مواد پوشش عایق سرامیکی اسپری حرارتی: آنها چیست؟

پوشش های عایق معمولاً روی سطوح زیرلایه فلزی اعمال می شوند تا جریان جریان را مسدود کنند یا به عنوان یک محیط دی الکتریک در خازن ها عمل کنند. مواد پوشش عایق رایج شامل پلیمرهای آلی، سرامیک ها و کامپوزیت ها هستند. پوشش‌های پلیمری از معایبی مانند حساسیت به پیری، استحکام مکانیکی ضعیف، استحکام شکست کم و تجزیه در دماهای بالا رنج می‌برند که آنها را برای محیط‌های خدماتی نامناسب می‌سازد. در مقابل، مواد عایق سرامیکی استحکام مکانیکی بالا، مقاومت در برابر پیری محیطی، فاصله باند وسیع و تحمل دمای بالا را ارائه می‌دهند و بر محدودیت‌های عایق پلیمری در شرایط سخت غلبه می‌کنند.

پاشش حرارتی یک تکنیک اولیه برای تهیه پوشش های عایق سرامیکی است که مزایایی مانند راندمان رسوب گذاری بالا، حداقل محدودیت در اندازه اجزای فلزی و هزینه تولید پایین را ارائه می دهد. عملکرد کلی پوشش‌های سرامیکی پاشش حرارتی به انتخاب مواد پوشش، پارامترهای پردازش و روش‌های{1} پس از تصفیه بستگی دارد.

انتخاب مواد پوشش مناسب برای یک محیط کاربردی خاص بسیار مهم است. به طور کلی، مواد پوشش عایق سرامیکی باید دارای استحکام دی الکتریک بالا، مقاومت حجمی بالا، گذردهی نسبی متوسط، ضریب تلفات دی الکتریک پایین، مدول الاستیک بالا، مقاومت در برابر ضربه و مقاومت در برابر خوردگی باشند. مواد پوشش عایق معمولاً به شرح زیر است:

1. آلومینا با خلوص بالا-

سرامیک های Al2O3 دارای استحکام مکانیکی بالا، هدایت حرارتی خوب، استحکام و مقاومت عایق بالا، تلفات دی الکتریک کم و ثابت دی الکتریک نسبتاً بالا هستند. قابل توجه است که خواص دی الکتریک آنها با تغییرات دما و فرکانس ولتاژ ثابت می ماند و Al2O3 را به پرمصرف ترین ماده پوشش عایق تبدیل می کند.

خلوص پودر Al2O3 محتوای ناخالصی در پوشش را تعیین می کند که به نوبه خود بر عملکرد عایق پوشش تأثیر می گذارد. ناخالصی های رایج در پودر عبارتند از SiO2، Na2O، CaO، Fe2O3 و MgO. در این میان، یون‌های با قطر کوچک مانند Na+ و K+ تحرک بیشتری در پوشش دارند و به طور قابل توجهی مقاومت عایق پوشش Al2O3 را کاهش می‌دهند.

علاوه بر این، Al2O3 در فازهای کریستالی متعدد، از جمله , , , δ, κ و θ وجود دارد. پودر Al2O3 که برای پاشش حرارتی استفاده می شود، معمولاً ماده فاز خالص-کلسینه شده با درجه حرارت بالا است. با این حال، در حین پاشش، پودر به طور جزئی یا کامل ذوب می شود و بر سطح بستر ضربه می زند، خنک می شود و رسوب می کند تا پوشش را تشکیل دهد. این فرآیند مقدار قابل توجهی از فازهای فراپایدار را ایجاد می کند، در درجه اول -فاز همراه با مقدار کمی از -فاز. بررسی‌ها نشان می‌دهد که بخش‌های ذوب نشده پودر فاز -را حفظ می‌کنند، در حالی که بخش‌های ذوب شده ترجیحاً به دلیل انجماد سریع، دانه‌های ستونی فازی را تشکیل می‌دهند، زیرا کار هسته‌زایی بحرانی پایین‌تر فاز -. بنابراین، هرچه ذوب پودر کامل‌تر باشد، -محتوای فاز در پوشش بیشتر می‌شود. به طور خلاصه، حضور اجتناب ناپذیر -فاز در پوشش‌های Al2O3 با پاشش حرارتی، عملکرد عایق آن‌ها را کاهش می‌دهد. این را می توان با تنظیم روش پاشش، پارامترهای فرآیند یا ساختار پودر کاهش داد.

2. Al2O3 دوپ شده

پوشش های ساخته شده از پودر Al2O3 با خلوص بالا عملکرد عایق بالایی از خود نشان می دهند اما به دلیل تنش انباشته شده زیاد از مقاومت ضعیف در برابر بارهای ضربه و ارتعاش رنج می برند. علاوه بر این، Al2O3 با خلوص بالا گران است و نقطه ذوب بالای آن منجر به راندمان رسوب پایین و هزینه های پاشش بالا می شود. تحقیقات نشان می دهد که افزودن مقادیر متوسطی از عناصر دیگر (به عنوان مثال، منیزیم، تیتانیم) می تواند نقطه ذوب پودر را کاهش دهد و تراکم پوشش را بهبود بخشد، البته به قیمت برخی از عملکرد عایق. بنابراین، برای کاربردهایی که نیاز به عملکرد مکانیکی بالاتر دارند، ممکن است مواد آلاییده شده Al2O3 انتخاب شوند.

Magnesia{0}}آلومینا را دوپ کرد- MgO و Al2O3 می توانند اسپینل (MgAl2O4) با ویژگی های ذوب متجانس تشکیل دهند. افزودن مقدار معینی از MgO به پودر Al2O3 دمای ذوب اولیه را کاهش می دهد و در نتیجه پوششی با ترک های عمودی کمتر و چگالی بیشتر ایجاد می کند. در همین حال، وجود اسپینل MgAl2O4 بسیار عایق باعث کاهش محتوای -Al2O3 در پوشش می‌شود. بنابراین، دوپینگ Al2O3 با مقدار مناسبی از MgO می تواند به طور جامع هم خواص عایق و هم خواص مکانیکی پوشش را بهبود بخشد.

تیتانیا{0}}آلومینا را دوپ کرد- افزودن TiO2 به Al2O3 نقطه ذوب پودر را کاهش می دهد، چگالی پوشش و راندمان رسوب را بهبود می بخشد و فاز TiAl2O5 را تشکیل می دهد که چقرمگی ضربه را افزایش می دهد. TiO2 نیز نسبتاً ارزان است. علاوه بر این، دوپینگ TiO2 تا حدی تبدیل از -Al2O3 به -Al2O3 غیرپایدار را سرکوب می‌کند و محتوای فاز را در پوشش کاهش می‌دهد. با این حال، یون های Ti در پوشش دوپ شده به طور قابل توجهی عملکرد عایق آن را کاهش می دهند. بنابراین، هنگامی که تعادل بین عایق و خواص مکانیکی مورد نیاز است، ممکن است مواد پوشش دهنده Al2O3 با هزینه کمتر در نظر گرفته شوند. محتوای TiO2 به طور قابل توجهی بر عایق و خواص مکانیکی تأثیر می گذارد. سطوح رایج دوپینگ شامل 13 درصد وزنی و کمتر یا مساوی 0.2 درصد وزنی است. پوشش‌های با 13 درصد وزنی TiO2 چقرمگی و مقاومت در برابر سایش بالاتر اما عملکرد عایق کمتری را نشان می‌دهند. سطح دوپینگ 3 درصد وزنی TiO2 ترکیبی از عایق و مقاومت در برابر ضربه را فراهم می کند. مطالعات تجربی نشان می دهد که پس از 10 چرخه شوک حرارتی از دمای اتاق تا نیتروژن مایع، پوشش هیچ ترک نشان نداد، اگرچه مقاومت آن کاهش یافت. این نشان می‌دهد که یک پوشش Al2O3 با 3 درصد وزنی TiO2{26}}به دلیل چگالی بالا، از افت قابل‌توجهی در عملکرد عایق جلوگیری می‌کند، در حالی که محتوای TiO2 بالاتر به طور قابل‌توجهی عایق را کاهش می‌دهد.

سفت کننده زیرکونیایی چهارضلعی- در زیرکونیا-آلومینای سخت شده (ZTA)، ZrO2 چهارضلعی (زیرکونیای تا حدی تثبیت شده) را می توان در دمای اتاق نگه داشت. تحت تنش خارجی، آن را تحت یک تبدیل مارتنزیتی به فاز مونوکلینیک، همراه با گسترش حجم و تنش برشی که مانع از انتشار ترک، در نتیجه افزایش استحکام خمشی و چقرمگی شکست سرامیک. زیر 1650 درجه، هر دو Al2O3 و ZrO2 پایدار هستند و محلول جامد کمی را نشان می دهند. تنها بالاتر از 1650 درجه محلول جامد محدود رخ می دهد، بدون واکنش شیمیایی در محدوده ترکیب. ZrO2 تا حدی تثبیت شده دارای تحرک یون اکسیژن نسبتاً بالایی است، بنابراین سطح دوپینگ آن تا حد زیادی بر عملکرد عایق پوشش تأثیر می گذارد.

3. مواد دیگر

در سال های اخیر، Y2O3 به طور گسترده ای به عنوان یک پوشش محافظ در صنعت نیمه هادی ها به دلیل عایق بودن و مقاومت در برابر خوردگی بالا مورد مطالعه قرار گرفته است. علاوه بر این، تحقیقات روی پوشش‌های عایق Al2O3 دوپ شده با MgO{1} نشان داده است که MgAl2O4 خواص عایق بسیار خوبی از خود نشان می‌دهد.

Y₂O₃– ایتریا دارای فاصله باند دمای اتاق-۵.۵ eV است و یک ماده پوشش عایق رایج است. در مقایسه با Al2O3، Y2O3 استحکام مکانیکی کمتری دارد اما گذردهی نسبی مشابه (~ 10) و ضریب تلفات (<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- اسپینل آلومینات منیزیم یک ترکیب هم مولی از MgO و Al2O3 است که در دماهای بالا تشکیل می شود. دارای استحکام مکانیکی، پایداری شیمیایی و خواص عایق بالایی است که آن را برای پوشش های عایق مناسب می کند. پودر اسپری حرارتی MgAl2O4 معمولاً با تف جوشی واکنشی AlO(OH) و Mg(OH)2 تولید می‌شود و به دنبال آن خشک‌کردن اسپری و زینترینگ چگالی ثانویه ایجاد می‌شود. ساختار فاز پوشش MgAl2O4 اسپری حرارتی مانند پودر باقی می ماند و یکنواختی ترکیب را تضمین می کند.