等离子喷涂石墨烯增韧氧化铝复合涂层力学性能研究

摘要

金属零部件表面涂覆Al2O3涂层可以提高零部件的耐高温、耐腐蚀、耐磨损、抗辐射以及绝缘性能，但是Al2O3的本征脆性制约了其优良性能的发挥和在特殊服役条件下的实际应用。通过添加第二相制备复合涂层有利于提高涂层的韧性以及其它力学性能。
　　本课题基于石墨烯优异的力学性能，提出以石墨烯纳米片（Graphene nanosheets,GNSs）为添加相制备复合涂层从而改善等离子喷涂Al2O3涂层的力学性能。采用亚微米Al2O3粉末为基体材料，添加石墨烯纳米片作为增韧相，运用喷雾干燥技术进行造粒获得微米团聚粉体。采用大气等离子喷涂技术制备Al2O3、0.5wt.％ GNS/Al2O3和1.0wt.%GNS/Al2O3涂层。通过X-射线衍射和拉曼光谱法对复合材料涂层进行物相分析；通过扫描电子显微镜对微米团聚颗粒及涂层进行显微组织观察；通过仪器化微米压入、显微硬度以及球盘式摩擦磨损实验等测试手段，研究分析GNS/Al2O3复合涂层的显微硬度、弹性模量、断裂韧性和室温摩擦磨损性能等力学性能，并讨论了GNS/Al2O3复合涂层的增韧机制和摩擦磨损机制。
　　X-射线衍射和拉曼光谱测试结果表明喷雾干燥法工艺过程未造成原材料物相的改变。显微组织观察发现GNSs在复合材料中分布较为均匀，复合涂层中石墨烯优先以平行于涂层表面或扁平粒子表面的方式存在于扁平粒子界面上。
　　采用仪器化微米压入仪器、显微硬度计和球盘式摩擦磨损装置研究了复合涂层的力学性能。结果表明，0.5wt.% GNS/Al2O3具有最优的力学性能。与Al2O3涂层性能相比，0.5wt.%GNS/Al2O3涂层韧性提高约24%，弹性模量提高10%，硬度提高39%，1.0GNS/Al2O3涂层的韧性只有5%的提高，弹性模量和硬度有下降。复合涂层的增韧机制主要包括石墨烯的拔出、裂纹偏转和桥接。与Al2O3涂层相比，复合涂层摩擦性能有明显改善，其中磨损率只有Al2O3涂层的1/6。Al2O3涂层的磨损机制主要表现为严重的脆性断裂、严重剥落及磨粒磨损。0.5wt.%GNS/Al2O3与1.0wt.%GNS/Al2O3复合涂层摩擦性能相近，磨损机制包括中等程度的脆性断裂、剥落、磨粒磨损和石墨烯转移膜的形成。本研究分析表明，少量添加GNSs对力学性能的提高更有利。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 研究背景

1.2 国内外研究现状

1.3 研究思路

1.4 研究内容

1.5 研究技术路线

第二章 实验方案及测试分析方法

2.1 材料制备

2.2 孔隙率和密度测量

2.3 物相分析

2.4 显微组织观察

2.5 力学性能测试

2.6 摩檫学试验

第三章 等离子喷涂GNS/Al2O3涂层的制备

3.1 等离子喷涂粉体材料的制备

3.2 涂层制备及工艺参数的影响

3.3 本章小结

第四章 涂层相组成及显微结构分析

4.1 涂层物相分析

4.2 显微结构分析

4.3 本章小结

第五章 涂层力学性能分析

5.1 仪器化微米压入结果分析

5.2 涂层断裂韧性分析

5.3 涂层室温摩擦性能

5.4 本章小结

第六章 结 论

参考文献

攻读学位期间公开发表的论文

致谢