中国粉体网讯 绝缘涂层通常制备在金属基构件表面，用于隔绝电流通过或作为电容介质使用。常用的绝缘涂层材料有有机聚合物、陶瓷材料以及复合材料等。聚合物涂层材料存在易老化、机械刚性差、击穿强度低以及高温下易分解等缺点，难以满足服役环境严苛的应用场合。而陶瓷绝缘材料具有机械强度高、抗环境老化、禁带宽度大及耐高温等特性，弥补了聚合物绝缘难以满足的应用环境。
热喷涂作为主要的陶瓷绝缘涂层制备技术，具有涂层沉积效率高、金属构件尺寸限制小、制备成本低的优点。而热喷涂陶瓷涂层的综合性能表现取决于涂层材料、制备工艺、后处理方式的选择。
针对特定的应用环境选择合适的涂层材料至关重要。一般要求陶瓷绝缘涂层材料具有高介电强度、高体积电阻率、适中的相对介电常数、低介电损耗因子、高弹性模量、抗冲击、耐腐蚀等性质。常用的绝缘涂层材料如下：
1.高纯氧化铝
Al2O3陶瓷具有机械强度高、导热性能好、绝缘强度和电阻率高、介质损耗低及介电常数较高的特点，特别是其介电性能随温度和电压频率的变化比较稳定，是应用最为广泛的绝缘涂层材料。
Al2O3粉末的纯度决定了涂层中的杂质含量，进而影响涂层的绝缘性能。粉末中常见的杂质有SiO2、Na2O、CaO、Fe2O3、MgO等，其中Na离子、K离子等小直径离子在涂层中具有更大的自由度，会显著降低Al2O3涂层的绝缘电阻。
高纯氧化铝，来源：任丙科技
此外，Al2O3存在着α、β、γ、δ、κ、θ等多种晶型，热喷涂用Al2O3粉末为高温煅烧后的纯α相结构，但在喷涂过程中粉末需部分或完全熔化后与基体表面撞击冷却沉积形成涂层，该过程伴随着大量的亚稳相生成，主要是γ相及少量的β相。相关研究表明，涂层中粉末的未熔融部分保留了α相，而熔融部分在快速凝固时由于γ相更低的临界形核功而优先形成了γ相柱状晶。因此，粉末熔化越充分，涂层中γ相含量越高。总之，热喷涂Al2O3涂层不可避免存在的γ相降低了涂层的绝缘性能，可通过改变喷涂方法、工艺参数、粉末结构等方式降低γ相的含量。
总之，纯度高、缺陷少、稳定相含量高是Al2O3涂层高绝缘性能的特征要求。
2.掺杂态Al2O3
高纯Al2O3粉末制备的涂层绝缘性能高，但涂层累积应力大造成其抵抗冲击振动载荷能力较差。且存在原料价格较高、高熔点导致的沉积效率低和喷涂成本高等缺点。研究表明，通过适量掺杂其他元素（如Mg、Ti等）可以降低粉末熔点，提高涂层致密度，但会牺牲部分绝缘性能。因此，对于机械性能要求较高的场合，可选择掺杂态Al2O3材料。
掺杂氧化镁
MgO与Al2O3可形成尖晶石，具有一致熔融的特性。Al2O3粉末掺杂一定量MgO可降低初始熔融温度，使涂层具有更低纵向裂纹含量和更高致密度。同时，涂层中存在高绝缘性能的MgAl2O4尖晶石，降低了涂层中γ-Al2O3含量。因此，Al2O3 粉末掺杂一定量MgO可综合提高涂层的绝缘性能与机械性能。
掺杂氧化钛
Al2O3中掺杂TiO2可以降低粉末的熔点，提高涂层的致密度和沉积效率，同时生成TiAl2O5相可改善涂层的冲击韧性，且TiO2相对价格更低。另外掺杂TiO2可以部分抑制α-Al2O3向亚稳态γ-Al2O3转变，降低涂层中γ-Al2O3含量。但掺杂涂层中的Ti离子会显著降低涂层的绝缘性能。因此在综合考虑涂层绝缘性能与机械性能时，可选择较低成本的TiO2掺杂Al2O3涂层材料。
TiO2的掺杂量对涂层的绝缘性能与机械性能影响大，常见掺杂量为13wt.%、0.2 wt.%及以下。掺杂13wt.% TiO2的涂层具有更高的韧性和耐磨损性，但绝缘性能较低。掺杂比例为3wt.%的涂层兼具绝缘性和耐冲击性，经实验研究表明，经过室温到液氮的10个冷热冲击循环后，涂层未出现裂纹，但电阻率降低了，说明掺杂3wt.% TiO2的Al2O3涂层由于其高致密度避免了绝缘性能的显著下降，但更高含量的掺杂会显著降低涂层绝缘性能。
四方相氧化锆增韧
在ZrO2增韧Al2O3陶瓷（ZTA）中，掺杂态四方相ZrO2（部分稳定氧化锆）可稳定至室温，在外力作用下发生马氏体相变转变为单斜相，伴随着的体积膨胀和切应力对裂纹扩展产生阻力，增强了陶瓷材料的抗弯强度和断裂韧性。在1650℃以下的温度，40TiAl2O3与ZrO2均能稳定存在，两者只有在1650℃以上才出现少量固溶，且在整个组成范围内不会发生化学反应。部分稳定ZrO2中氧离子运动的自由度较大，因此掺杂含量会极大影响涂层的绝缘性能。
3.其他材料
近年来，Y2O3由于其高绝缘性和耐刻蚀性，作为半导体工业常用的防护涂层被广泛研究。另外，从掺杂MgO的Al2O3涂层绝缘性能研究中发现MgAl2O4展现出高绝缘性能。
Y2O3
Y2O3的室温禁带宽度为5.5eV，是常用的绝缘涂层材料。相比于Al2O3，Y2O3的力学强度较低，但具有相似的相对介电常数(10)和损耗因子（＜1×10-4 ） 。有研究比较了Al2O3、Y2O3及YSZ等离子喷涂涂层的50Hz下交流击穿强度，发现Y2O3涂层的击穿强度（17.3kV/mm）略高于Al2O3（16.6kV/mm），均明显高于YSZ的击穿强度（11.1kV/mm）。以上结果表明，Y2O3与Al2O3具有相近的绝缘性能，但其力学强度较低，适用于非承载绝缘涂层。
MgAl2O4
MgAl2O4是等摩尔比的MgO和Al2O3在高温下生成的尖晶石型化合物，具有较高的机械强度、化学稳定性及绝缘性能，可用作绝缘涂层材料。热喷涂用MgAl2O4粉末一般通过AlO(OH)和Mg（OH）2反应烧结、喷雾干燥与二次致密化烧结而成。热喷涂涂层中MgAl2O4相结构与粉末相结构相同，保证了涂层成分的均匀性。
来源：
韩波涛等：热喷涂陶瓷绝缘涂层的研究现状与展望
（中国粉体网编辑整理/空青）
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