Izolacijski premazi se običajno nanesejo na površine kovinske podlage, da blokirajo tok ali služijo kot dielektrični medij v kondenzatorjih. Običajno uporabljeni materiali za izolacijo vključujejo organske polimere, keramiko in kompozite. Polimerni premazi imajo pomanjkljivosti, kot so dovzetnost za staranje, slaba mehanska togost, nizka prelomna trdnost in razgradnja pri visokih temperaturah, zaradi česar so neprimerni za zahtevna delovna okolja. V nasprotju s tem ponujajo keramični izolacijski materiali visoko mehansko trdnost, odpornost proti staranju v okolju, široko pasovno režo in visoko-temperaturno toleranco, s čimer presegajo omejitve polimerne izolacije v težkih pogojih.
Toplotno pršenje je primarna tehnika za pripravo keramičnih izolacijskih premazov, ki ponuja prednosti, kot so visoka učinkovitost nanašanja, minimalne omejitve velikosti kovinskih komponent in nizki proizvodni stroški. Celotna učinkovitost termično napršenih keramičnih premazov je odvisna od izbire materiala za premaz, parametrov obdelave in metod -naknadne obdelave.
Izbira ustreznega premaznega materiala za določeno okolje uporabe je ključnega pomena. Na splošno morajo keramični materiali za izolacijo imeti visoko dielektrično trdnost, visoko volumsko upornost, zmerno relativno dielektrično prepustnost, nizek faktor dielektrične izgube, visok modul elastičnosti, odpornost na udarce in odpornost proti koroziji. Običajno uporabljeni materiali za izolacijo so naslednji:
1. Aluminijev oksid-visoke čistosti
Al₂O₃ keramika ima visoko mehansko trdnost, dobro toplotno prevodnost, visoko izolacijsko trdnost in upornost, nizko dielektrično izgubo in relativno visoko dielektrično konstanto. Predvsem njihove dielektrične lastnosti ostajajo stabilne s spremembami temperature in napetostne frekvence, zaradi česar je Al₂O₃ najpogosteje uporabljen material za izolacijo.
Čistost prahu Al₂O₃ določa vsebnost nečistoč v prevleki, kar posledično vpliva na izolacijo prevleke. Pogoste nečistoče v prahu vključujejo SiO₂, Na2O, CaO, Fe₂O₃ in MgO. Med njimi imajo ioni z majhnim-premerom, kot sta Na⁺ in K⁺, večjo mobilnost znotraj prevleke in znatno zmanjšajo izolacijsko upornost prevleke Al₂O3.
Poleg tega Al₂O3 obstaja v več kristalnih fazah, vključno z , , , δ, κ in θ. Prah Al₂O₃, ki se uporablja za termično razprševanje, je običajno visoko{1}}fazni material, kalciniran pri visoki -fazi. Vendar pa se med pršenjem prah delno ali v celoti stopi in udari na površino substrata, se ohlaja in odlaga, da nastane premaz. Ta proces ustvari precejšnjo količino metastabilnih faz, predvsem -fazo skupaj z majhno količino -faze. Študije kažejo, da nestaljeni deli prahu obdržijo -fazo, medtem ko stopljeni deli prednostno tvorijo stebrasta zrna -faze po hitrem strjevanju zaradi manjšega kritičnega nukleacijskega dela -faze. Zato je popolnejše taljenje prahu, večja je vsebnost -faze v prevleki. Če povzamemo, neizogibna prisotnost -faze v toplotno napršenih Al₂O₃ prevlekah zmanjša njihovo izolacijsko učinkovitost. To je mogoče ublažiti s prilagoditvijo metode pršenja, procesnih parametrov ali strukture prahu.
2. Dopirani Al₂O3
Prevleke iz -praška Al₂O₃ visoke čistosti imajo visoko izolacijo, vendar so zaradi velike akumulirane obremenitve slabo odporne na udarce in vibracije. Poleg tega je Al₂O₃ visoke{2}}čistosti drag, njegovo visoko tališče pa povzroča nizko učinkovitost nanašanja in visoke stroške škropljenja. Raziskave kažejo, da lahko dodajanje zmernih količin drugih elementov (npr. Mg, Ti) zniža tališče prahu in izboljša gostoto premaza, čeprav za ceno določene izolacijske učinkovitosti. Zato se lahko za aplikacije, ki zahtevajo večjo mehansko zmogljivost, izberejo dopirani Al2O3 materiali.
Aluminijev oksid-dopiran z magnezijem– MgO in Al₂O₃ lahko tvorita spinel (MgAl₂O₄) s skladnimi talilnimi lastnostmi. Dodajanje določene količine MgO prahu Al₂O₃ zniža začetno temperaturo taljenja, kar ima za posledico prevleko z manj navpičnimi razpokami in večjo gostoto. Medtem pa prisotnost zelo izolativnega MgAl₂O₄ spinela zmanjša vsebnost -Al₂O₃ v prevleki. Tako lahko dopiranje Al₂O3 z ustrezno količino MgO celovito izboljša tako izolacijo kot mehanske lastnosti prevleke.
Titan{0}}dopiran aluminijev oksid– Dodajanje TiO₂ k Al₂O₃ zniža tališče prahu, izboljša gostoto prevleke in učinkovitost nanašanja ter tvori fazo TiAl₂O5, ki izboljša udarno žilavost. TiO₂ je tudi relativno poceni. Poleg tega dopiranje s TiO₂ delno zavira pretvorbo iz -Al₂O3 v metastabilni -Al₂O₃, kar zmanjša vsebnost -faze v prevleki. Vendar ti ioni v dopiranem premazu znatno poslabšajo njegovo izolacijsko zmogljivost. Kadar je torej potrebno ravnovesje med izolacijo in mehanskimi lastnostmi, lahko razmislimo o nižjih-cenovnih materialih za prevleke, dopiranih s TiO₂-Al2O3. Vsebnost TiO₂ bistveno vpliva tako na izolacijske kot mehanske lastnosti. Običajne ravni dopinga vključujejo 13 masnih % in manj kot ali enako 0,2 masnih %. Prevleke s 13 mas. % TiO₂ imajo višjo žilavost in odpornost proti obrabi, vendar nižjo izolacijo. Raven dopinga 3 mas. % TiO₂ zagotavlja kombinacijo izolacije in odpornosti na udarce. Eksperimentalne študije kažejo, da po 10 ciklih toplotnega šoka od sobne temperature do tekočega dušika premaz ni pokazal razpok, čeprav se je njegova upornost zmanjšala. To kaže, da 3 mas. % TiO₂-dopirana Al₂O₃ prevleka zaradi svoje visoke gostote prepreči znaten upad izolacijske učinkovitosti, medtem ko višje vsebnosti TiO₂ bistveno zmanjšajo izolacijo.
Tetragonalno cirkonijevo utrjevanje– V cirkonijevem -kaljenem aluminijevem oksidu (ZTA) se lahko tetragonalni ZrO₂ (delno stabiliziran cirkonijev oksid) ohrani pri sobni temperaturi. Pod zunanjimi obremenitvami je podvržen martenzitni transformaciji v monoklinično fazo, ki jo spremljata prostorninska ekspanzija in strižna napetost, ki ovirata širjenje razpok, s čimer se povečata upogibna trdnost in lomna žilavost keramike. Pod 1650 stopinj sta tako Al₂O₃ kot ZrO₂ stabilna in imata malo trdne raztopine; samo nad 1650 stopinj se pojavi omejena trdna raztopina, brez kemične reakcije v celotnem območju sestave. Delno stabiliziran ZrO₂ ima razmeroma visoko mobilnost kisikovih ionov, zato njegova stopnja dopinga močno vpliva na izolacijo prevleke.
3. Drugi materiali
V zadnjih letih je bil Y₂O₃ obširno raziskan kot zaščitni premaz v industriji polprevodnikov zaradi njegove visoke izolacije in odpornosti proti koroziji. Poleg tega so raziskave izolacijskih prevlek Al₂O₃, dopiranih z MgO-, pokazale, da ima MgAl₂O₄ odlične izolacijske lastnosti.
Y₂O₃– Itria ima pasovno-temperaturo 5,5 eV in je pogost material za izolacijo. V primerjavi z Al₂O3 ima Y₂O3 manjšo mehansko trdnost, vendar podobno relativno prepustnost (~10) in faktor izgube (<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– Magnezijev aluminatni spinel je ekvimolarna spojina MgO in Al₂O₃, ki nastane pri visokih temperaturah. Ima visoko mehansko trdnost, kemično stabilnost in izolacijske lastnosti, zaradi česar je primeren za izolacijske premaze. Prašek MgAl₂O4 s toplotnim razprševanjem se običajno proizvaja z reakcijskim sintranjem AlO(OH) in Mg(OH)₂, čemur sledi sušenje z razprševanjem in sekundarno zgoščevanje. Fazna struktura toplotno napršene prevleke MgAl₂O₄ ostane enaka strukturi prahu, kar zagotavlja enotnost sestave.