畢 猛

（1.長春市城建學(xué)校，吉林 長春 130000；2.吉林建筑大學(xué)，吉林 長春 130118）

引 言

裝配式建筑通常是工廠做成成品，然后送往現(xiàn)場直接進(jìn)行安裝的一種建筑方式。這種建筑方式具有速度快、成本低、抗震強(qiáng)等特點(diǎn)[1]。用于裝配式建筑的鎂基復(fù)合材料作為裝配式建筑的主要原材料，更是受到行業(yè)人員的高度重視，具有耐腐蝕、穩(wěn)定性強(qiáng)、硬度高等特點(diǎn)。為制備鎂基復(fù)合材料，目前研究人員往往會在鎂基材料中加入基體合金，如Mg-Al-Zn、Mg-Mn、Mg-Zn-Zr等[2]；除加入以上基體合金外，通常還會加入增強(qiáng)體，如C纖維、Al2O3、Si C[3]。研究發(fā)現(xiàn)雖然這些增強(qiáng)體可提高材料的硬度和耐腐蝕性，但由于增強(qiáng)體本身存在的脆性問題，導(dǎo)致對鎂基復(fù)合材料機(jī)械性能的改進(jìn)往往達(dá)不到要求。因此，人們開始嘗試加入其他的增強(qiáng)體，以提升鎂基復(fù)合材料的性能。本研究則在以往研究基礎(chǔ)上，提出在鎂基復(fù)合材料中加入石墨烯，并通過試驗驗證對鎂基復(fù)合材料機(jī)械性能的改進(jìn)效果。

1 材料與方法

1.1 試驗原材料

（1）鎂基基體材料

鎂基基體材料選擇天津眾通聯(lián)金屬材料有限公司生產(chǎn)，經(jīng)切削的A Z91D鎂合金顆粒，該合金顆粒成分主要由Al、Zn、Mn、Fe等元素組成，具體含量見表1所示。該合金顆粒材料具有耐腐蝕、高硬度和良好抗震性等。

表1 AZ91D鎂合金組成(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)Table 1 The chemical composition of AZ91D magnesium alloy(mass fraction/%)

（2）增強(qiáng)體材料

增強(qiáng)體材料選擇多層GNPs，該材料由杭州新喬生物科技有限公司生產(chǎn)，具體參數(shù)見表2所示。

表2 多層GNPs參數(shù)Table 2 The parameters of multi-layer GNPs

除以上試劑以外，還選取苦味酸、醋酸、乙醇等試劑。

1.2 試驗儀器

本實驗用儀器見表3所示。

表3 試驗儀器Table 3 The test instruments

1.3 實驗過程

1.3.1 GNPs添加量選擇

一般而言，A Z91D鎂合金中GNPs的添加量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）為0.1%～1.5%[4]，故選擇0.1%、0.5%、1%的GNPs添加量。利用觸變注射成形的方法制備GNPs增強(qiáng)鎂基復(fù)合材料[5]。

1.3.2 混粉

將GNPs和A Z91D鎂合金顆粒按一定比例倒入V型混粉機(jī)充分混合，混合比如表4所示。

表4 GNPs和AZ91D鎂合金顆?；旌铣煞直鞹able 4 The mixed composition of GNPs and AZ91D magnesium alloy particles

1.3.3 具體制備過程

將GNPs與A Z91D鎂合金顆粒倒入V型料筒中，在一定溫度和轉(zhuǎn)速下充分混合，從而形成熔融的鎂合金漿液，將半固態(tài)的漿料倒入儲料區(qū)，以2m/s的速度壓射到275℃的模具內(nèi)成型；注射結(jié)束后，取出材料放在空氣中冷卻，從而得到試樣。

1.4 性能測試

1.4.1 金相顯微組織分析

選用萊卡DMi8型金相顯微鏡對復(fù)合材料進(jìn)行觀察。具體步驟為:將制好的復(fù)合材料切割成高15mm、半徑5mm的圓柱試樣，并用金相砂紙進(jìn)行細(xì)磨；利用拋光機(jī)對細(xì)磨試樣拋光，放入1.5g苦味酸+1.25mL醋酸+25mL乙醇+2.5mL蒸餾水的混合溶液[7]中進(jìn)行腐蝕，腐蝕時間為5s；最后分析晶粒尺寸。

1.4.2 X射線衍射分析

利用D/max-rBXRD檢測GNPs和復(fù)合材料.具體步驟為：采用銅靶作為射線源對材料進(jìn)行連續(xù)掃描；利用J A D E5.0軟件進(jìn)行物相分析。

1.4.3 密度測試

利用阿基米德排水法對制備的復(fù)合材料進(jìn)行密度測量[8]，具體步驟為：首先用砂紙對材料進(jìn)行打磨；然后用酒精清洗表面；用電子分析天平測量材料樣品在空氣中的質(zhì)量m1，懸浮在蒸餾水中的質(zhì)量為m2。由此可得試樣的實際密度、理論密度以及空隙率，具體計算公式為[9]：

實際密度為：

理論密度為：

孔隙率：

1.4.4 硬度測試

用顯微維氏硬度計在實驗載荷為2N，實驗時長為15s的環(huán)境下對材料進(jìn)行測試[10]。測試前，為保證測試硬度，需要利用砂紙對材料細(xì)磨。測試中，為保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，在試樣橫豎方向每隔2mm進(jìn)行一次測試。取測試結(jié)果的平均值作為最終檢測顯微硬度值。

1.4.5 拉伸力學(xué)性能測試

用AG-XPLUS萬能拉伸機(jī)對材料進(jìn)行拉伸力學(xué)性能測試[9]，拉伸速率為1.5mm/min。

2 結(jié)果與分析

2.1 復(fù)合材料微觀組織

2.1.1 GNPs微觀組織

為更好地觀察復(fù)合材料和混合物中的GNPs特征，本研究首先對GNPs進(jìn)行了微觀組織觀察，圖1為GNPs微觀SEM觀察圖。

2.1.1 GNPs與A Z91D鎂合金顆?；旌项w粒的微觀組織

圖2為0.5%GNPs與AZ91D混合的鎂合金顆粒宏觀形貌圖。由圖2可知，AZ91D鎂合金顆粒表面為明亮的銀白色，加入GNPs后鎂合金顆粒表面呈灰黑色。另外由圖2可知，GNPs與AZ91D混合物的顆粒尺寸沒有發(fā)生變化，且沒有出現(xiàn)大規(guī)模的團(tuán)聚現(xiàn)象，說明混合效果良好。

圖2 AZ91D鎂合金顆粒與混合GNPs的AZ91D鎂合金顆粒的形貌Fig.2 The morphology of AZ91D magnesium alloy particles and AZ91D magnesium alloy particles mixed with GNPS

圖3為混合1%GNPs的A Z91D鎂合金顆粒的S E M圖，它們對應(yīng)的EDS分析如表5所示。由圖3可知，當(dāng)GNPs添加量較多時，容易出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象。由表5可知，碳含量較高時說明GNPs堆積在一起，即對復(fù)合材料的性能可能產(chǎn)生不良影響。其原因可能是GNPs與鎂合金顆粒的混合時間較短，無法進(jìn)行充分混合。另外，該混合顆粒中含有少量的氧元素，其原因可能是混合過程中，鎂合金顆粒與空氣中的氧混合，形成含氧的氧化物。

圖3 1%GNPs與AZ91D鎂合金混合SEM圖Fig.3 The SEM image of 1%GNPs mixed with AZ91D magnesium alloy

表5 EDS檢測結(jié)果Table 5 The EDS test results

2.2 GNPs/A Z91D復(fù)合材料性能測試結(jié)果

2.2.1 致密度測試結(jié)果

表6為利用觸變注射成形制備后得到的GNPs/A Z91D復(fù)合材料的理論密度、實驗密度、孔隙率。由表6可知，復(fù)合材料的密度隨著GNPs的含量增加而逐漸提升；孔隙率隨著GNPs含量的增加而逐漸下降，當(dāng)GNPs添加量為0時，制備得到的材料孔隙率最大為7.9%，當(dāng)GNPs添加量為1%時，孔隙率最小為4.4%。其原因在于，GNPs與鎂基體之間緊密結(jié)合，減小了A Z91D材料的裂縫，同時改善了合金的流動性，進(jìn)而減小了材料的孔隙率。因此，這進(jìn)一步說明添加GNPs有利于改善觸變注射成型技術(shù)內(nèi)部缺陷的問題。

表6 GNPs/AZ91D復(fù)合材料的理論值Table 6 The theoretical values of physical index of GNPs/AZ91D composites

2.2.2 硬度測試結(jié)果

圖4為添加不同含量GNPs對復(fù)合材料的硬度影響。由圖可知，當(dāng)GNPs添加量為0時，鎂合金的硬度為68.1HV，當(dāng)GNPs添加量為0.6%時，復(fù)合材料的硬度最大，達(dá)到92.3HV；當(dāng)GNPs添加量小于0.6%，復(fù)合材料的硬度隨GNPs增加而逐漸提高；當(dāng)GNPs添加量大于0.6%后，隨著GNPs的增加，復(fù)合材料的硬度逐漸降低。其原因在于，GNPs具有超高的硬度，當(dāng)GNPs添加量小于0.6%時，可提升復(fù)合材料的硬度；當(dāng)GNPs添加量大于0.6%時，GNPs發(fā)生了團(tuán)聚行為，從而降低了復(fù)合材料的硬度，但其硬度仍高于A Z91D鎂合金。

圖4 GNPs添加量對復(fù)合材料硬度的影響Fig.4 The effect of GNPs addition amount on the hardness of composites

2.2.3 拉伸性能測試結(jié)果

表7為觸變注射成形后GNPs/A Z91D復(fù)合材料的力學(xué)性能。由表可知，當(dāng)GNPs添加量為0時，材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率均為最低，分別為147MPa、177MPa、2.2%；當(dāng)GNPs添加量為0.6%時，材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率均為最高，分別達(dá)到165MPa、245MPa、3.9%。由此可知，GNPs的含量對復(fù)合材料的力學(xué)性能影響較大。其原因在于，GNPs本身表面呈褶皺、彎曲狀，當(dāng)與鎂基體結(jié)合，會形成強(qiáng)大的界面結(jié)合，從而增強(qiáng)復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。此外，當(dāng)GNPs添加量增加到0.9%時，復(fù)合材料的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、延伸率相較于0.6%的GNPs添加量略有下降，說明大量的GNPs會產(chǎn)生團(tuán)聚現(xiàn)象，進(jìn)而影響材料的力學(xué)性能。由此可得出，本研究中最佳的GNPs添加量為0.6%。

表7 GNPs/AZ91D復(fù)合材料力學(xué)性能Table 7 The mechanical properties of GNPs/AZ91D composites

3 結(jié)論

通過上述試驗看出，將GNPs與A Z91D顆?；旌?，可更好地讓A Z91D鎂基體均勻分布。同時通過觸變注射成形工藝，得到制備鎂基復(fù)合材料增強(qiáng)體無論在密度、硬度、抗拉強(qiáng)度，還是在延伸率等方面，都具有明顯的優(yōu)勢。而通過以上結(jié)論得出，GNPs添加量超過0.6%時，得到的復(fù)合材料在硬度、密度、抗壓強(qiáng)度和拉伸性能方面，都達(dá)到最優(yōu)。而根據(jù)該實驗也證明，在鎂基復(fù)合體中摻入GNPs，能顯著增強(qiáng)復(fù)合材料的性能。