碳/树脂原位掺杂优化热喷涂YSZ陶瓷涂层的力学与摩擦学性能研究

针对传统自润滑陶瓷涂层脆性大、摩擦系数高的难题，广东团队创新性地采用碳材料原位合成与树脂真空浸渍协同策略，在YSZ涂层微纳缺陷中构建功能相。该复合涂层显微硬度提升至14.7 GPa，摩擦系数降至0.31，磨损率降低400倍至6.895×10?6 mm3/(N·m)，为工程陶瓷涂层性能优化提供新范式。

　　

在机械系统高速运转的现代工业中，摩擦磨损如同附骨之疽——统计显示，摩擦消耗了全球三分之一的能源，80%的机械故障源于磨损。传统自润滑陶瓷涂层虽具有耐高温、耐腐蚀等优势，但其脆性大、孔隙率高的问题始终制约着应用。更棘手的是，为改善润滑性添加石墨等材料时，又会削弱涂层强度，这种"强度-润滑性"的悖论长期困扰着研究者。

广东省科学院新材料研究所的Fangxu Sun团队在《Applied Surface Science》发表的研究中，独辟蹊径地将碳材料原位合成与树脂真空浸渍技术结合，在热喷涂氧化钇稳定氧化锆(YSZ)涂层的微纳米缺陷中构建双功能相。通过拉曼光谱确认在1350 cm^?1和1580 cm^?1处出现碳的特征峰，XPS分析揭示sp²/sp³杂化碳与树脂形成化学键合。这种"刚柔并济"的结构使涂层显微硬度提升40%，断裂韧性提高3-6倍，摩擦系数从1.2骤降至0.31，磨损率更是降至传统涂层的1/400。

关键技术包括：采用大气等离子喷涂制备YSZ基底；水热法在涂层缺陷内原位合成碳材料；真空浸渍工艺使环氧树脂深度渗透；通过纳米压痕、划痕测试评估力学性能；使用球-盘摩擦磨损试验机测定 tribological 性能。

【Preparation of YSZ coating】
选用ZrO₂-8 wt%Y₂O₃粉末在316L不锈钢基体上喷涂，预处理包含喷砂和丙酮超声清洗，确保涂层结合强度达45 MPa以上。

【Characterizations of synthetic powders】
拉曼光谱中D峰（缺陷碳）与G峰（石墨碳）的强度比(I_D/I_G)为0.93，表明生成高度无序的碳结构；XPS显示C 1s谱中284.14 eV处的C-C键与286.5 eV处的C-O键证明碳与树脂形成化学偶联。

【Conclusions】
该研究突破性地实现了三个协同效应：树脂填充缺陷提升韧性，碳材料形成润滑膜降低摩擦，两者化学键合增强界面结合。这种"缺陷工程"策略为航空发动机叶片、重载轴承等关键部件的表面防护开辟新途径，尤其适合解决高载荷、高转速工况下的涂层早期失效问题。值得注意的是，研究中发现的树脂-碳协同稳定机制，为开发其他"自适应"复合材料提供了普适性设计原则。