要加快科技创新的步伐，研发出更多的新型优质材料应用于体育器材之中，推动我国体育事业的进步与发展。