絶縁コーティングは通常、電流の流れを遮断したり、コンデンサの誘電体媒体として機能するために金属基板の表面に塗布されます。一般的に使用される絶縁コーティング材料には、有機ポリマー、セラミック、複合材料などがあります。ポリマーコーティングには、劣化しやすい、機械的剛性が低い、破壊強度が低い、高温で分解するなどの欠点があり、要求の厳しい使用環境には適していません。対照的に、セラミック絶縁材料は、高い機械的強度、環境老化に対する耐性、広いバンドギャップ、高い温度耐性を備えており、過酷な条件下でのポリマー絶縁の限界を克服します。-
溶射はセラミック絶縁コーティングを調製するための主要な技術であり、高い蒸着効率、金属部品のサイズの制限が最小限であること、生産コストが低いなどの利点があります。溶射セラミックコーティングの全体的な性能は、コーティング材料の選択、処理パラメータ、後処理方法によって決まります。-
特定の用途環境に適したコーティング材料を選択することが重要です。一般にセラミックス絶縁塗料には、高絶縁耐力、高体積抵抗率、適度な比誘電率、低誘電損失率、高弾性率、耐衝撃性、耐食性が求められます。一般的に使用される絶縁被覆材は次のとおりです。
1. 高純度アルミナ-
Al₂O₃ セラミックは、高い機械的強度、良好な熱伝導率、高い絶縁強度と抵抗率、低い誘電損失、および比較的高い誘電率を特徴としています。特に、その誘電特性は温度や電圧周波数が変化しても安定しているため、Al2O3 は最も広く使用されている絶縁コーティング材料となっています。
Al2O3 粉末の純度はコーティング中の不純物含有量を決定し、それがコーティングの絶縁性能に影響を与えます。粉末中の一般的な不純物には、SiO2、Na2O、CaO、Fe2O3、および MgO が含まれます。これらの中でも、Na⁺やK⁺などの小さな-直径のイオンは、コーティング内でより大きな移動度を持ち、Al₂O₃コーティングの絶縁抵抗を大幅に低下させます。
さらに、Al2O3 は、 、 、 、 δ、 κ、 θ を含む複数の結晶相で存在します。溶射に使用される Al₂O₃ 粉末は、通常、高温で焼成された純粋な - 相の材料です。-。ただし、スプレー中に粉末が部分的または完全に溶けて基材表面に衝突し、冷却されて堆積してコーティングが形成されます。このプロセスでは、大量の準安定相、主に - 相と少量の - 相が生成されます。研究によると、粉末の未溶融部分は - 相を保持しますが、溶融部分は - 相の低臨界核生成仕事により、急速凝固時に優先的に - 相の柱状粒子を形成します。したがって、粉末の溶解がより完全に行われるほど、コーティング内の - 相の含有量が高くなります。要約すると、溶射された Al2O3 コーティングに - 相が必然的に存在すると、その絶縁性能が低下します。これは、スプレー方法、プロセスパラメータ、または粉末構造を調整することで軽減できます。
2. ドープされた Al₂O₃
高純度 Al₂O₃ 粉末から作られたコーティングは高い絶縁性能を示しますが、蓄積された応力が高いため、衝撃や振動負荷に対する耐性が劣ります。{0}}さらに、高純度の Al₂O₃ は高価であり、融点が高いため、堆積効率が低くなり、溶射コストが高くなります。研究によると、適量の他の元素 (Mg、Ti など) を添加すると、絶縁性能は多少犠牲になりますが、粉末の融点が下がり、コーティング密度が向上することが示されています。したがって、より高い機械的性能を必要とする用途には、ドープされた Al2O3 材料が選択される場合があります。
マグネシア-ドープアルミナ– MgO と Al2O3 は、融解特性が一致するスピネル (MgAl2O4) を形成できます。 Al2O3粉末に一定量のMgOを添加すると、初期溶融温度が下がり、その結果、垂直亀裂が少なく密度の高いコーティングが得られます。一方、絶縁性の高い MgAl2O4 スピネルの存在により、コーティング内の -Al2O3 含有量が減少します。したがって、Al2O3 に適切な量の MgO をドープすると、コーティングの絶縁性と機械的特性の両方を包括的に改善できます。
チタニア-ドープアルミナ– TiO2 を Al2O3 に添加すると、粉末の融点が下がり、コーティング密度と蒸着効率が向上し、衝撃靱性を高める TiAl2O5 相が形成されます。 TiO₂ も比較的安価です。さらに、TiO₂ ドーピングにより、-Al₂O₃ から準安定 -Al₂O₃ への変態が部分的に抑制され、コーティング内の - 相含有量が減少します。ただし、ドープされたコーティング内の Ti イオンは、その絶縁性能を大幅に低下させます。したがって、絶縁性と機械的特性のバランスが必要な場合は、低コストの TiO₂- ドープ Al₂O₃ コーティング材料を検討してください。 TiO₂ 含有量は、絶縁性と機械的特性の両方に大きく影響します。一般的なドーピング レベルには、13 wt.% および 0.2 wt.% 以下が含まれます。 13 wt.% の TiO₂ を含むコーティングは、より高い靭性と耐摩耗性を示しますが、絶縁性能は低くなります。 3 wt.% TiO₂ のドーピング レベルにより、絶縁性と耐衝撃性の組み合わせが提供されます。実験研究によると、室温から液体窒素までの熱衝撃サイクルを 10 回繰り返した後、コーティングの抵抗率は低下したが、コーティングに亀裂は見られませんでした。これは、3 wt.% TiO₂- ドープ Al₂O₃ コーティングは高密度であるため、絶縁性能の大幅な低下を回避できる一方、TiO₂ 含有量が高くなると絶縁性が大幅に低下することを示しています。
正方晶ジルコニア強化– ジルコニア-強化アルミナ (ZTA) では、正方晶 ZrO₂ (部分安定化ジルコニア) は室温で保持できます。外部応力下では、亀裂の伝播を妨げる体積膨張とせん断応力を伴い、単斜相へのマルテンサイト変態が起こり、セラミックの曲げ強度と破壊靱性が向上します。 1650 度以下では、Al2O3 と ZrO2 は両方とも安定しており、固溶体はほとんど存在しません。 1650 度を超えると限られた固溶体が発生し、組成範囲全体で化学反応は起こりません。部分的に安定化された ZrO₂ は酸素イオン移動度が比較的高いため、そのドーピング レベルはコーティングの絶縁性能に大きく影響します。
3. その他の素材
近年、Y2O3はその高い絶縁性と耐食性により、半導体産業における保護コーティングとして広く研究されています。さらに、MgO-をドープしたAl₂O₃絶縁コーティングに関する研究により、MgAl₂O₄が優れた絶縁特性を示すことが明らかになりました。
Y₂O₃– イットリアは室温で 5.5 eV のバンドギャップを持ち、一般的な絶縁コーティング材料です。{0} Al2O3 と比較すると、Y2O3 は機械的強度が低いですが、比誘電率 (~10) と損失係数 (<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– アルミン酸マグネシウムスピネルは、高温で形成される MgO と Al₂O₃ の等モル化合物です。機械的強度、化学的安定性、絶縁性に優れており、絶縁被覆に適しています。溶射 MgAl2O4 粉末は通常、AlO(OH) と Mg(OH)2 の反応焼結、その後の噴霧乾燥および二次緻密化焼結によって製造されます。溶射された MgAl2O4 コーティングの相構造は粉末の相構造と同じままであり、組成の均一性が保証されます。