卜珍宇，趙曉琴，郭向東，楊明奇，薛蕓，魏曉東，安宇龍，周惠娣

（1.中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所 材料磨損與防護重點實驗室，蘭州 730000；2.中國科學(xué)院大學(xué) 材料與光電研究中心，北京 100049；3.洛陽軸承研究所有限公司，河南 洛陽 471000）

軸承作為現(xiàn)代裝備所必須的關(guān)鍵基礎(chǔ)部件，其精度、材質(zhì)和特性直接影響著機械裝備的使用性能、壽命以及可靠性等[1]。一般工況下，軸承往往承受較大的交變載荷與熱載荷，其失效形式通常為磨損失效、斷裂失效與疲勞失效等[2-4]。在鐵路軌道交通、風(fēng)力發(fā)電以及新能源電動汽車等應(yīng)用電機的領(lǐng)域中，由于電機零部件的裝配誤差，會導(dǎo)致在旋轉(zhuǎn)工況下電機內(nèi)部的磁場分布不均勻，從而在電機軸上產(chǎn)生如圖1 所示的軸電流。當(dāng)軸電流泄露并通過電機內(nèi)的軸承時，就極易導(dǎo)致軸承內(nèi)部的潤滑油膜被擊穿，進一步致使軸承滾道表面和滾動體表面產(chǎn)生明顯的電蝕現(xiàn)象（見圖2）[5-8]。電蝕會迅速降解潤滑油脂，造成軸承潤滑失效，還會使軸承內(nèi)外滾道以及滾動體硬度下降，從而產(chǎn)生劇烈磨損，甚至材料剝落，直接影響電動機乃至主機的性能和壽命[9-11]。目前電蝕現(xiàn)象已經(jīng)成為軌道交通、風(fēng)力發(fā)電以及電動汽車等領(lǐng)域中軸承失效的主要原因。

圖1 軸電流示意Fig.1 Shaft current

圖2 產(chǎn)生電蝕損傷后的軸承滾道面形貌Fig.2 Morphology of the bearing raceway after electrical corrosion

1 電機軸承防護措施

雖然軸承的電蝕損傷是因軸電流和軸電壓的產(chǎn)生而發(fā)生的，但是迄今為止，我國和國際的IEC 標(biāo)準(zhǔn)中，均沒有對軸電壓或軸電流的限值范圍做出明確規(guī)定[12]。分析軸電壓產(chǎn)生的原因可知，若要完全消除軸承內(nèi)、外圈之間的電勢差幾乎不可能，但若能阻止或大幅度降低通過軸承的電流，便可以有效防止軸承遭受電蝕損傷[13]。隨著工程技術(shù)與材料科學(xué)的發(fā)展，保護電機軸承的方式逐漸發(fā)展出了兩類：一類是增加接地裝置，另一類則是提高軸承本身的耐壓性能，即提高軸承的絕緣性能。

通過在電機的非傳動軸與端蓋之間安裝碳刷（如圖3 所示），可起到消除靜電荷與短接軸電流通路的作用，從而使發(fā)電機中的軸承得到有效保護[14]。這樣的保護方式存在兩個問題，一是接地電刷由于磨損會在電刷表面形成氧化層，從而增大電刷和轉(zhuǎn)軸之間的接觸電阻，這又阻礙了軸電壓的順利釋放，需要定期地進行人工維護或替換，增加了成本，更為麻煩的是多種電機會因安裝空間的限制，使得碳刷的更換和維護較為困難[15-17]。第二個問題在于，采用這種方式保護電機軸承，會面臨接地不良的特殊情況。特別是對于雙饋風(fēng)力發(fā)電機，這種電機的主軸較長，轉(zhuǎn)子和變流器相連的一端因變流器共模電壓的原因，其電勢高于另一端，需要采取雙端接地的方式來消除軸電壓及共模電流的影響。在接地正常的情況下，共模電流通路不經(jīng)過電機軸承，減小了對電機軸承的影響；如果出現(xiàn)接地異常的情況，共模電流會直接穿過電機軸承，軸承電壓將顯著增加，軸電流增大，軸承電蝕失效的風(fēng)險急劇增大[14]。由于這兩個問題的存在，因此安裝碳刷的方法無法成為滿足防止軸承電蝕失效需求的最佳方式。

圖3 接地碳刷安裝Fig.3 Installation of grounding carbon brush

如果說增加接地裝置的方式是“疏導(dǎo)軸電流”，那么更直接且有效的保護電機軸承的方式則是“截斷軸承電流”，即使用絕緣（耐壓）性能良好的軸承代替普通軸承。目前，國內(nèi)外將具有這種特性的軸承分為兩種：陶瓷軸承與絕緣軸承。這兩種軸承之所以耐壓性能好，是因為利用特殊的材質(zhì)，使其內(nèi)部不存在可自由移動的電子或離子（即帶電粒子）。如利用Si3N4陶瓷制備的陶瓷軸承，由于其內(nèi)部Si 原子與N原子由共價鍵相連，Si3N4晶體為原子晶體，內(nèi)部沒有可以自由移動的帶電粒子。再如Al2O3絕緣軸承，無論是α-Al2O3還是γ-Al2O3，都是離子晶體，其內(nèi)部的Al3+與O2－由離子鍵相連，同樣不存在可以自由移動的帶電粒子。因此，軸電流在通過這兩種軸承時，均會被阻斷。

2 軸承絕緣的實現(xiàn)

2.1 陶瓷軸承

所謂的陶瓷軸承是一種利用絕緣性優(yōu)異的陶瓷材料，通過特殊工藝制成整個軸承（見圖4）或軸承中的一部分（如滾動體，見圖5），軸承中陶瓷部分就會阻斷軸電流通過軸承，從而賦予軸承的絕緣特性。依據(jù)軸承中使用陶瓷材料的多少，該類軸承分為全陶瓷軸承和混合式陶瓷軸承[18]。1972 年美國生產(chǎn)出第一套陶瓷軸承開始，世界各工業(yè)強國便一直十分重視陶瓷軸承的開發(fā)，致力于研制更高性能的軸承[19]。各國對陶瓷軸承的研究可以總結(jié)為以下3 個階段：最早是對陶瓷軸承材料選擇，認(rèn)定Si3N4陶瓷可作為主要陶瓷軸承的材料；第二階段便開始進行實驗，用Si3N4陶瓷滾動體代替金屬（鋼制）滾動體，并研究了這種混合式陶瓷軸承的使用性能和壽命；第三階段是研究全陶瓷軸承的性能，并在實際工況中得到初步運用[20-22]。由于我國在該領(lǐng)域的研究起步較晚，在軸承性能與使用壽命方面，目前與國際先進水平仍有差距。

圖4 Si3N4 全陶瓷軸承Fig.4 Si3N4 ceramic bearing

圖5 混合陶瓷球軸承Fig.5 Hybrid ceramic ball bearing

由于Si3N4陶瓷是電絕緣體，因此在通直流電的工況下，Si3N4陶瓷軸承的電阻值極高?？蓪⒄麄€陶瓷軸承視作絕緣體，此時Si3N4陶瓷軸承發(fā)揮的作用便是切斷流經(jīng)滾動體與滾道間的電流。在高頻交流電環(huán)境下，陶瓷滾動體在軸承的內(nèi)外圈之間起阻斷作用。由于陶瓷軸承的電容非常低，相比起很小的滾道接觸點，滾動體的直徑較大，Si3N4陶瓷的相對介電常數(shù)低，其電阻值很大，則此時陶瓷軸承仍是阻隔軸電流的有效工具[23]。

由于高性能陶瓷軸承中使用的陶瓷球制造加工難度很大，因此陶瓷軸承價格一直十分昂貴，限制了陶瓷軸承在大型電機中的大規(guī)模應(yīng)用。另外，陶瓷軸承雖然絕緣性能良好，但仍然無法擺脫陶瓷材料固有的“低韌性、易發(fā)生脆性斷裂、耐沖擊能力低”等問題。以最常用的Si3N4陶瓷軸承為例，與金屬軸承比，Si3N4韌性低、硬度高、彎曲強度差的特點，正是其對損傷和缺陷敏感的致命弱點[24-26]。此外，陶瓷軸承裝配時對尺寸精度的要求很高，而對混合式陶瓷軸承來說，由于陶瓷材料滾動體極高的硬度和耐磨性，極易損壞保持架，反而成為造成這類軸承失效的主要原因。

2.2 絕緣軸承

采用熱噴涂的方法在軸承的金屬內(nèi)圈或外圈（見圖6）上噴涂一層陶瓷涂層，其目的同樣在于阻斷軸電流，以防止軸承遭電蝕損傷。顯然，利用這種方式保護軸承，既可以保證軸承的絕緣性能，又可以解決一些陶瓷軸承難以加工、裝配的問題，同時還降低了成本。憑借這些優(yōu)勢，絕緣軸承在大型發(fā)電機、牽引電機等領(lǐng)域迅速崛起，并已逐漸占據(jù)主要地位。自21 世紀(jì)初，為了滿足日益嚴(yán)苛的工況需求，國外各大軸承制造廠商均開始研發(fā)不同型號的絕緣軸承。例如，日本NTN 公司研發(fā)的MEGAOHM 系列絕緣軸承，常溫下其絕緣電阻至少為2000 M?，絕緣性能十分優(yōu)異。將該系列軸承應(yīng)用于本國的新干線高速鐵路系統(tǒng)中后，大大降低了高速列車牽引電機的故障率。為了減少風(fēng)力發(fā)電機組中軸承失效問題的發(fā)生，瑞典SKF 公司生產(chǎn)了INSOCOAT 系列絕緣軸承。該系列軸承的擊穿電壓可達到3000 V（DC），最小電阻可達到400 M?。將這種絕緣軸承與混合式陶瓷軸承組合應(yīng)用，則可對處在高頻交流電工況下的雙饋風(fēng)力發(fā)電機起到十分顯著的保護效果[27-28]。高鐵作為我國新世紀(jì)的世界名片，CRH3 及CRH380HL 動列車組中也大量使用了利用熱噴涂工藝制備的絕緣陶瓷涂層軸承，為列車運行的高速穩(wěn)定性和可靠性提供了保障[13]。目前，我國在絕緣陶瓷涂層軸承方向的研究基礎(chǔ)匱乏，對絕緣陶瓷涂層軸承的研制技術(shù)不成熟，使得我國目前在高鐵領(lǐng)域所采用的絕緣陶瓷涂層軸承幾乎全部依賴進口，而這種高性能絕緣軸承價格也十分昂貴，成為我國迫切需要解決的關(guān)鍵部件。

圖6 內(nèi)/外圈噴涂絕緣涂層的軸承Fig.6 Bearing with inner/outer ring sprayed with insulating coating

與陶瓷軸承一樣，絕緣軸承中涂層材料的選擇也尤為重要，考慮到對絕緣軸承性能的需求，研究者們首先想到使用絕緣性能十分優(yōu)異的Si3N4陶瓷粉末進行噴涂，但是Si3N4陶瓷在常壓下約1700 ℃就發(fā)生分解[29]，這就不能利用熱噴涂工藝制備Si3N4陶瓷涂層。繼而，找到了一種替代Si3N4的可噴涂陶瓷材料，即Al2O3陶瓷粉末。Al2O3是研究者們最早開始研究的金屬氧化物，也是目前應(yīng)用最廣的氧化物材料之一，其中最主要的應(yīng)用就是制成各種Al2O3陶瓷制品。Al2O3的熔點為2054 ℃，且具有極佳的熱穩(wěn)定性，是良好的熱噴涂材料，其介電常數(shù)大，體積電阻率大，介質(zhì)損耗小，耐熱沖擊強度大，幾乎具備電子器件應(yīng)用絕緣材料的所有良好性能[30]。

Al2O3涂層也有韌性低的缺點，且噴涂的Al2O3涂層中，相成分幾乎全部由α-Al2O3轉(zhuǎn)變?yōu)棣?Al2O3，而隨著這一轉(zhuǎn)變的發(fā)生，Al2O3涂層的絕緣性能等也隨之降低。為了解決Al2O3在噴涂后涂層絕緣性能降低的問題，工程人員通過增加Al2O3涂層厚度來降低軸承與機殼間的電容。這可以減輕軸電壓在軸承與機殼之間的放電現(xiàn)象，但前提是必須要求涂層擁有足夠的厚度才能達到較好的效果。這不僅增加了成本，還會帶來軸承散熱的問題，且涂層過厚會導(dǎo)致涂層殘余應(yīng)力無法及時消散，反而更容易剝落[31]。因此，抑制噴涂過程中α-Al2O3向γ-Al2O3的轉(zhuǎn)變，改善Al2O3涂層的韌性，進一步提升其絕緣能力，是Al2O3絕緣陶瓷涂層進一步應(yīng)用于高性能絕緣軸承的前提。

3 Al2O3絕緣涂層的制備及研究現(xiàn)狀

3.1 等離子噴涂技術(shù)

Al2O3因其熔點高、絕緣性好的特點，是應(yīng)用于絕緣軸承的最佳選擇，而Al2O3絕緣涂層的獲得，通常采用等離子噴涂的方式。等離子噴涂的特點包括射流溫度高（能熔化幾乎所有材料）、氣氛可控等，因而噴涂用材廣泛，可以采用等離子噴涂的方法制備各種性能優(yōu)異的先進涂層，是現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域不可缺少的先進功能涂層制備手段[32-36]。其中，大氣等離子噴涂（APS）憑借其焰流溫度高、采用惰性工作氣體、噴涂涂層應(yīng)用廣等特點，成為噴涂陶瓷涂層的首選方式。然而，APS 工藝也存在制備的涂層孔隙率較高和涂層內(nèi)部應(yīng)力較大等問題，因此調(diào)整和優(yōu)化噴涂參數(shù)以及根據(jù)具體使用要求對涂層進行一定的后處理，是該工藝制備的涂層最后滿足應(yīng)用要求的關(guān)鍵。

總之，采用APS 是目前制備Al2O3基陶瓷絕緣涂層最常見的方式，其制備成本低，制備效率高，且涂層質(zhì)量較好[37]。然而，目前APS 制備Al2O3絕緣陶瓷涂層在理論研究方面，仍缺乏對涂層形成機理、涂層孔隙率范圍、涂層與基體結(jié)合方式與其耐電壓和絕緣特性之間映射關(guān)系的全面系統(tǒng)性研究，難以提出減小孔隙率和提高涂層結(jié)合強度的新方法?；谖覈鵁釃娡緼l2O3絕緣陶瓷涂層市場的巨大潛力，研究并推廣應(yīng)用Al2O3絕緣陶瓷涂層具有十分重要的意義。

3.2 Al2O3基陶瓷涂層的性能及影響因素

國內(nèi)外對Al2O3涂層的研究內(nèi)容十分廣泛，事實證明，涂層的各項性能（力學(xué)性能、絕緣性能等）均與噴涂材料、噴涂參數(shù)密切相關(guān)[38-39]。APS 工藝制備的Al2O3涂層中，主相為γ-Al2O3。這是由于噴涂過程中微滴迅速凝固導(dǎo)致的，但涂層中仍然含有少量α-Al2O3（γ-Al2O3二次受熱轉(zhuǎn)變或未熔顆粒殘留產(chǎn)生）[40]。α-Al2O3是穩(wěn)定相，其力學(xué)性能與絕緣性能較γ-Al2O3相更好，雖然將γ-Al2O3加熱至1200 ℃就會發(fā)生γ 相向α 相的轉(zhuǎn)變，但這種方法常常受制于基體材料的耐高溫能力，因此并不具備現(xiàn)實意義。在Lech Paw?owski 等[41]的研究中指出：噴涂材料的粒徑越大，噴涂后涂層中α-Al2O3相的含量越高（粒徑越大，越容易出現(xiàn)熔化不完全的情況，則涂層中會存在更多的α-Al2O3相）。朱暉朝等[42]用平均粒徑不同的氧化鋁粉末為噴涂材料制備涂層，發(fā)現(xiàn)粒徑的大小直接影響涂層的孔隙率、沉積率、結(jié)合強度與顯微硬度，但并不是簡單的線性關(guān)系。如在使用粒徑很小的噴涂粉末時，相較于大粒徑粉末，需要更長的噴涂時間才能達到預(yù)期厚度，在噴涂過程中殘余應(yīng)力過大，更容易產(chǎn)生氣孔，反而使孔隙率升高。S. Mahdavi 等[43]在對Al2O3涂層的耐腐蝕和摩擦學(xué)行為進行研究時指出，往Al2O3中添加金屬陽離子氧化物可以達到改善涂層性能的目的。在眾多的陶瓷噴涂材料中，TiO2陶瓷不僅價格低廉，物理化學(xué)性質(zhì)也十分優(yōu)異，使得Al2O3-TiO2成為應(yīng)用廣泛的Al2O3基復(fù)合粉末。不僅如此，自2001 年蔣顯亮[44]率先在國際上提出微米/納米結(jié)構(gòu)復(fù)合涂層后，對這種復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層的研究逐漸豐富，近年來摻雜納米材料更是已經(jīng)成為材料改性的重要手段。例如，在Al2O3基質(zhì)中加入5%（體積分?jǐn)?shù)）、粒度小于300 nm 的SiC 進行噴涂，其涂層強度可以提高到1 GPa 以上，經(jīng)1000 ℃退火，通過自強韌相變，強度進一步上升至1.5 GPa，并可以明顯觀察到區(qū)別于普通微米級復(fù)合陶瓷的內(nèi)晶型粒子[45]。中國科學(xué)院蘭州化學(xué)物理所的研究人員合成了不同粒徑的Al2O3-30%TiO2納米復(fù)合粉體，用噴霧干燥法對不同合成粉體進行噴霧造粒，然后用等離子噴涂法制備了Al2O3/TiO2復(fù)合涂層。經(jīng)過表征，發(fā)現(xiàn)涂層均具有微米-納米復(fù)合結(jié)構(gòu)，但初始粒徑越大，涂層的磨損率越低。其中，粒徑為100 nm 相較于30 nm 的初始粉體，制備的涂層磨損率提高了2 個數(shù)量級[46]?？梢?，想要提高Al2O3涂層中α 相的含量，目前幾乎只能依賴于控制噴涂材料的粒徑和噴涂參數(shù)。噴涂材料成分、粒徑的選擇將會直接影響到涂層的微觀結(jié)構(gòu)，進而由微觀結(jié)構(gòu)影響其性能[47]。

3.2.1 Al2O3陶瓷涂層的增韌

韌性本質(zhì)上是指材料在斷裂過程中吸收能量的能力，吸收的能量包括促使裂紋形成的能量和使裂紋擴展直到斷裂所需的能量[48]。研究表明，Al2O3陶瓷高脆性的原因主要為：晶體由方向性很強的離子鍵與共價鍵組成，在外力作用下，幾乎不會發(fā)生由晶體滑移引起的塑性變形，但應(yīng)力會集中在內(nèi)部缺陷和微裂紋尖端處，造成材料韌性下降而脆斷[49]。因此，對Al2O3陶瓷增韌的關(guān)鍵在于：①有效減少裂紋源及合理控制裂紋的擴展速度；②提高陶瓷材料自身抵抗裂紋的擴展能力，盡量避免應(yīng)力在裂紋尖端集中，即提高材料斷裂能和減少組織內(nèi)部缺陷。目前，針對高脆性陶瓷材料的增韌手段主要包括以下三種[50-52]。

1）第二相增韌（顆粒彌散增韌）。引入第二相，是提高硬質(zhì)陶瓷材料韌性最簡單、最常用的方式，其韌性增量主要來自3 個方面：①第二相的塑性變形，使得通過第二相的裂紋尖端應(yīng)變場發(fā)生松弛或裂紋尖端鈍化；②裂紋擴展過程中，第二相的塑性變形引起的裂紋僑聯(lián)；③第二相的析出會改變陶瓷涂層的生長結(jié)構(gòu)，使涂層更加致密，從而提高韌性。根據(jù)添加顆粒物的屬性，可分為剛性顆粒強化與延性顆粒強化。剛性顆粒多為非金屬陶瓷顆粒（非金屬粉末），例如TiC、SiC、Si3N4等。延性顆粒強化Al2O3陶瓷主要是以金屬顆粒作為增韌相添加到陶瓷材料基體中（如圖7 所示），常見的金屬顆粒體系有Cr/Al2O3、Fe/Al2O3、Ni/Al2O3等。值得注意的是，第二相的加入雖然可以增加陶瓷材料的韌性，但基體相與第二相常常存在不相容或分布不均的情況，會使材料的強度和硬度有所下降[53]。

圖7 顆粒彌散增韌示意Fig.7 Particle dispersion toughening

2）自增韌。通過加入添加劑（如TiO2），并控制生成條件和反應(yīng)過程，使Al2O3晶粒生長為類似短纖維的棒狀、板狀、長柱狀結(jié)構(gòu)，以形成高韌性高強度的陶瓷復(fù)合材料。這種方法可以有效改善“第二相增韌”帶來的“不相容”與“不均勻”問題，因此在增韌的同時，保證了陶瓷材料的強度和硬度。最近的研究表明，通過改善原始粉體粒度可以進一步使Al2O3基陶瓷獲得更好的韌性[54-55]。

3）相變增韌。由于相變過程會消耗能量，即會消耗裂紋擴展所需要的能量，使得裂紋尖端應(yīng)力松弛，阻礙裂紋的進一步擴展，且周圍基體會因相變產(chǎn)生的體積膨脹而被壓縮，促使其他裂紋閉合，從而提高斷裂韌性和強度。最成功的相變增韌就是利用ZrO2與馬氏體相變過程中的體積膨脹和剪切應(yīng)變，使裂紋尖端轉(zhuǎn)向或分叉，以達到對氧化鋯陶瓷的增韌效果。該方法主要應(yīng)用于發(fā)動機或內(nèi)燃機等高溫環(huán)境下的耐火陶瓷增韌[56-57]。

事實上，無論單獨采用以上哪種方式對Al2O3陶瓷進行增韌，都存在一定的問題或弊端。因此，更合適的增韌方式是“協(xié)同韌化”，即將幾種增韌方式相結(jié)合，幾種增韌體相互促進，以達到更好的增韌效果。目前，協(xié)同韌化也是材料增韌的重點研究方向[58]。

3.2.2 Al2O3陶瓷涂層的絕緣性能

從現(xiàn)象上看，Al2O3涂層的微觀結(jié)構(gòu)對絕緣性能的影響很明顯，但機理解釋卻很復(fù)雜。即使是絕緣材料，也并非完全“不導(dǎo)電”。事實上，外加電場會誘導(dǎo)絕緣材料發(fā)生極化，產(chǎn)生電荷移動，交變電流頻率越大，絕緣材料越容易發(fā)生極化[59]。對于大氣等離子噴涂Al2O3涂層，其相組成主要為γ-Al2O3，為離子晶體，因此涂層中只會存在原子極化與離子極化，這使得在交流電作用下，涂層的介電損耗很小，幾乎可以忽略不計。由于等離子噴涂的特性，涂層中不可避免地存在缺陷（孔隙、裂紋和晶界），在外加電場的作用下，電荷會向缺陷處聚集，使局部電壓迅速升高，造成局部擊穿[60]。之后，由于局部擊穿過程中電能會轉(zhuǎn)化為熱能，使涂層局部溫度也迅速上升，破壞涂層結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致涂層內(nèi)的缺陷沿著電場繼續(xù)擴大。隨著局部擊穿的發(fā)生，涂層內(nèi)積累的熱能和裂紋使涂層結(jié)構(gòu)徹底崩潰，最終完全擊穿[38,57]。

郭瑞等[60]通過SEM 對被電擊穿的Al2O3涂層的微觀結(jié)構(gòu)進行了表征，發(fā)現(xiàn)Al2O3涂層存在2 種擊穿形貌，且涂層中的孔隙是電絕緣失效發(fā)生的主要部位。L. Haddour 等[61]在研究典型燒結(jié)Al2O3陶瓷擊穿形貌時發(fā)現(xiàn)，與等離子噴涂Al2O3涂層相似，擊穿隧道沿著涂層的薄弱處，同樣存在2 種擊穿形貌（火山型坑、深坑）。2 種形貌都可以在涂層表面觀察到，這傳達了一個重要信息：擊穿的方向只與發(fā)生局部擊穿的位置有關(guān)，而與電極極性無關(guān)。換言之，如果涂層界面附近先擊穿，涂層表面可以觀察到火山型坑；如果涂層表面附近先擊穿，涂層表面則為深坑[54,59]。由此可知，對于氧化鋁涂層的絕緣性能，降低涂層的孔隙率對改善涂層的絕緣性能起到?jīng)Q定性作用。同時，對于內(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻的絕緣體，其介電擊穿強度與厚度呈線性正相關(guān)。然而，采用大氣等離子噴涂的涂層內(nèi)部一定存在缺陷，且并不均勻。因此，探究涂層介電強度與厚度的關(guān)系，找到最適宜的涂層厚度對涂層改性，也是陶瓷絕緣軸承發(fā)展的方向之一。

4 結(jié)語

有效解決電機軸承的電蝕問題，可以提高軸承本身乃至整機的壽命和穩(wěn)定性，但無論是增加接地裝置，還是采用絕緣性能良好的絕緣軸承，都各自存在一些問題。從電機絕緣軸承的應(yīng)用場合來看，采用噴涂絕緣陶瓷涂層的軸承更具有適用性，因此提高絕緣涂層的性能顯得至關(guān)重要。目前評價等離子噴涂高性能（電機軸承用）Al2O3涂層的指標(biāo)主要包括：硬度、韌性、結(jié)合強度、擊穿電壓、電阻率與介質(zhì)損耗正切等。我國這種高性能Al2O3絕緣陶瓷涂層制備技術(shù)在工藝、材料等方面，目前尚未完全掌握，嚴(yán)重阻礙了其在許多領(lǐng)域的應(yīng)用。例如由于絕緣涂層性能不過關(guān)，限制了高性能絕緣軸承在重點裝備上的應(yīng)用。甚至可以說，正是高性能涂層制備技術(shù)的不成熟，限制了我國變頻電機技術(shù)的發(fā)展。因此，制備綜合性能更優(yōu)異的Al2O3精密涂層，是目前急需掌握的核心技術(shù)。

根據(jù)以往的研究可知，高性能精密Al2O3涂層的制備必須從噴涂材料、工藝入手。其力學(xué)性能（韌性與硬度）由于受到涂層微觀結(jié)構(gòu)的影響，直接依賴于噴涂材料與參數(shù)的選擇。例如：使用Al2O3-TiO2復(fù)合粉末噴涂的涂層，由于TiO2的加入改變了涂層的微觀結(jié)構(gòu)，使涂層在硬度、韌性上都得到明顯改善，但為了保證涂層的結(jié)合強度及絕緣性能，應(yīng)當(dāng)嚴(yán)格控制涂層中TiO2的含量。微/納復(fù)合結(jié)構(gòu)材料在熱噴涂領(lǐng)域得到了十分廣泛的應(yīng)用，其中最顯著的應(yīng)用之一就是利用摻雜了納米粉末（如納米級的TiO2）的Al2O3噴涂涂層。這種具有微/納復(fù)合結(jié)構(gòu)的涂層相較于普通Al2O3涂層，其性能得到了極大改善。Al2O3涂層絕緣性能的評價較為復(fù)雜，但同樣與涂層的微觀結(jié)構(gòu)有著十分緊密的聯(lián)系。根據(jù)絕緣材料電擊穿的原理可知，Al2O3涂層中存在缺陷（如孔隙、裂紋和晶界）的地方是最容易發(fā)生擊穿的部位。評價涂層的絕緣性能應(yīng)分為2 部分：涂層未被擊穿時，評價指標(biāo)為介電常數(shù)、電導(dǎo)率；涂層被擊穿時，評價指標(biāo)為擊穿電壓。這可以給研究者們帶來啟示，對于高性能精密Al2O3涂層絕緣涂層性能的需求是：介電常數(shù)和電阻率大。因為介電常數(shù)越大，理論上能承受的電壓越大，但由于介電常數(shù)大導(dǎo)致極化能力強。若是涂層孔隙率過大，電荷越容易在缺陷處集中，則很容易發(fā)生擊穿，反而降低了涂層的介電強度。綜上所述，控制涂層的孔隙率和涂層厚度，即選擇合適的噴涂材料復(fù)配、優(yōu)化噴涂工藝，是改善Al2O3絕緣涂層綜合性能并使之得到廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵。