Salutan penebat biasanya digunakan pada permukaan substrat logam untuk menyekat aliran arus atau berfungsi sebagai medium dielektrik dalam kapasitor. Bahan salutan penebat yang biasa digunakan termasuk polimer organik, seramik dan komposit. Salutan polimer mengalami kelemahan seperti mudah terdedah kepada penuaan, ketegaran mekanikal yang lemah, kekuatan pecahan yang rendah dan penguraian pada suhu tinggi, menjadikannya tidak sesuai untuk persekitaran perkhidmatan yang menuntut. Sebaliknya, bahan penebat seramik menawarkan kekuatan mekanikal yang tinggi, ketahanan terhadap penuaan alam sekitar, jurang jalur yang luas dan -toleransi suhu yang tinggi, mengatasi had penebat polimer dalam keadaan yang teruk.
Penyemburan terma ialah teknik utama untuk menyediakan salutan penebat seramik, menawarkan kelebihan seperti kecekapan pemendapan yang tinggi, sekatan minimum pada saiz komponen logam, dan kos pengeluaran yang rendah. Prestasi keseluruhan salutan seramik yang disembur secara haba bergantung pada pilihan bahan salutan, parameter pemprosesan dan{1}}kaedah rawatan selepas.
Memilih bahan salutan yang sesuai untuk persekitaran aplikasi tertentu adalah kritikal. Secara amnya, bahan salutan penebat seramik diperlukan untuk memiliki kekuatan dielektrik yang tinggi, kerintangan isipadu tinggi, ketelusan relatif sederhana, faktor kehilangan dielektrik rendah, modulus keanjalan tinggi, rintangan hentaman dan rintangan kakisan. Bahan salutan penebat yang biasa digunakan adalah seperti berikut:
1. Alumina-Ketulenan Tinggi
Seramik Al₂O₃ mempunyai kekuatan mekanikal yang tinggi, kekonduksian terma yang baik, kekuatan penebat dan kerintangan yang tinggi, kehilangan dielektrik yang rendah, dan pemalar dielektrik yang agak tinggi. Terutamanya, sifat dielektriknya kekal stabil dengan perubahan suhu dan kekerapan voltan, menjadikan Al₂O₃ bahan salutan penebat yang paling banyak digunakan.
Ketulenan serbuk Al₂O₃ menentukan kandungan kekotoran dalam salutan, yang seterusnya menjejaskan prestasi penebat salutan. Kekotoran biasa dalam serbuk termasuk SiO₂, Na₂O, CaO, Fe₂O₃, dan MgO. Antaranya, ion berdiameter kecil-seperti Na⁺ dan K⁺ mempunyai mobiliti yang lebih besar dalam salutan dan mengurangkan rintangan penebat salutan Al₂O₃ dengan ketara.
Selain itu, Al₂O₃ wujud dalam pelbagai fasa kristal, termasuk , , , δ, κ, dan θ. Serbuk Al₂O₃ yang digunakan untuk penyemburan haba biasanya adalah bahan fasa -tulen bersuhu tinggi yang dikalsinasi. Walau bagaimanapun, semasa penyemburan, serbuk sebahagian atau sepenuhnya cair dan memberi kesan kepada permukaan substrat, menyejukkan dan memendap untuk membentuk salutan. Proses ini menghasilkan sejumlah besar fasa metastabil, terutamanya -fasa bersama-sama dengan sejumlah kecil -fasa. Kajian menunjukkan bahawa bahagian serbuk yang tidak cair mengekalkan fasa -, manakala bahagian cair lebih suka membentuk butiran kolumnar fasa - apabila pemejalan pantas disebabkan oleh kerja penukleasian kritikal yang lebih rendah daripada fasa -. Oleh itu, semakin lengkap peleburan serbuk, semakin tinggi -kandungan fasa dalam salutan. Ringkasnya, kehadiran fasa -yang tidak dapat dielakkan dalam salutan Al₂O₃ yang disembur secara haba mengurangkan prestasi penebatnya. Ini boleh dikurangkan dengan melaraskan kaedah penyemburan, parameter proses atau struktur serbuk.
2. Doped Al₂O₃
Salutan yang diperbuat daripada serbuk Al₂O₃ ketulenan tinggi -tinggi mempamerkan prestasi penebat yang tinggi tetapi mengalami rintangan yang lemah terhadap hentaman dan beban getaran disebabkan oleh tegasan terkumpul yang tinggi. Selain itu,-ketulenan tinggi Al₂O₃ adalah mahal, dan takat leburnya yang tinggi membawa kepada kecekapan pemendapan yang rendah dan kos penyemburan yang tinggi. Penyelidikan menunjukkan bahawa menambah jumlah sederhana unsur lain (cth, Mg, Ti) boleh menurunkan takat lebur serbuk dan meningkatkan ketumpatan salutan, walaupun pada kos beberapa prestasi penebat. Oleh itu, untuk aplikasi yang memerlukan prestasi mekanikal yang lebih tinggi, bahan Al₂O₃ terdop boleh dipilih.
Magnesia-didopkan Alumina– MgO dan Al₂O₃ boleh membentuk spinel (MgAl₂O₄) dengan ciri lebur yang kongruen. Menambah sejumlah MgO pada serbuk Al₂O₃ merendahkan suhu lebur awal, menghasilkan salutan dengan retakan menegak yang lebih sedikit dan ketumpatan yang lebih tinggi. Sementara itu, kehadiran spinel MgAl₂O₄ yang sangat penebat mengurangkan kandungan -Al₂O₃ dalam salutan. Oleh itu, doping Al₂O₃ dengan jumlah MgO yang sesuai boleh meningkatkan kedua-dua penebat dan sifat mekanikal salutan secara menyeluruh.
Titania-didopkan Alumina– Menambah TiO₂ kepada Al₂O₃ merendahkan takat lebur serbuk, meningkatkan ketumpatan salutan dan kecekapan pemendapan, dan membentuk fasa TiAl₂O₅ yang meningkatkan keliatan impak. TiO₂ juga agak murah. Selain itu, doping TiO₂ menyekat sebahagian perubahan daripada -Al₂O₃ kepada -Al₂O₃ metastabil, mengurangkan -kandungan fasa dalam salutan. Walau bagaimanapun, ion Ti dalam salutan doped merosot dengan ketara prestasi penebatnya. Oleh itu, apabila keseimbangan antara penebat dan sifat mekanikal diperlukan,-kos bahan salutan Al₂O₃ berdop yang lebih rendah-boleh dipertimbangkan. Kandungan TiO₂ memberi kesan ketara kepada kedua-dua penebat dan sifat mekanikal. Tahap doping biasa termasuk 13 wt.% dan Kurang daripada atau sama dengan 0.2 wt.%. Salutan dengan 13 wt.% TiO₂ mempamerkan keliatan dan rintangan haus yang lebih tinggi tetapi prestasi penebat yang lebih rendah. Tahap doping 3 wt.% TiO₂ menyediakan gabungan penebat dan rintangan hentaman. Kajian eksperimen menunjukkan bahawa selepas 10 kitaran kejutan haba dari suhu bilik kepada nitrogen cecair, salutan tidak menunjukkan keretakan, walaupun kerintangannya menurun. Ini menunjukkan bahawa salutan Al₂O₃ 3 wt.% TiO₂-didopkan, kerana ketumpatannya yang tinggi, mengelakkan kejatuhan ketara dalam prestasi penebat, manakala kandungan TiO₂ yang lebih tinggi mengurangkan penebat dengan ketara.
Pengetatan Zirkonia Tetragonal– Dalam Zirkonia-Alumina Teguh (ZTA), tetragonal ZrO₂ (zirkonia separa stabil) boleh dikekalkan pada suhu bilik. Di bawah tegasan luaran, ia mengalami transformasi martensit kepada fasa monoklinik, disertai dengan pengembangan isipadu dan tegasan ricih yang menghalang perambatan retak, dengan itu meningkatkan kekuatan lentur dan keliatan patah seramik. Di bawah 1650 darjah, kedua-dua Al₂O₃ dan ZrO₂ adalah stabil dan mempamerkan sedikit larutan pepejal; hanya melebihi 1650 darjah penyelesaian pepejal terhad berlaku, tanpa tindak balas kimia merentasi julat komposisi. ZrO₂ yang separa stabil mempunyai mobiliti ion oksigen yang agak tinggi, jadi tahap dopingnya sangat mempengaruhi prestasi penebat salutan.
3. Bahan Lain
Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, Y₂O₃ telah dikaji secara meluas sebagai salutan pelindung dalam industri semikonduktor kerana penebatnya yang tinggi dan rintangan kakisan. Selain itu, penyelidikan ke atas salutan penebat Al₂O₃ MgO-doped telah mendedahkan bahawa MgAl₂O₄ mempamerkan sifat penebat yang sangat baik.
Y₂O₃– Yttria mempunyai-celah jalur suhu bilik 5.5 eV dan merupakan bahan salutan penebat biasa. Berbanding dengan Al₂O₃, Y₂O₃ mempunyai kekuatan mekanikal yang lebih rendah tetapi kebolehtelapan relatif yang serupa (~10) dan faktor kehilangan (<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– Magnesium aluminat spinel ialah sebatian equimolar MgO dan Al₂O₃ yang terbentuk pada suhu tinggi. Ia mempunyai kekuatan mekanikal yang tinggi, kestabilan kimia, dan sifat penebat, menjadikannya sesuai untuk salutan penebat. Serbuk MgAl₂O₄ semburan terma biasanya dihasilkan melalui pensinteran tindak balas AlO(OH) dan Mg(OH)₂, diikuti dengan pengeringan semburan dan pensinteran ketumpatan sekunder. Struktur fasa salutan MgAl₂O₄ yang disembur secara terma kekal sama seperti serbuk, memastikan keseragaman komposisi.