Yalıtım kaplamaları tipik olarak akım akışını engellemek veya kapasitörlerde dielektrik ortam görevi görmek için metal alt tabaka yüzeylerine uygulanır. Yaygın olarak kullanılan yalıtım kaplama malzemeleri arasında organik polimerler, seramikler ve kompozitler bulunur. Polimer kaplamalar, yaşlanmaya karşı duyarlılık, zayıf mekanik sertlik, düşük kırılma mukavemeti ve yüksek sıcaklıklarda ayrışma gibi dezavantajlara sahiptir ve bu da onları zorlu hizmet ortamları için uygunsuz hale getirir. Buna karşılık, seramik yalıtım malzemeleri yüksek mekanik mukavemet, çevresel yaşlanmaya karşı direnç, geniş bant aralığı ve yüksek-sıcaklık toleransı sunarak zorlu koşullarda polimer yalıtımın sınırlamalarının üstesinden gelir.
Termal püskürtme, seramik yalıtım kaplamalarının hazırlanmasında temel bir tekniktir; yüksek biriktirme verimliliği, metal bileşen boyutunda minimum kısıtlama ve düşük üretim maliyetleri gibi avantajlar sunar. Termal olarak püskürtülmüş seramik kaplamaların genel performansı, kaplama malzemesi seçimine, işleme parametrelerine ve-sonraki tedavi yöntemlerine bağlıdır.
Belirli bir uygulama ortamı için uygun kaplama malzemesinin seçilmesi kritik öneme sahiptir. Genel olarak seramik izolasyon kaplama malzemelerinin yüksek dielektrik mukavemetine, yüksek hacim direncine, orta düzeyde bağıl geçirgenliğe, düşük dielektrik kayıp faktörüne, yüksek elastik modüle, darbe direncine ve korozyon direncine sahip olması gerekir. Yaygın olarak kullanılan yalıtım kaplama malzemeleri şunlardır:
1. Yüksek-Saflıkta Alümina
Al₂O₃ seramikleri yüksek mekanik dayanıma, iyi ısı iletkenliğine, yüksek yalıtım dayanımına ve dirence, düşük dielektrik kaybına ve nispeten yüksek bir dielektrik sabitine sahiptir. Özellikle dielektrik özellikleri sıcaklık ve voltaj frekansındaki değişikliklerle sabit kalır, bu da Al₂O₃'yu en yaygın kullanılan yalıtım kaplama malzemesi haline getirir.
Al₂O₃ tozunun saflığı, kaplamadaki yabancı madde içeriğini belirler ve bu da kaplamanın yalıtım performansını etkiler. Tozdaki yaygın yabancı maddeler arasında SiO₂, Na₂O, CaO, Fe₂O₃ ve MgO bulunur. Bunlar arasında Na⁺ ve K⁺ gibi küçük- çaplı iyonlar, kaplama içinde daha fazla hareketliliğe sahiptir ve Al₂O₃ kaplamanın yalıtım direncini önemli ölçüde azaltır.
Ek olarak Al₂O₃, , , , δ, κ ve θ dahil olmak üzere birden fazla kristalin fazda bulunur. Termal püskürtme için kullanılan Al₂O₃ tozu tipik olarak yüksek-sıcaklıkta kalsine edilmiş saf -faz malzemesidir. Bununla birlikte, püskürtme sırasında toz kısmen veya tamamen erir ve alt tabaka yüzeyine çarparak soğur ve kaplamayı oluşturmak üzere çökelir. Bu süreç, öncelikle -faz ve az miktarda -faz olmak üzere, önemli miktarda metastabil fazlar üretir. Çalışmalar, tozun erimemiş kısımlarının -fazını koruduğunu, erimiş kısımların ise -fazının daha düşük kritik çekirdeklenme işi nedeniyle hızlı katılaşma sonrasında tercihen -fazı sütunlu taneler oluşturduğunu göstermektedir. Bu nedenle, toz erimesi ne kadar tam olursa, kaplamadaki -faz içeriği de o kadar yüksek olur. Özetle, termal olarak püskürtülmüş Al₂O₃ kaplamalarda -fazının kaçınılmaz varlığı, yalıtım performanslarını azaltır. Bu durum püskürtme yönteminin, proses parametrelerinin veya toz yapısının ayarlanmasıyla azaltılabilir.
2. Katkılı Al₂O₃
Yüksek-saflıkta Al₂O₃ tozundan yapılan kaplamalar, yüksek yalıtım performansı sergiler ancak yüksek birikmiş gerilim nedeniyle darbe ve titreşim yüklerine karşı zayıf direnç gösterir. Ek olarak, yüksek-saflıktaki Al₂O₃ pahalıdır ve yüksek erime noktası, düşük biriktirme verimliliğine ve yüksek püskürtme maliyetlerine yol açar. Araştırmalar, makul miktarlarda başka elementlerin (örneğin, Mg, Ti) eklenmesinin, bir miktar yalıtım performansı pahasına da olsa, tozun erime noktasını düşürebileceğini ve kaplama yoğunluğunu iyileştirebileceğini göstermektedir. Bu nedenle daha yüksek mekanik performans gerektiren uygulamalar için katkılı Al₂O₃ malzemeler seçilebilir.
Magnezya-katkılı Alümina– MgO ve Al₂O₃ uyumlu erime özelliklerine sahip spinel (MgAl₂O₄) oluşturabilir. Al₂O₃ tozuna belirli bir miktarda MgO eklenmesi, başlangıçtaki erime sıcaklığını düşürür, bu da daha az dikey çatlak ve daha yüksek yoğunluk içeren bir kaplamayla sonuçlanır. Bu arada, yüksek düzeyde yalıtkan MgAl₂O₄ spinel'in varlığı, kaplamadaki -Al₂O₃ içeriğini azaltır. Bu nedenle, Al₂O₃'nun uygun miktarda MgO ile katkılanması, kaplamanın hem yalıtımını hem de mekanik özelliklerini kapsamlı bir şekilde geliştirebilir.
Titanya-katkılı Alümina– Al₂O₃'ya TiO₂ eklenmesi tozun erime noktasını düşürür, kaplama yoğunluğunu ve biriktirme verimliliğini artırır ve darbe dayanıklılığını artıran bir TiAl₂O₅ fazı oluşturur. TiO₂ da nispeten ucuzdur. Ayrıca, TiO₂ katkısı, -Al₂O₃'dan yarı kararlı -Al₂O₃'ya dönüşümü kısmen baskılayarak kaplamadaki -faz içeriğini azaltır. Ancak katkılı kaplamadaki Ti iyonları yalıtım performansını önemli ölçüde düşürür. Bu nedenle yalıtım ve mekanik özellikler arasında bir denge gerektiğinde, daha düşük-maliyetli TiO₂-katkılı Al₂O₃ kaplama malzemeleri düşünülebilir. TiO₂ içeriği hem izolasyonu hem de mekanik özellikleri önemli ölçüde etkiler. Yaygın doping seviyeleri ağırlıkça %13 ve ağırlıkça %0,2'ye eşit veya daha azını içerir. Ağırlıkça %13 TiO₂ içeren kaplamalar daha yüksek tokluk ve aşınma direnci sergiler ancak daha düşük yalıtım performansı gösterir. Ağırlıkça %3 TiO₂ katkılama seviyesi, yalıtım ve darbe direncinin bir kombinasyonunu sağlar. Deneysel çalışmalar, oda sıcaklığından sıvı nitrojene kadar 10 termal şok döngüsünden sonra kaplamanın direncinin azalmasına rağmen herhangi bir çatlak göstermediğini göstermektedir. Bu, ağırlıkça %3 TiO₂-katkılı Al₂O₃ kaplamanın, yüksek yoğunluğu nedeniyle yalıtım performansında önemli bir düşüşü önlediğini, daha yüksek TiO₂ içeriklerinin ise yalıtımı önemli ölçüde azalttığını gösterir.
Dörtgen Zirkonya Sertleştirme– Zirkonya-Sertleştirilmiş Alüminada (ZTA), tetragonal ZrO₂ (kısmen stabilize edilmiş zirkonya) oda sıcaklığında tutulabilir. Dış stres altında, çatlak ilerlemesini engelleyen hacim genişlemesi ve kayma gerilimi ile birlikte monoklinik faza martensitik bir dönüşüme uğrar, böylece seramiğin bükülme mukavemeti ve kırılma dayanıklılığı artar. 1650 derecenin altında hem Al₂O₃ hem de ZrO₂ stabildir ve çok az katı çözelti sergiler; yalnızca 1650 derecenin üzerinde sınırlı katı çözelti meydana gelir ve bileşim aralığı boyunca hiçbir kimyasal reaksiyon olmaz. Kısmen stabilize edilmiş ZrO₂ nispeten yüksek oksijen iyonu hareketliliğine sahiptir, dolayısıyla katkılama seviyesi kaplamanın yalıtım performansını büyük ölçüde etkiler.
3. Diğer Malzemeler
Son yıllarda Y₂O₃, yüksek izolasyon ve korozyon direnci nedeniyle yarı iletken endüstrisinde koruyucu bir kaplama olarak geniş çapta araştırılmaktadır. Ek olarak, MgO-katkılı Al₂O₃ yalıtım kaplamaları üzerinde yapılan araştırmalar, MgAl₂O₄'nun mükemmel yalıtım özellikleri sergilediğini ortaya çıkardı.
Y₂O₃– Yttria, 5,5 eV'lik bir oda sıcaklığı-bant aralığına sahiptir ve yaygın bir yalıtım kaplama malzemesidir. Al₂O₃ ile karşılaştırıldığında, Y₂O₃ daha düşük mekanik dayanıma sahiptir ancak benzer bağıl geçirgenliğe (~10) ve kayıp faktörüne sahiptir (<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– Magnezyum alüminat spinel, yüksek sıcaklıklarda oluşan MgO ve Al₂O₃'nun eşmolar bir bileşiğidir. Yüksek mekanik dayanıma, kimyasal stabiliteye ve yalıtım özelliklerine sahip olduğundan yalıtım kaplamaları için uygundur. Termal sprey MgAl₂O₄ tozu tipik olarak AlO(OH) ve Mg(OH)₂'nin reaksiyon sinterlemesi, ardından sprey kurutma ve ikincil yoğunlaştırma sinterlemesi ile üretilir. Termal olarak püskürtülmüş MgAl₂O₄ kaplamanın faz yapısı tozunkiyle aynı kalarak bileşimsel tekdüzelik sağlanır.