절연 코팅은 일반적으로 전류 흐름을 차단하거나 커패시터의 유전체 매체 역할을 하기 위해 금속 기판 표면에 적용됩니다. 일반적으로 사용되는 절연 코팅 재료에는 유기 고분자, 세라믹 및 복합재가 포함됩니다. 폴리머 코팅은 노화에 대한 민감성, 열악한 기계적 강성, 낮은 파괴 강도, 고온 분해 등의 단점으로 인해 까다로운 서비스 환경에 적합하지 않습니다. 이와 대조적으로 세라믹 절연 재료는 높은 기계적 강도, 환경 노화에 대한 저항성, 넓은 밴드갭 및 높은-온도 내성을 제공하여 열악한 조건에서 폴리머 절연의 한계를 극복합니다.
열 분사는 세라믹 절연 코팅을 준비하는 주요 기술로, 높은 증착 효율, 금속 부품 크기에 대한 최소 제한, 낮은 생산 비용과 같은 이점을 제공합니다. 열분사 세라믹 코팅의 전반적인 성능은 코팅 재료 선택, 처리 매개변수 및 후처리 방법에 따라 달라집니다.-
특정 적용 환경에 적합한 코팅 재료를 선택하는 것이 중요합니다. 일반적으로 세라믹 절연코팅재는 높은 유전강도, 높은 체적저항률, 적당한 비유전율, 낮은 유전손실율, 높은 탄성률, 내충격성, 내식성을 갖추어야 합니다. 일반적으로 사용되는 단열 코팅 재료는 다음과 같습니다.
1. 고순도-알루미나
Al₂O₃ 세라믹은 높은 기계적 강도, 우수한 열 전도성, 높은 절연 강도 및 저항률, 낮은 유전 손실 및 상대적으로 높은 유전 상수를 특징으로 합니다. 특히 Al2O₃는 온도와 전압 주파수 변화에 따라 유전 특성이 안정적으로 유지되므로 가장 널리 사용되는 절연 코팅재입니다.
Al2O₃ 분말의 순도에 따라 코팅의 불순물 함량이 결정되고, 이는 결국 코팅의 절연 성능에 영향을 미칩니다. 분말의 일반적인 불순물로는 SiO2, Na2O, CaO, Fe2O₃ 및 MgO가 있습니다. 이 중 Na⁺ 및 K⁺와 같은 작은-직경 이온은 코팅 내에서 이동성이 더 크고 Al2O₃ 코팅의 절연 저항을 크게 감소시킵니다.
또한 Al2O₃는 , , , δ, κ 및 θ를 포함한 여러 결정상으로 존재합니다. 용사에 사용되는 Al₂O₃ 분말은 일반적으로 고온-온도 하소된 순수 -상 물질입니다. 그러나 분무하는 동안 분말은 부분적으로 또는 완전히 녹아 기판 표면에 충격을 가하고 냉각 및 침전되어 코팅을 형성합니다. 이 프로세스는 상당한 양의 준안정 단계, 주로 소량의 -단계와 함께 -단계를 생성합니다. 연구에 따르면 분말의 녹지 않은 부분은 -상을 유지하는 반면, 용융된 부분은 -상의 낮은 임계 핵생성 작업으로 인해 빠른 응고 시 우선적으로 -상 원주형 입자를 형성하는 것으로 나타났습니다. 따라서 분말 용융이 더욱 완전해질수록 코팅의 -상 함량이 높아집니다. 요약하면, 열분사 Al2O₃ 코팅에 -상이 불가피하게 존재하면 절연 성능이 저하됩니다. 이는 분사 방법, 공정 매개변수 또는 분말 구조를 조정하여 완화할 수 있습니다.
2. 도핑된 Al₂O₃
고순도-Al₂O₃ 분말로 만든 코팅은 높은 절연 성능을 보이지만 높은 축적 응력으로 인해 충격 및 진동 하중에 대한 저항력이 부족합니다. 또한, 고-순도 Al₂O₃는 가격이 비싸고, 녹는점이 높기 때문에 증착 효율이 낮고 분사 비용이 높습니다. 연구에 따르면 적당량의 다른 원소(예: Mg, Ti)를 첨가하면 분말의 융점을 낮추고 코팅 밀도를 향상시킬 수 있지만 일부 절연 성능은 희생되는 것으로 나타났습니다. 따라서 더 높은 기계적 성능이 요구되는 응용 분야에는 도핑된 Al2O₃ 재료를 선택할 수 있습니다.
마그네시아-도핑된 알루미나– MgO와 Al2O₃는 용융특성이 일치하는 스피넬(MgAl2O₄)을 형성할 수 있습니다. Al2O₃ 분말에 MgO를 일정량 첨가하면 초기 용융온도가 낮아져 수직균열이 적고 밀도가 높은 코팅이 됩니다. 한편, 절연성이 높은 MgAl2O₄ 스피넬의 존재는 코팅 내 -Al2O₃ 함량을 감소시킵니다. 따라서 Al2O₃에 MgO를 적당량 첨가하면 코팅의 절연성과 기계적 특성을 종합적으로 향상시킬 수 있습니다.
티타니아-도핑된 알루미나– Al2O₃에 TiO2를 첨가하면 분말의 융점이 낮아지고, 코팅밀도 및 증착효율이 향상되며, TiAl2O₅상을 형성하여 충격인성이 향상됩니다. TiO2는 또한 상대적으로 저렴합니다. 또한 TiO2 도핑은 -Al2O₃에서 준안정 -Al2O₃로의 변환을 부분적으로 억제하여 코팅의 -상 함량을 줄입니다. 그러나 도핑된 코팅의 Ti 이온은 절연 성능을 크게 저하시킵니다. 따라서 절연성과 기계적 특성의 균형이 필요한 경우에는 보다 저렴한-TiO2-doped Al2O₃ 코팅 소재를 고려할 수 있습니다. TiO2 함량은 절연성과 기계적 특성 모두에 큰 영향을 미칩니다. 일반적인 도핑 수준에는 13wt.%와 0.2wt.% 이하가 포함됩니다. 13wt.% TiO2를 함유한 코팅은 더 높은 인성과 내마모성을 나타내지만 절연 성능은 더 낮습니다. 3wt.% TiO2 도핑 수준은 절연성과 내충격성을 모두 제공합니다. 실험 연구에 따르면 실온에서 액체 질소까지 10번의 열 충격 주기 후에 코팅에 균열이 나타나지 않았지만 저항은 감소했습니다. 이는 3wt.% TiO2-도핑된 Al2O₃ 코팅이 밀도가 높기 때문에 절연 성능이 크게 저하되는 것을 방지하는 반면, TiO2 함량이 높을수록 절연이 크게 저하된다는 것을 나타냅니다.
정방형 지르코니아 강화– 지르코니아{0}}강화 알루미나(ZTA)에서는 정방정 ZrO2(부분적으로 안정화된 지르코니아)가 실온에서 유지될 수 있습니다. 외부 응력 하에서는 마르텐사이트가 단사정상으로 변태하고 균열 전파를 방해하는 부피 팽창 및 전단 응력을 동반하여 세라믹의 굽힘 강도와 파괴 인성이 향상됩니다. 1650도 이하에서는 Al2O₃와 ZrO2가 모두 안정적이고 고용체를 거의 나타내지 않습니다. 1650도 이상에서만 제한된 고용체가 발생하며 조성 범위 전체에 걸쳐 화학 반응이 없습니다. 부분적으로 안정화된 ZrO2는 산소 이온 이동도가 상대적으로 높기 때문에 도핑 수준이 코팅의 절연 성능에 큰 영향을 미칩니다.
3. 기타 재료
최근 Y2O₃는 높은 절연성 및 내식성으로 인해 반도체 산업의 보호 코팅재로 널리 연구되어 왔습니다. 또한, MgO-도핑된 Al₂O₃ 절연 코팅에 대한 연구를 통해 MgAl₂O₄가 우수한 절연 특성을 나타내는 것으로 나타났습니다.
Y₂O₃– Yttria는 5.5eV의 상온-밴드갭을 가지며 일반적인 절연 코팅 재료입니다. Al2O₃에 비해 Y2O₃는 기계적 강도는 낮지만 비유전율(~10)과 손실계수(<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– 마그네슘알루미네이트스피넬은 고온에서 형성된 MgO와 Al2O₃의 등몰 화합물입니다. 기계적 강도, 화학적 안정성, 절연성이 높아 절연코팅에 적합합니다. 용사 MgAl2O₄ 분말은 일반적으로 AlO(OH)와 Mg(OH)2를 반응소결한 후 분무건조하고 2차 치밀화 소결하여 제조됩니다. 열분무된 MgAl2O₄ 코팅의 상구조는 분말의 상구조와 동일하게 유지되어 조성의 균일성을 보장합니다.