Els recobriments d'aïllament s'apliquen normalment a les superfícies del substrat metàl·lic per bloquejar el flux de corrent o servir com a mitjà dielèctric en condensadors. Els materials de recobriment d'aïllament utilitzats habitualment inclouen polímers orgànics, ceràmiques i compostos. Els recobriments de polímer pateixen inconvenients com ara la susceptibilitat a l'envelliment, la mala rigidesa mecànica, la baixa resistència a la ruptura i la descomposició a altes temperatures, cosa que els fa inadequats per a entorns de servei exigents. En canvi, els materials d'aïllament ceràmic ofereixen una gran resistència mecànica, resistència a l'envelliment ambiental, una gran bretxa de banda i una alta -tolerància a la temperatura, superant les limitacions de l'aïllament del polímer en condicions dures.
La polvorització tèrmica és una tècnica principal per preparar recobriments d'aïllament ceràmic, que ofereix avantatges com ara una alta eficiència de deposició, restriccions mínimes a la mida dels components metàl·lics i baixos costos de producció. El rendiment global dels recobriments ceràmics polvoritzats tèrmicament depèn de l'elecció del material de recobriment, dels paràmetres de processament i dels mètodes de post-tractament.
La selecció del material de recobriment adequat per a un entorn d'aplicació específic és fonamental. En general, els materials de recobriment d'aïllament ceràmic han de tenir una alta resistència dielèctrica, una gran resistivitat de volum, una permisivitat relativa moderada, un baix factor de pèrdua dielèctrica, un alt mòdul elàstic, una resistència a l'impacte i una resistència a la corrosió. Els materials de recobriment d'aïllament utilitzats habitualment són els següents:
1. Alúmina d'alta -puresa
Les ceràmiques Al₂O₃ tenen una alta resistència mecànica, bona conductivitat tèrmica, alta resistència i resistivitat d'aïllament, baixa pèrdua dielèctrica i una constant dielèctrica relativament alta. En particular, les seves propietats dielèctriques es mantenen estables amb els canvis de temperatura i freqüència de tensió, fent d'Al₂O₃ el material de recobriment aïllant més utilitzat.
La puresa de la pols d'Al₂O₃ determina el contingut d'impureses del recobriment, que al seu torn afecta el rendiment d'aïllament del recobriment. Les impureses habituals de la pols inclouen SiO₂, Na₂O, CaO, Fe₂O₃ i MgO. Entre aquests, els ions de -diàmetre petit com Na⁺ i K⁺ tenen una major mobilitat dins del recobriment i redueixen significativament la resistència d'aïllament del recobriment d'Al₂O₃.
A més, Al₂O₃ existeix en múltiples fases cristal·lines, incloent , , , δ, κ i θ. La pols d'Al₂O₃ que s'utilitza per a la polvorització tèrmica és normalment un material de fase pura calcinada a -alta temperatura. Tanmateix, durant la polvorització, la pols es fon parcialment o totalment i impacta la superfície del substrat, es refreda i es diposita per formar el recobriment. Aquest procés genera una quantitat substancial de fases metaestables, principalment -fase juntament amb una petita quantitat de fase -. Els estudis indiquen que les porcions no foses de la pols conserven la fase -, mentre que les porcions foses formen preferentment grans columnars de fase - després de la solidificació ràpida a causa del menor treball de nucleació crític de la fase -. Per tant, com més completa sigui la fusió de la pols, més gran serà el contingut de -fase del recobriment. En resum, la presència inevitable de la fase -en els recobriments d'Al₂O₃ ruixats tèrmicament redueix el seu rendiment d'aïllament. Això es pot mitigar ajustant el mètode de polvorització, els paràmetres del procés o l'estructura de la pols.
2. Al₂O₃ dopat
Els recobriments fets amb pols d'Al₂O₃ d'alta -puresa presenten un alt rendiment d'aïllament, però pateixen una poca resistència a l'impacte i a les càrregues de vibració a causa de la gran tensió acumulada. A més, l'Al₂O₃ d'alta -puresa és car i el seu alt punt de fusió condueix a una baixa eficiència de deposició i alts costos de polvorització. La investigació mostra que afegir quantitats moderades d'altres elements (per exemple, Mg, Ti) pot reduir el punt de fusió de la pols i millorar la densitat del recobriment, encara que a costa d'algun rendiment d'aïllament. Per tant, per a aplicacions que requereixen un rendiment mecànic superior, es poden triar materials dopats d'Al₂O₃.
Alúmina dopada-magnèsia– MgO i Al₂O₃ poden formar espinela (MgAl₂O₄) amb característiques de fusió congruents. L'addició d'una certa quantitat de MgO a la pols d'Al₂O₃ redueix la temperatura de fusió inicial, donant lloc a un recobriment amb menys esquerdes verticals i una densitat més alta. Mentrestant, la presència d'espinel MgAl₂O₄ altament aïllant redueix el contingut de -Al₂O₃ en el recobriment. Així, dopar Al₂O₃ amb una quantitat adequada de MgO pot millorar de manera integral tant l'aïllament com les propietats mecàniques del recobriment.
Titania-alúmina dopada– L'addició de TiO₂ a Al₂O₃ redueix el punt de fusió de la pols, millora la densitat del recobriment i l'eficiència de la deposició i forma una fase de TiAl₂O₅ que millora la resistència a l'impacte. El TiO₂ també és relativament barat. A més, el dopatge de TiO₂ suprimeix parcialment la transformació de -Al₂O₃ a -Al₂O₃ metaestable, reduint el contingut de la fase -del recobriment. Tanmateix, els ions Ti del recobriment dopat degraden significativament el seu rendiment d'aïllament. Per tant, quan es requereix un equilibri entre l'aïllament i les propietats mecàniques, es poden considerar materials de recobriment amb Al₂O₃ dopats amb TiO₂{-de menor cost. El contingut de TiO₂ afecta significativament tant l'aïllament com les propietats mecàniques. Els nivells de dopatge habituals inclouen el 13% en pes i Menys o igual al 0,2% en pes. Els recobriments amb un 13% en pes de TiO₂ presenten una major duresa i resistència al desgast, però un rendiment d'aïllament inferior. Un nivell de dopatge del 3% en pes de TiO₂ proporciona una combinació d'aïllament i resistència a l'impacte. Els estudis experimentals mostren que després de 10 cicles de xoc tèrmic des de la temperatura ambient fins al nitrogen líquid, el recobriment no va mostrar esquerdes, tot i que la seva resistivitat va disminuir. Això indica que un recobriment amb Al₂O₃ dopat al 3% en pes de TiO₂-, a causa de la seva alta densitat, evita una caiguda significativa del rendiment d'aïllament, mentre que els continguts més elevats de TiO₂ redueixen substancialment l'aïllament.
Enduriment de zirconi tetragonal– A la Zirconia-Toughened Alumina (ZTA), el ZrO₂ tetragonal (zirconi parcialment estabilitzat) es pot retenir a temperatura ambient. Sota estrès extern, experimenta una transformació martensítica a fase monoclínica, acompanyada d'expansió de volum i esforç de cisalla que dificulten la propagació de les fissures, millorant així la resistència a la flexió i la tenacitat a la fractura de la ceràmica. Per sota dels 1650 graus, tant Al₂O₃ com ZrO₂ són estables i presenten poca solució sòlida; només per sobre de 1650 graus es produeix una solució sòlida limitada, sense reacció química en tot el rang de composició. El ZrO₂ parcialment estabilitzat té una mobilitat d'ions d'oxigen relativament alta, de manera que el seu nivell de dopatge afecta molt el rendiment d'aïllament del recobriment.
3. Altres Materials
En els darrers anys, Y₂O₃ ha estat àmpliament estudiat com a recobriment protector a la indústria dels semiconductors a causa del seu alt aïllament i resistència a la corrosió. A més, la investigació sobre recobriments d'aïllament amb Al₂O₃ dopat amb MgO-ha revelat que MgAl₂O₄ presenta excel·lents propietats d'aïllament.
Y₂O₃– Yttria té un interval de banda-de temperatura ambient de 5,5 eV i és un material de recobriment aïllant comú. En comparació amb Al₂O₃, Y₂O₃ té una resistència mecànica més baixa, però una permitivitat relativa (~10) i un factor de pèrdua similars (<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– L'espinela d'aluminat de magnesi és un compost equimolar de MgO i Al₂O₃ format a altes temperatures. Posseeix una alta resistència mecànica, estabilitat química i propietats d'aïllament, el que el fa adequat per a recobriments d'aïllament. La pols de polvorització tèrmica de MgAl₂O₄ es produeix normalment mitjançant la sinterització de reacció d'AlO(OH) i Mg(OH)₂, seguida de l'assecat per aspersió i la sinterització de densificació secundària. L'estructura de fase del recobriment de MgAl₂O₄ ruixat tèrmicament segueix sent la mateixa que la de la pols, assegurant la uniformitat de la composició.