高度分散稳定的氧化石墨烯增强透明氧化铝涂层提升了摩擦学性能

《Ceramics International》：Highly dispersion-stable graphene oxide reinforced transparent alumina coatings promoted tribological performance

　　

摘要

氧化铝（Al₂O₃）因其优异的机械强度、显著的硬度、出色的耐磨性和稳定的化学惰性，在机械制造、汽车工程和生物医学植入领域作为保护涂层而备受关注。然而，Al₂O₃涂层在减摩性能方面的不足以及较高的摩擦系数会对对偶件造成损伤，从而严重限制了其应用。本研究通过溶胶-凝胶法将氧化石墨烯（GO）掺入Al₂O₃涂层中，开发了氧化铝复合涂层以提升摩擦学性能。通过优化GO含量和水的浓度，获得了稳定的Al₂O₃/GO溶胶，从而制备出具有增强摩擦学性能的均匀涂层。通过系统的参数优化（包括GO含量、水分散比例和热处理温度），Al₂O₃/GO复合涂层相较于纯Al₂O₃涂层，摩擦系数降低了65.1%，磨损体积减少了91.4%。同时，通过在水相中预分散制备的Al₂O₃/GO溶胶表现出优异的胶体稳定性，在30天内未检测到沉降现象。此外，由长时间沉降后的溶胶制备的涂层在摩擦学性能上表现出极小的变化。复合涂层还展现出优异的光学透明性和机械耐久性，在100次磨损循环后仍保持结构完整性。本研究提出了一种通过掺入GO来增强Al₂O₃涂层摩擦学性能的简便策略。

章节片段

引言

氧化铝（Al₂O₃）在汽车、生物医学植入和航空工业等多个领域显示出巨大的应用潜力[1]，[2]。Al₂O₃的优异性能，包括高硬度和强度、强耐磨性和耐腐蚀性、稳定的化学性质，使其广泛应用于保护涂层，特别是在耐磨涂层中[3]，[4]，[5]，[6]，[7]。Al₂O₃涂层可以通过多种方法制备，包括化学气相沉积[8]，

材料与化学试剂

异丙醇铝（AR）购自北京麦瑞达科技有限公司。氧化石墨烯购自江苏先丰纳米材料科技有限公司，其横向尺寸为0.5 μm至5 μm，厚度为1-3 nm。硝酸（65%-68%）购自国药集团化学试剂有限公司，玻璃载玻片购自姜堰区汇诚玻璃制品厂有限公司。无水乙醇和丙酮购自国药集团化学试剂有限公司，

Al₂O₃和Al₂O₃/GO涂层的表征

研究了Al₂O₃涂层的固有性质，如形貌、化学结构和晶体结构。图2a显示了Al₂O₃涂层的FT-IR光谱。922 cm^-1和522 cm^-1处的吸收峰分别来自Al–O–Al键的不对称伸缩振动和弯曲振动。1639 cm^-1处的峰归属于由吸附水分子引起的Al–OH伸缩振动。3579 cm^-1处的吸收峰对应于来自

结论

总之，我们通过溶胶-凝胶法成功制备了具有超低摩擦系数和磨损体积的Al₂O₃/GO复合涂层。所得复合涂层表现出均匀、致密、光滑的形貌。通过系统优化GO含量（0.01 wt%）、水分散比例（50 wt%）和热处理温度（500 °C），获得了具有优异减摩和抗磨性能的涂层。热处理温度对涂层性能有重要影响：

CRediT作者贡献声明

程建军：写作 – 审阅与编辑。 刘晨：调查。 刘建喜：监督、经费获取、形式分析。 王龙：形式分析。 谢鹏飞：写作 – 初稿、可视化、验证、调查、形式分析、数据管理、概念化。 吴浩泽：调查。 张耀明：调查

补充信息

作者声明无利益冲突。

利益冲突声明

作者声明不存在影响本文报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（52475216）、教育部基础与交叉学科突破计划（JYB2025XDXM406）、陕西省自然科学基金（2024RS-CXTD-62）以及先进海洋材料国家重点实验室（2026K04）。我们感谢西北工业大学分析测试中心和陕西材料分析研究中心。

谢鹏飞|张耀明|吴浩泽|刘晨|程建军|王龙|刘建喜