電機(jī)軸承防護(hù)措施及Al2O3陶瓷絕緣涂層研究現(xiàn)狀

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(guó)科學(xué)院蘭州化學(xué)物理研究所 材料磨損與防護(hù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 材料與光電研究中心，北京 100049；3.洛陽(yáng)軸承研究所有限公司，河南 洛陽(yáng) 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(jī)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(dòng)汽車等應(yīng)用電機(jī)的領(lǐng)域中，由于電機(jī)零部件的裝配誤差，會(huì)導(dǎo)致在旋轉(zhuǎn)工況下電機(jī)內(nèi)部的磁場(chǎng)分布不均勻，從而在電機(jī)軸上產(chǎn)生如圖1 所示的軸電流。當(dāng)軸電流泄露并通過(guò)電機(jī)內(nèi)的軸承時(shí)，就極易導(dǎo)致軸承內(nèi)部的潤(rùn)滑油膜被擊穿，進(jìn)一步致使軸承滾道表面和滾動(dòng)體表面產(chǎn)生明顯的電蝕現(xiàn)象（見(jiàn)圖2）[5-8]。電蝕會(huì)迅速降解潤(rùn)滑油脂，造成軸承潤(rùn)滑失效，還會(huì)使軸承內(nèi)外滾道以及滾動(dòng)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(dòng)機(jī)乃至主機(jī)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(dòng)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(jī)軸承防護(hù)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(guó)和國(guó)際的IEC 標(biāo)準(zhǔn)中，均沒(méi)有對(duì)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(shì)差幾乎不可能，但若能阻止或大幅度降低通過(guò)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(hù)電機(jī)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(guò)在電機(jī)的非傳動(dòng)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(jī)中的軸承得到有效保護(hù)[14]。這樣的保護(hù)方式存在兩個(gè)問(wèn)題，一是接地電刷由于磨損會(huì)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(jìn)行人工維護(hù)或替換，增加了成本，更為麻煩的是多種電機(jī)會(huì)因安裝空間的限制，使得碳刷的更換和維護(hù)較為困難[15-17]。第二個(gè)問(wèn)題在于，采用這種方式保護(hù)電機(jī)軸承，會(huì)面臨接地不良的特殊情況。特別是對(duì)于雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)，這種電機(jī)的主軸較長(zhǎng)，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(shì)高于另一端，需要采取雙端接地的方式來(lái)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(guò)電機(jī)軸承，減小了對(duì)電機(jī)軸承的影響；如果出現(xiàn)接地異常的情況，共模電流會(huì)直接穿過(guò)電機(jī)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(xiǎn)急劇增大[14]。由于這兩個(gè)問(wèn)題的存在，因此安裝碳刷的方法無(wú)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(shuō)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(hù)電機(jī)軸承的方式則是“截?cái)噍S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(guó)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?yàn)槔锰厥獾牟馁|(zhì)，使其內(nèi)部不存在可自由移動(dòng)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(jià)鍵相連，Si3N4晶體為原子晶體，內(nèi)部沒(méi)有可以自由移動(dòng)的帶電粒子。再如Al2O3絕緣軸承，無(wú)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(dòng)的帶電粒子。因此，軸電流在通過(guò)這兩種軸承時(shí)，均會(huì)被阻斷。

2 軸承絕緣的實(shí)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(guò)特殊工藝制成整個(gè)軸承（見(jiàn)圖4）或軸承中的一部分（如滾動(dòng)體，見(jiàn)圖5），軸承中陶瓷部分就會(huì)阻斷軸電流通過(guò)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(guó)生產(chǎn)出第一套陶瓷軸承開(kāi)始，世界各工業(yè)強(qiáng)國(guó)便一直十分重視陶瓷軸承的開(kāi)發(fā)，致力于研制更高性能的軸承[19]。各國(guó)對(duì)陶瓷軸承的研究可以總結(jié)為以下3 個(gè)階段：最早是對(duì)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(kāi)始進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，用Si3N4陶瓷滾動(dòng)體代替金屬（鋼制）滾動(dòng)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(shí)際工況中得到初步運(yùn)用[20-22]。由于我國(guó)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(guó)際先進(jìn)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€(gè)陶瓷軸承視作絕緣體，此時(shí)Si3N4陶瓷軸承發(fā)揮的作用便是切斷流經(jīng)滾動(dòng)體與滾道間的電流。在高頻交流電環(huán)境下，陶瓷滾動(dòng)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(diǎn)，滾動(dòng)體的直徑較大，Si3N4陶瓷的相對(duì)介電常數(shù)低，其電阻值很大，則此時(shí)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(jià)格一直十分昂貴，限制了陶瓷軸承在大型電機(jī)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(wú)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(wèn)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(qiáng)度差的特點(diǎn)，正是其對(duì)損傷和缺陷敏感的致命弱點(diǎn)[24-26]。此外，陶瓷軸承裝配時(shí)對(duì)尺寸精度的要求很高，而對(duì)混合式陶瓷軸承來(lái)說(shuō)，由于陶瓷材料滾動(dòng)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(jiàn)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(hù)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(wèn)題，同時(shí)還降低了成本。憑借這些優(yōu)勢(shì)，絕緣軸承在大型發(fā)電機(jī)、牽引電機(jī)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(guó)外各大軸承制造廠商均開(kāi)始研發(fā)不同型號(hào)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(guó)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(jī)的故障率。為了減少風(fēng)力發(fā)電機(jī)組中軸承失效問(wèn)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(dá)到3000 V（DC），最小電阻可達(dá)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(duì)處在高頻交流電工況下的雙饋風(fēng)力發(fā)電機(jī)起到十分顯著的保護(hù)效果[27-28]。高鐵作為我國(guó)新世紀(jì)的世界名片，CRH3 及CRH380HL 動(dòng)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(yùn)行的高速穩(wěn)定性和可靠性提供了保障[13]。目前，我國(guó)在絕緣陶瓷涂層軸承方向的研究基礎(chǔ)匱乏，對(duì)絕緣陶瓷涂層軸承的研制技術(shù)不成熟，使得我國(guó)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(jìn)口，而這種高性能絕緣軸承價(jià)格也十分昂貴，成為我國(guó)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(duì)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(jìn)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(kāi)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(diǎn)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(qiáng)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(diǎn)，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(wèn)題，工程人員通過(guò)增加Al2O3涂層厚度來(lái)降低軸承與機(jī)殼間的電容。這可以減輕軸電壓在軸承與機(jī)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(dá)到較好的效果。這不僅增加了成本，還會(huì)帶來(lái)軸承散熱的問(wèn)題，且涂層過(guò)厚會(huì)導(dǎo)致涂層殘余應(yīng)力無(wú)法及時(shí)消散，反而更容易剝落[31]。因此，抑制噴涂過(guò)程中α-Al2O3向γ-Al2O3的轉(zhuǎn)變，改善Al2O3涂層的韌性，進(jìn)一步提升其絕緣能力，是Al2O3絕緣陶瓷涂層進(jìn)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(diǎn)高、絕緣性好的特點(diǎn)，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(diǎn)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(jìn)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(jìn)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(diǎn)，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(wèn)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(duì)涂層進(jìn)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(jiàn)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(duì)涂層形成機(jī)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(qiáng)度的新方法?；谖覈?guó)熱噴涂Al2O3絕緣陶瓷涂層市場(chǎng)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(guó)內(nèi)外對(duì)Al2O3涂層的研究?jī)?nèi)容十分廣泛，事實(shí)證明，涂層的各項(xiàng)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(guò)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(huì)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(shí)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(huì)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(qiáng)度與顯微硬度，但并不是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系。如在使用粒徑很小的噴涂粉末時(shí)，相較于大粒徑粉末，需要更長(zhǎng)的噴涂時(shí)間才能達(dá)到預(yù)期厚度，在噴涂過(guò)程中殘余應(yīng)力過(guò)大，更容易產(chǎn)生氣孔，反而使孔隙率升高。S. Mahdavi 等[43]在對(duì)Al2O3涂層的耐腐蝕和摩擦學(xué)行為進(jìn)行研究時(shí)指出，往Al2O3中添加金屬陽(yáng)離子氧化物可以達(dá)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(jià)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(guó)際上提出微米/納米結(jié)構(gòu)復(fù)合涂層后，對(duì)這種復(fù)合結(jié)構(gòu)涂層的研究逐漸豐富，近年來(lái)?yè)诫s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(jìn)行噴涂，其涂層強(qiáng)度可以提高到1 GPa 以上，經(jīng)1000 ℃退火，通過(guò)自強(qiáng)韌相變，強(qiáng)度進(jìn)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(jí)復(fù)合陶瓷的內(nèi)晶型粒子[45]。中國(guó)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(duì)不同合成粉體進(jìn)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(guò)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(gè)數(shù)量級(jí)[46]?？梢?jiàn)，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(huì)直接影響到涂層的微觀結(jié)構(gòu)，進(jìn)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(guò)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(kuò)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(qiáng)的離子鍵與共價(jià)鍵組成，在外力作用下，幾乎不會(huì)發(fā)生由晶體滑移引起的塑性變形，但應(yīng)力會(huì)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(duì)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(kuò)展速度；②提高陶瓷材料自身抵抗裂紋的擴(kuò)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(duì)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(jiǎn)單、最常用的方式，其韌性增量主要來(lái)自3 個(gè)方面：①第二相的塑性變形，使得通過(guò)第二相的裂紋尖端應(yīng)變場(chǎng)發(fā)生松弛或裂紋尖端鈍化；②裂紋擴(kuò)展過(guò)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(huì)改變陶瓷涂層的生長(zhǎng)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(qiáng)化與延性顆粒強(qiáng)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(qiáng)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(jiàn)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(huì)使材料的強(qiáng)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(guò)加入添加劑（如TiO2），并控制生成條件和反應(yīng)過(guò)程，使Al2O3晶粒生長(zhǎng)為類似短纖維的棒狀、板狀、長(zhǎng)柱狀結(jié)構(gòu)，以形成高韌性高強(qiáng)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(lái)的“不相容”與“不均勻”問(wèn)題，因此在增韌的同時(shí)，保證了陶瓷材料的強(qiáng)度和硬度。最近的研究表明，通過(guò)改善原始粉體粒度可以進(jìn)一步使Al2O3基陶瓷獲得更好的韌性[54-55]。

3）相變?cè)鲰g。由于相變過(guò)程會(huì)消耗能量，即會(huì)消耗裂紋擴(kuò)展所需要的能量，使得裂紋尖端應(yīng)力松弛，阻礙裂紋的進(jìn)一步擴(kuò)展，且周圍基體會(huì)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(qiáng)度。最成功的相變?cè)鲰g就是利用ZrO2與馬氏體相變過(guò)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(dá)到對(duì)氧化鋯陶瓷的增韌效果。該方法主要應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)或內(nèi)燃機(jī)等高溫環(huán)境下的耐火陶瓷增韌[56-57]。

事實(shí)上，無(wú)論單獨(dú)采用以上哪種方式對(duì)Al2O3陶瓷進(jìn)行增韌，都存在一定的問(wèn)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(jìn)，以達(dá)到更好的增韌效果。目前，協(xié)同韌化也是材料增韌的重點(diǎn)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(duì)絕緣性能的影響很明顯，但機(jī)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(shí)上，外加電場(chǎng)會(huì)誘導(dǎo)絕緣材料發(fā)生極化，產(chǎn)生電荷移動(dòng)，交變電流頻率越大，絕緣材料越容易發(fā)生極化[59]。對(duì)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(huì)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(jì)。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(chǎng)的作用下，電荷會(huì)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(guò)程中電能會(huì)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(chǎng)繼續(xù)擴(kuò)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(guò)SEM 對(duì)被電擊穿的Al2O3涂層的微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)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(shí)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(dá)了一個(gè)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(wú)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(duì)于氧化鋁涂層的絕緣性能，降低涂層的孔隙率對(duì)改善涂層的絕緣性能起到?jīng)Q定性作用。同時(shí)，對(duì)于內(nèi)部結(jié)構(gòu)均勻的絕緣體，其介電擊穿強(qiáng)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(qiáng)度與厚度的關(guān)系，找到最適宜的涂層厚度對(duì)涂層改性，也是陶瓷絕緣軸承發(fā)展的方向之一。

4 結(jié)語(yǔ)

有效解決電機(jī)軸承的電蝕問(wèn)題，可以提高軸承本身乃至整機(jī)的壽命和穩(wěn)定性，但無(wú)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(wèn)題。從電機(jī)絕緣軸承的應(yīng)用場(chǎng)合來(lái)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(píng)價(jià)等離子噴涂高性能（電機(jī)軸承用）Al2O3涂層的指標(biāo)主要包括：硬度、韌性、結(jié)合強(qiáng)度、擊穿電壓、電阻率與介質(zhì)損耗正切等。我國(guó)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(guò)關(guān)，限制了高性能絕緣軸承在重點(diǎn)裝備上的應(yīng)用。甚至可以說(shuō)，正是高性能涂層制備技術(shù)的不成熟，限制了我國(guó)變頻電機(jī)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(qiáng)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(jí)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(píng)價(jià)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(píng)價(jià)涂層的絕緣性能應(yīng)分為2 部分：涂層未被擊穿時(shí)，評(píng)價(jià)指標(biāo)為介電常數(shù)、電導(dǎo)率；涂層被擊穿時(shí)，評(píng)價(jià)指標(biāo)為擊穿電壓。這可以給研究者們帶來(lái)啟示，對(duì)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?yàn)榻殡姵?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(qiáng)。若是涂層孔隙率過(guò)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(qiáng)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。