Изолационните покрития обикновено се нанасят върху повърхности на метални субстрати, за да блокират протичането на ток или да служат като диелектрична среда в кондензатори. Често използваните материали за изолационно покритие включват органични полимери, керамика и композити. Полимерните покрития страдат от недостатъци като чувствителност към стареене, слаба механична твърдост, ниска якост на разрушаване и разлагане при високи температури, което ги прави неподходящи за взискателни работни среди. За разлика от това, керамичните изолационни материали предлагат висока механична якост, устойчивост на стареене в околната среда, широка ширина на лентата и висока -температурна толерантност, преодолявайки ограниченията на полимерната изолация при тежки условия.
Термичното пръскане е основна техника за приготвяне на керамични изолационни покрития, предлагаща предимства като висока ефективност на отлагане, минимални ограничения върху размера на металните компоненти и ниски производствени разходи. Цялостната производителност на термично напръсканите керамични покрития зависи от избора на материал за покритие, параметрите на обработка и методите за последваща-обработка.
Изборът на подходящ материал за покритие за конкретна среда на приложение е от решаващо значение. Като цяло се изисква материалите за керамично изолационно покритие да притежават висока диелектрична якост, високо обемно съпротивление, умерена относителна диелектрична проницаемост, нисък фактор на диелектрични загуби, висок модул на еластичност, устойчивост на удар и устойчивост на корозия. Често използваните материали за изолационно покритие са както следва:
1. Двуалуминиев оксид с висока -чистота
Керамиката Al2O3 се характеризира с висока механична якост, добра топлопроводимост, висока изолационна якост и съпротивление, ниска диелектрична загуба и относително висока диелектрична константа. Трябва да се отбележи, че техните диелектрични свойства остават стабилни при промени в температурата и честотата на напрежението, което прави Al₂O₃ най-широко използваният материал за изолационно покритие.
Чистотата на праха Al2O3 определя съдържанието на примеси в покритието, което от своя страна влияе върху изолационните характеристики на покритието. Обичайните примеси в праха включват SiO₂, Na2O, CaO, Fe2O₃ и MgO. Сред тях йони с малък -диаметър като Na⁺ и K⁺ имат по-голяма мобилност в покритието и значително намаляват изолационното съпротивление на Al2O3 покритието.
Освен това, Al2O3 съществува в множество кристални фази, включително , , , δ, κ и θ. Прахът Al₂O₃, използван за термично пръскане, обикновено е калциниран при висока-температура чист -фазов материал. Въпреки това, по време на пръскане, прахът частично или напълно се стопява и удря повърхността на субстрата, като се охлажда и отлага, за да образува покритието. Този процес генерира значително количество метастабилни фази, предимно -фаза заедно с малко количество -фаза. Проучванията показват, че неразтопените части на праха запазват -фазата, докато разтопените части преференциално образуват -фазови колонни зърна при бързо втвърдяване поради по-ниската критична нуклеационна работа на -фазата. Следователно, колкото по-пълно е топенето на праха, толкова по-високо е съдържанието на -фаза в покритието. В обобщение, неизбежното присъствие на -фаза в термично напръсканите Al2O3 покрития намалява техните изолационни характеристики. Това може да бъде смекчено чрез коригиране на метода на пръскане, параметрите на процеса или структурата на праха.
2. Легиран Al₂O₃
Покритията, направени от прах Al₂O₃ с висока{0}}чистота, показват висока изолационна производителност, но страдат от слаба устойчивост на ударни и вибрационни натоварвания поради високото натрупано напрежение. Освен това високо{2}}чистият Al₂O₃ е скъп и високата му точка на топене води до ниска ефективност на отлагане и високи разходи за пръскане. Изследванията показват, че добавянето на умерени количества други елементи (напр. Mg, Ti) може да понижи точката на топене на праха и да подобри плътността на покритието, макар и с цената на някои изолационни характеристики. Следователно, за приложения, изискващи по-високи механични характеристики, могат да бъдат избрани материали с добавка Al2O3.
Магнезиев-алуминиев оксид– MgO и Al₂O₃ могат да образуват шпинел (MgAl₂O₄) с еднакви характеристики на топене. Добавянето на определено количество MgO към прах Al2O3 понижава първоначалната температура на топене, което води до покритие с по-малко вертикални пукнатини и по-висока плътност. Междувременно наличието на силно изолиращ MgAl₂O₄ шпинел намалява съдържанието на -Al₂O₃ в покритието. По този начин, добавянето на Al2O3 с подходящо количество MgO може цялостно да подобри както изолационните, така и механичните свойства на покритието.
Двуалуминиев оксид с-добавка на титаний– Добавянето на TiO₂ към Al₂O₃ понижава точката на топене на праха, подобрява плътността на покритието и ефективността на отлагането и образува фаза TiAl₂O5, която подобрява ударната якост. TiO₂ също е относително евтин. Освен това допингът с TiO₂ частично потиска трансформацията от -Al2O3 в метастабилен -Al2O3, намалявайки съдържанието на -фаза в покритието. Въпреки това, Ti йони в легираното покритие значително влошават неговите изолационни характеристики. Следователно, когато се изисква баланс между изолация и механични свойства, могат да се обмислят по-ниски -цени на TiO₂-допирани Al2O3 покривни материали. Съдържанието на TiO₂ значително влияе както на изолационните, така и на механичните свойства. Обичайните нива на допинг включват 13 тегл.% и по-малко или равно на 0,2 тегл.%. Покритията с 13 тегл.% TiO₂ показват по-висока якост и устойчивост на износване, но по-ниски изолационни характеристики. Ниво на допинг от 3 тегл.% TiO₂ осигурява комбинация от изолация и устойчивост на удар. Експерименталните изследвания показват, че след 10 цикъла на термичен шок от стайна температура до течен азот, покритието не показва пукнатини, въпреки че съпротивлението му намалява. Това показва, че покритие с 3 тегл.% TiO₂-легирано Al2O3, поради високата си плътност, избягва значителен спад в изолационните характеристики, докато по-високото съдържание на TiO₂ значително намалява изолацията.
Тетрагонален циркониев закаляване– В Zirconia-Toughened Alumina (ZTA) тетрагоналният ZrO₂ (частично стабилизиран цирконий) може да се запази при стайна температура. При външно напрежение той претърпява мартензитна трансформация до моноклинна фаза, придружена от обемно разширение и напрежение на срязване, които възпрепятстват разпространението на пукнатини, като по този начин повишават якостта на огъване и якостта на счупване на керамиката. Под 1650 градуса както Al2O3, така и ZrO₂ са стабилни и показват малко твърд разтвор; само над 1650 градуса се получава ограничен твърд разтвор, без химическа реакция в диапазона на състава. Частично стабилизираният ZrO₂ има относително висока подвижност на кислородни йони, така че нивото му на допинг влияе значително на изолационните характеристики на покритието.
3. Други материали
През последните години Y₂O₃ е широко изследван като защитно покритие в полупроводниковата индустрия поради високата си изолация и устойчивост на корозия. Освен това, изследване на изолационни покрития с добавка на MgO-Al₂O₃ разкри, че MgAl₂O₄ проявява отлични изолационни свойства.
Y₂O₃– Итрият има забранена зона-за стайна температура от 5,5 eV и е често срещан материал за изолационно покритие. В сравнение с Al₂O3, Y₂O3 има по-ниска механична якост, но сходна относителна диелектрична проницаемост (~10) и коефициент на загуба (<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.
MgAl2O₄– Магнезиевият алуминатен шпинел е еквимоларно съединение на MgO и Al₂O₃, образувано при високи температури. Притежава висока механична якост, химическа стабилност и изолационни свойства, което го прави подходящ за изолационни покрития. Прахът MgAl2O4 от термичен спрей обикновено се произвежда чрез реакционно синтероване на AlO(OH) и Mg(OH)2, последвано от сушене чрез пулверизиране и вторично уплътняващо синтероване. Фазовата структура на термично напръсканото MgAl₂O4 покритие остава същата като тази на праха, осигурявайки еднородност на състава.