金属零部件表面涂覆Al₂O₃涂层可以提高零部件的耐高温、耐腐蚀、耐磨损、抗辐射以及绝缘性能,但是Al₂O₃的本征脆性制约了其优良性能的发挥和在特殊服役条件下的实际应用。通过添加第二相制备复合涂层有利于提高涂层的韧性以及其它力学性能。本课题基于石墨烯优异的力学性能,提出以石墨烯纳米片（Graphene nanosheets,GNSs）为添加相制备复合涂层从而改善等离子喷涂Al₂O₃涂层的力学性能。采用亚微米Al₂O₃粉末为基体材料,添加石墨烯纳米片作为增韧相,运用喷雾干燥技术进行造粒获得微米团聚粉体。采用大气等离子喷涂技术制备Al₂O₃、0.5wt.%GNS/Al₂O₃和1.0wt.%GNS/Al₂O₃涂层。通过X-射线衍射和拉曼光谱法对复合材料涂层进行物相分析;通过扫描电子显微镜对微米团聚颗粒及涂层进行显微组织观察;通过仪器化微米压入、显微硬度以及球盘式摩擦磨损实验等测试手段,研究分析GNS/Al₂O₃复合涂层的显微硬度、弹性模量、断裂韧性和室温摩擦磨损性能等力学性能,并讨论了GNS/Al₂O₃复合涂层的增韧机制和摩擦磨损机制。X-射线衍射和拉曼光谱测试结果表明喷雾干燥法工艺过程未造成原材料物相的改变。显微组织观察发现GNSs在复合材料中分布较为均匀,复合涂层中石墨烯优先以平行于涂层表面或扁平粒子表面的方式存在于扁平粒子界面上。采用仪器化微米压入仪器、显微硬度计和球盘式摩擦磨损装置研究了复合涂层的力学性能。结果表明,0.5wt.%GNS/Al₂O₃具有最优的力学性能。与Al₂O₃涂层性能相比,0.5wt.%GNS/Al₂O₃涂层韧性提高约24%,弹性模量提高10%,硬度提高39%,1.0GNS/Al₂O₃涂层的韧性只有5%的提高,弹性模量和硬度有下降。复合涂层的增韧机制主要包括石墨烯的拔出、裂纹偏转和桥接。与Al₂O₃涂层相比,复合涂层摩擦性能有明显改善,其中磨损率只有Al₂O₃涂层的1/6。Al₂O₃涂层的磨损机制主要表现为严重的脆性断裂、严重剥落及磨粒磨损。0.5wt.%GNS/Al₂O₃与1.0wt.%GNS/Al₂O₃复合涂层摩擦性能相近,磨损机制包括中等程度的脆性断裂、剥落、磨粒磨损和石墨烯转移膜的形成。本研究分析表明,少量添加GNSs对力学性能的提高更有利。