Isolasjonsbelegg påføres vanligvis metallsubstratoverflater for å blokkere strøm eller tjene som et dielektrisk medium i kondensatorer. Vanlig brukte isolasjonsbeleggmaterialer inkluderer organiske polymerer, keramikk og kompositter. Polymerbelegg lider av ulemper som mottakelighet for aldring, dårlig mekanisk stivhet, lav nedbrytningsstyrke og dekomponering ved høye temperaturer, noe som gjør dem uegnet for krevende servicemiljøer. I motsetning til dette tilbyr keramiske isolasjonsmaterialer høy mekanisk styrke, motstand mot miljøaldring, et bredt båndgap og høy-temperaturtoleranse, og overvinner begrensningene til polymerisolasjon under tøffe forhold.
Termisk sprøyting er en primær teknikk for fremstilling av keramiske isolasjonsbelegg, og tilbyr fordeler som høy avsetningseffektivitet, minimale restriksjoner på metallkomponentstørrelse og lave produksjonskostnader. Den generelle ytelsen til termisk sprøytede keramiske belegg avhenger av valg av beleggmateriale, prosessparametere og etter{1}}behandlingsmetoder.
Det er avgjørende å velge riktig beleggmateriale for et spesifikt bruksmiljø. Generelt kreves det at keramiske isolasjonsbeleggsmaterialer har høy dielektrisk styrke, høy volumresistivitet, moderat relativ permittivitet, lav dielektrisk tapsfaktor, høy elastisitetsmodul, slagmotstand og korrosjonsmotstand. Vanlig brukte isolasjonsbeleggmaterialer er som følger:
1. Høy-alumina
Al 2 O 3 keramikk har høy mekanisk styrke, god varmeledningsevne, høy isolasjonsstyrke og resistivitet, lavt dielektrisk tap og en relativt høy dielektrisk konstant. Spesielt forblir deres dielektriske egenskaper stabile med endringer i temperatur og spenningsfrekvens, noe som gjør Al2O3 til det mest brukte isolasjonsbeleggmaterialet.
Renheten til Al₂O₃-pulver bestemmer urenhetsinnholdet i belegget, som igjen påvirker beleggets isolasjonsevne. Vanlige urenheter i pulveret inkluderer SiO2, Na2O, CaO, Fe2O3 og MgO. Blant disse har ioner med liten -diameter som Na⁺ og K⁺ større mobilitet i belegget og reduserer isolasjonsmotstanden til Al₂O3-belegget betydelig.
I tillegg eksisterer Al2O3 i flere krystallinske faser, inkludert , , , δ, κ og θ. Al₂O₃-pulveret som brukes til termisk sprøyting er vanligvis høy-temperatur kalsinert rent -fasemateriale. Men under sprøyting smelter pulveret helt eller delvis og støter på underlagets overflate, avkjøles og avsettes for å danne belegget. Denne prosessen genererer en betydelig mengde metastabile faser, primært -fase sammen med en liten mengde -fase. Studier indikerer at de usmeltede delene av pulveret beholder -fasen, mens de smeltede delene fortrinnsvis danner -fasesøyleformede korn ved rask størkning på grunn av det lavere kritiske kjernedannelsesarbeidet i -fasen. Derfor, jo mer fullstendig pulversmeltingen er, desto høyere er -faseinnholdet i belegget. Oppsummert, den uunngåelige tilstedeværelsen av -fase i termisk sprøytet Al₂O₃-belegg reduserer deres isolasjonsytelse. Dette kan reduseres ved å justere sprøytemetoden, prosessparametrene eller pulverstrukturen.
2. Dotert A1203
Belegg laget av høy-renhet Al₂O₃-pulver viser høy isolasjonsytelse, men lider av dårlig motstand mot slag- og vibrasjonsbelastninger på grunn av høy akkumulert belastning. I tillegg er høy-renhet Al₂O₃ dyrt, og dets høye smeltepunkt fører til lav avsetningseffektivitet og høye sprøytekostnader. Forskning viser at tilsetning av moderate mengder av andre elementer (f.eks. Mg, Ti) kan senke pulverets smeltepunkt og forbedre beleggstettheten, om enn på bekostning av noe isolasjonsytelse. Derfor, for applikasjoner som krever høyere mekanisk ytelse, kan dopede Al2O3-materialer velges.
Magnesia-dopet alumina– MgO og Al₂O₃ kan danne spinell (MgAl₂O4) med kongruente smelteegenskaper. Tilsetning av en viss mengde MgO til Al2O3-pulver senker den innledende smeltetemperaturen, noe som resulterer i et belegg med færre vertikale sprekker og høyere tetthet. I mellomtiden reduserer tilstedeværelsen av svært isolerende MgAl2O4-spinell -Al2O3-innholdet i belegget. Doping av Al2O3 med en passende mengde MgO kan således forbedre både isolasjonen og de mekaniske egenskapene til belegget.
Titania-dopet alumina– Tilsetning av TiO₂ til Al₂O₃ senker pulverets smeltepunkt, forbedrer beleggtetthet og avsetningseffektivitet, og danner en TiAl₂O₅-fase som øker slagfastheten. TiO2 er også relativt billig. Dessuten undertrykker TiO₂-doping delvis transformasjonen fra -Al₂O₃ til metastabil -Al₂O₃, og reduserer -faseinnholdet i belegget. Ti-ioner i det dopede belegget forringer imidlertid isolasjonsytelsen betydelig. Derfor, når en balanse mellom isolasjon og mekaniske egenskaper er nødvendig, kan lavere-kostnads TiO₂-dopet Al₂O3-beleggsmaterialer vurderes. TiO₂-innholdet påvirker både isolasjon og mekaniske egenskaper betydelig. Vanlige dopingnivåer inkluderer 13 vekt% og mindre enn eller lik 0,2 vekt%. Belegg med 13 vekt% TiO₂ viser høyere seighet og slitestyrke, men lavere isolasjonsytelse. Et dopingnivå på 3 vekt% TiO2 gir en kombinasjon av isolasjon og slagfasthet. Eksperimentelle studier viser at etter 10 termiske sjokksykluser fra romtemperatur til flytende nitrogen, viste belegget ingen sprekker, selv om resistiviteten ble redusert. Dette indikerer at et 3 vekt% TiO2-dopet Al2O3-belegg, på grunn av dets høye tetthet, unngår et betydelig fall i isolasjonsytelse, mens høyere TiO2-innhold reduserer isolasjonen vesentlig.
Tetragonal Zirconia Toughening– I Zirconia-Toughened Alumina (ZTA) kan tetragonal ZrO₂ (delvis stabilisert zirconia) beholdes ved romtemperatur. Under ytre belastning gjennomgår den en martensittisk transformasjon til monoklin fase, ledsaget av volumekspansjon og skjærspenning som hindrer sprekkforplantning, og dermed øker bøyestyrken og bruddseigheten til keramikken. Under 1650 grader er både Al2O3 og ZrO2 stabile og viser lite fast oppløsning; bare over 1650 grader oppstår begrenset fast oppløsning, uten kjemisk reaksjon på tvers av sammensetningsområdet. Delvis stabilisert ZrO₂ har relativt høy oksygenionmobilitet, så dopingnivået påvirker beleggets isolasjonsytelse i stor grad.
3. Andre materialer
De siste årene har Y₂O₃ blitt mye studert som et beskyttende belegg i halvlederindustrien på grunn av dets høye isolasjons- og korrosjonsmotstand. I tillegg har forskning på MgO-dopet Al₂O₃-isolasjonsbelegg avslørt at MgAl₂O4 viser utmerkede isolasjonsegenskaper.
Y₂O₃– Yttria har et romtemperatur-båndgap på 5,5 eV og er et vanlig isolasjonsbelegg. Sammenlignet med Al 2 O 3, har Y 2 O 3 lavere mekanisk styrke, men tilsvarende relativ permittivitet (~10) og tapsfaktor (<1×10⁻⁴). A study compared the AC breakdown strength at 50 Hz of plasma-sprayed Al₂O₃, Y₂O₃, and YSZ coatings. It found that Y₂O₃ coatings had a slightly higher breakdown strength (17.3 kV/mm) than Al₂O₃ (16.6 kV/mm), both significantly higher than YSZ (11.1 kV/mm). These results indicate that Y₂O₃ offers comparable insulation performance to Al₂O₃ but with lower mechanical strength, making it suitable for non-load-bearing insulation coatings.
MgAl204– Magnesiumaluminatspinell er en ekvimolar forbindelse av MgO og Al₂O₃ dannet ved høye temperaturer. Den har høy mekanisk styrke, kjemisk stabilitet og isolasjonsegenskaper, noe som gjør den egnet for isolasjonsbelegg. Termisk spray MgAl2O4-pulver produseres vanligvis ved reaksjonssintring av AlO(OH) og Mg(OH)2, etterfulgt av spraytørking og sekundær fortettingsintring. Fasestrukturen til det termisk sprøytede MgAl2O4-belegget forblir den samme som pulveret, noe som sikrer ensartet sammensetning.