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Metastable Phase Formation, Microstructure, and Dielectric Properties in Plasma-Sprayed Alumina Ceramic Coatings

  • The need for new solutions for electrical insulation is growing due to the increased electrification in numerous industrial sectors, opening the door for innovation. Plasma spraying is a fast and efficient way to deposit various ceramics as electrical insulators, which are used in conditions where polymers are not suitable. Alumina (Al2O3) is among the most employed ceramics in the coating industry since it exhibits good dielectric properties, high hardness, and high melting point, while still being cost-effective. Various parameters (e.g., feedstock type, spray distance, plasma power) significantly influence the resulting coating in terms of microstructure, porosity, and metastable phase formation. Consequently, these parameters need to be investigated to estimate the impact on the dielectric properties of plasma-sprayed alumina coatings. In this work, alumina coatings with different spray distances have been prepared via atmospheric plasma spray (APS) on copper substrates. TheThe need for new solutions for electrical insulation is growing due to the increased electrification in numerous industrial sectors, opening the door for innovation. Plasma spraying is a fast and efficient way to deposit various ceramics as electrical insulators, which are used in conditions where polymers are not suitable. Alumina (Al2O3) is among the most employed ceramics in the coating industry since it exhibits good dielectric properties, high hardness, and high melting point, while still being cost-effective. Various parameters (e.g., feedstock type, spray distance, plasma power) significantly influence the resulting coating in terms of microstructure, porosity, and metastable phase formation. Consequently, these parameters need to be investigated to estimate the impact on the dielectric properties of plasma-sprayed alumina coatings. In this work, alumina coatings with different spray distances have been prepared via atmospheric plasma spray (APS) on copper substrates. The microstructure, porosity, and corresponding phase formation have been analyzed with optical microscopy, X-ray diffraction (XRD), and scanning electron microscopy (SEM). Moreover, we present an in-depth analysis of the fundamental dielectric properties e.g., direct current (DC) resistance, breakdown strength, dielectric loss tangent, and permittivity. Our results show that decreasing spray distance reduces the resistivity from 6.31 × 109 Ωm (130 mm) to 6.33 × 108 Ωm (70 mm), while at the same time enhances the formation of the metastable δ-Al2O3 phase. Furthermore, space charge polarization is determined as the main polarization mechanism at low frequencies.zeige mehrzeige weniger

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Autor*innen:P. JungeORCiD, M. Greinacher, D. KoberORCiD, Patrick StargardtORCiD, C. Rupprecht
Dokumenttyp:Zeitschriftenartikel
Veröffentlichungsform:Verlagsliteratur
Sprache:Englisch
Titel des übergeordneten Werkes (Englisch):Coatings
Jahr der Erstveröffentlichung:2022
Organisationseinheit der BAM:5 Werkstofftechnik
5 Werkstofftechnik / 5.4 Multimateriale Fertigungsprozesse
Veröffentlichende Institution:Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM)
Verlag:MDPI
Verlagsort:Basel
Jahrgang/Band:12
Aufsatznummer:1847
Erste Seite:1
Letzte Seite:15
DDC-Klassifikation:Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / Ingenieurwissenschaften / Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Freie Schlagwörter:Alumina; Dielectric properties; Plasma spray
Themenfelder/Aktivitätsfelder der BAM:Material
Material / Additive Fertigung
DOI:10.3390/coatings12121847
URN:urn:nbn:de:kobv:b43-564394
ISSN:2079-6412
Verfügbarkeit des Dokuments:Datei für die Öffentlichkeit verfügbar ("Open Access")
Lizenz (Deutsch):License LogoCreative Commons - CC BY - Namensnennung 4.0 International
Datum der Freischaltung:01.12.2022
Referierte Publikation:Ja
Datum der Eintragung als referierte Publikation:17.01.2023
Schriftenreihen ohne Nummerierung:Wissenschaftliche Artikel der BAM
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