摘要：采用机械球磨方法制备了短线碳纤维，并与氧化铝粉末充分混合，利用等离子喷涂工艺制备了碳纤维质量分数为４％的复合涂层。利用场发射扫描电镜、拉曼光谱、Ｘ射线衍射、拉伸试验、摩擦磨损试验等对复合涂层的结构和性能进行了表征和测试分析。结果表明，碳纤维在等离子喷涂过程中较好地保持了原有结构和形貌，主要存在于氧化铝扁平粒子界面，碳纤维的加入使氧化铝涂层与基体之间的结合强度增加了３８％，复合涂层耐磨性能比纯氧化铝涂层提高了６４％，摩擦因数降低了５０％。涂层耐磨性能的改善主要归功于参与磨损的碳纤维本身优异的润滑性能及其对氧化铝扁平粒子界面的结合作用，该复合涂层在低载荷摩擦磨损环境中具有潜在的应用价值。
关键词：等离子喷涂；碳纤维；复合涂层；耐磨性
０ 引 言
陶瓷材料大多具有相对较低的断裂韧性与强度，存在高温下机械性能降低以及较差的抗蠕变、疲劳及热震等问题，所以研究人员一直致力于开发抗高温、耐磨和耐蚀的高性能陶瓷材料，以满足燃汽轮机、航空航天和汽车等各种高端应用领域的需求［１－２］。研究表明，在陶瓷基体晶界掺入微米尺度的颗粒、薄片、晶须和纤维等第二相填充物可以起到偏转裂纹或者为阻碍裂纹扩展提供桥接单元，从而实现强化陶瓷材料的目的。氧化铝作为一种典型的陶瓷材料，由于具有优异的物理化学特性，作为保护涂层，其等离子喷涂涂层已被广泛应用于许多领域，但提高涂层的耐磨性和高温稳定性一直是目前研发的目标。在氧化铝涂层中添加强化相预期可以显著改善涂层性能。而作为典型的增强材料，碳纤维具有高的强度与刚度，同时具有一般碳材料的特性，如优异的高温性能、耐摩擦、导热等，被认为是最具潜力的增强材料。近年来，很多学者对碳纳米管及等离子喷涂制备其增强复合涂层进行了深入研究［３－６］。而与纳米碳纤维及纳米碳管相对应并具有宏观增强媒介功能的碳纤维，具有突出的力学及物理性能，且成本低廉，产业化历史久远［７］。然而利用等离子喷涂工艺制备短碳纤维－陶瓷复合涂层的工艺鲜有报道。
文中采用球磨的方法获得适于喷涂的碳纤维，并将其与氧化铝粉末进行混合，继而采用大气等离子喷涂工艺，制备复合涂层，并利用场发射扫描电镜（ＳＥＭ）等手段对涂层结构进行表征，对涂层的性能如结合强度、耐磨性能等进行了测试。
１ 试验材料及方法
１．１ 喷涂材料
使用氧化铝粉末（北京桑尧科技开发有限公司）粒径为２０～４０μｍ，纯度≥９９％。初始质量分数４％的碳纤维长线Φ６μｍ，基体采用３０４不锈钢，尺寸为２．５ｍｍ×２０ｍｍ×４０ｍｍ。喷涂前用丙酮对基体表面进行祛除油污清洗，并采用Ａ６０棕刚玉砂进行标明喷砂处理，保证涂层与基体的良好结合。
１．２ 试验方法
１．２．１ 复合粉末制备
碳纤维被预剪至的１ｃｍ，在乙醇介质中被球磨至１０μｍ左右。球磨采用低速行星轮球磨机（ＱＭ－３ＳＰ４南京大学仪器制造厂），配用氧化铝研磨罐与球，球磨的参数通过ＳＥＭ观察统计球磨后碳纤维长度分布进行调整，球料比为５０∶１，转速为３５０ｒ／ｍｉｎ，球磨１０ｈ。湿磨碳纤维经干燥后与氧化铝粉末按质量比４∶９６在球磨罐中进行机械混合制备质量分数为４％碳纤维与氧化铝复合粉末，为避免碳纤维尺寸的进一步改变，混粉过程不再加入研磨球，于２００ｒ／ｍｉｎ转速下混合３０ｍｉｎ。
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