Electrical Insulation Properties of Aluminum Oxide Detonation Coatings

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. There are different thermal spray techniques used for formation of electrically insulated oxide ceramic coatings: flame spraying, plasma spraying, HVOF, detonation spraying, etc. The nature of electrical conductivity of thermal spray coatings, including those made by detonation spraying, as well as the impact of composition of the used detonating mixture, are important and not yet fully understood questions. It is found experimentally, that electric conductivity of alumina coating depends not only on the spraying mode and coating structure, but on the humidity and temperature of surrounding atmosphere as well. However, there is no physical model describing a mechanism of coating electrical conduction with regard to the said factors; thus, there is a topical problem of theoretical explanation of experimental data. The purpose of the work is to investigate the electrical insulation properties of alumina coatings made by detonation spraying, to study an impact of detonating mixture composition on coating electrical conduction, and to build a physical model enabling a quantitative estimation of specific volume resistivity of coating. Detonation coatings made using the CCDS2000 detonation device from the М40 Super corundum powder are investigated, it is produced using acetylene-oxygen mixtures with different content of components. The methods of investigation. Research techniques included measurements of coating porosity, specific volume resistivity and dielectric strength. The obtained data is used for the development of the model, describing the conductivity of detonation coating considering defects of structure. Results and discussion. The difference in properties of the coatings formed in a wide range of oxygen-to-fuel molar ratios (from 1.0 to 5.0) is not observed. The hypothesis is suggested, that electrical conduction of coatings is due to the presence of defects – microchannels filled with adsorbed water. Specific resistivity of coatings is (0.3-1.3)·1010 Ohm·cm, conditional dielectric strength is 5-6 kV for the coating thickness of 240-300 mcm. Here we call the dielectric strength a conditional one, because the samples are not brought to the breakdown in the usual sense, when the values of breakdown current are greater than hundreds of milliampere, and even dozens of ampere. It is considered that there is a breakdown, when a current passing through the probe is greater than 1 mA, this current is already perceptible for a human. Based on the experimental data and on the suggested hypothesis the model is proposed, according to which there are defects in a coating volume in a form of through microchannels, the area of which covers 0.5-2% of coating surface, and its transverse size is of 24-105 mcm. Microchannels are filled with water, which is adsorbed from atmosphere and the main current passes through these microchannels when voltage is applied. Specific resistivity of water at conditional breakdown has a value of the order of 105 Ohm·cm. Scientific importance of the obtained results lies in explaining the reasons of lower resistance of thermally sprayed coatings compared to the sintered non-porous aluminum oxide ceramics (more than 1014 Ohm·cm). Practical significance of the obtained results lies in the possibility to use acetylene-oxygen mixtures with different combination of components without compromising the quality of electrically insulated coatings.

About the authors

V. Y. Ulianitsky

Email: ulianv@mail.ru
D.Sc. (Engineering), Associate Professor, Lavrentyev Institute of Hydrodynamics of the Siberian Branch of the RAS, ulianv@mail.ru

A. A. Shtertser

Email: asterzer@mail.ru
D.Sc. (Physics and Mathematics), Associate Professor, Lavrentyev Institute of Hydrodynamics of the Siberian Branch of the RAS, asterzer@mail.ru

I. S. Batraev

Email: ibatraev@gmail.com
Lavrentyev Institute of Hydrodynamics of the Siberian Branch of the RAS, ibatraev@gmail.com

References

  1. Fauchais P.L., Heberlein J.V.R., Boulos M.I. Thermal spray fundamentals: from powder to part. – New York: Springer Science+Business Media, 2014. – 1565 p. – ISBN 978-0-387-28319-7.
  2. Deposition of dense ceramic coatings by detonation spraying / V.Yu. Ulianitsky, A.A. Shtertser, I.S. Batraev, I. Smurov // ITSC-2014 Proceedings. – Barcelona, Spain, 2014. – P. 349–352. – (DVS-Berichte; vol. 302). – ISBN 978-3-87155-574-9.
  3. Nieme K., Vuoristo P., Mantyla T. Properties of alumina-based coatings deposited by plasma spray and detonation gun spray process // Journal of Thermal Spray Technology. – 1994. – Vol. 3, iss. 2. – P. 199–203. – doi: 10.1007/BF02646266.
  4. Development of catalytic converters using detonation spraying / V. Ulianitsky, A. Shtertser, V. Sadykov, I. Smurov // Materials and Manufacturing Processes. – 2016. – Vol. 31, iss. 11. – P. 1433–1438. – doi: 10.1080/10426914.2016.1151041.
  5. Edge effect on crack patterns in thermally sprayed ceramic splats / L. Chen, G.-J. Yang, C.-X. Li, C.-J. Li // Journal of Thermal Spray Technology. – 2017. – Vol. 26, iss. 3. – P. 302–314. – doi: 10.1007/s11666-016-0505-6.
  6. Chen L., Yang G.-J. Epitaxial growth and cracking mechanisms of thermally sprayed ceramic splats // Journal of Thermal Spray Technology. – 2018. – Vol. 27, iss. 3. – P. 255–268. – doi: 10.1007/s11666-018-0692-4.
  7. Computer-controlled detonation spraying: from process fundamentals toward advanced applications / V. Ulianitsky, A. Shtertser, S. Zlobin, I. Smurov // Journal of Thermal Spray Technology. – 2011. – Vol. 20, iss. 4. – P. 791–801. – doi: 10.1007/s11666-011-9649-6.
  8. Pawlowski L. The relationship between structure and dielectric properties in plasma-sprayed alumina coatings // Surface and Coatings Technology. – 1988. – Vol. 35, iss. 3–4. – P. 285–298. – doi: 10.1016/0257-8972(88)90042-4.
  9. Effect of temperature and humidity on dielectric properties of thermally sprayed alumina coatings / M. Niittymäki, K. Lahti, T. Suhonen, J. Metsäjoki // IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. – 2018. – Vol. 25, iss. 3. – P. 908–918. – doi: 10.1109/TDEI.2018.006892.
  10. Role of microstructure in dielectric properties of thermally sprayed ceramic coatings / M. Niittymäki, I. Rytöluoto, K. Lahti, J. Metsäjoki, T. Suhonen // Proceedings of the 1st International Conference on Dielectrics, ICD 2016. – Montpellier, France: IEEE, 2016. – P. 1102–1105. – doi: 10.1109/ICD.2016.7547811.
  11. Comparative study of the electrical properties and characteristics of thermally sprayed alumina and spinel coatings / F.L. Toma, S. Scheitz, L.M. Berger, V. Sauchuk, M. Kusnezoff, S. Thiele // Journal of Thermal Spray Technology. – 2011. – Vol. 20, iss. 1–2. – P. 195–204. – doi: 10.1007/s11666-010-9580-2.
  12. On the dielectric strengths of atmospheric plasma sprayed Al2O3, Y2O3, ZrO2 – 7% Y2O3 and (Ba,Sr)TiO3 coatings / J. Kotlan, R.C. Seshadri, S. Sampath, P. Ctibor, Z. Pala, R. Musalek // Ceramics International. – 2015. – Vol. 41, no. 9. – P. 11169–11176. – doi: 10.1016/j.ceramint.2015.05.066.
  13. Neusel C., Jelitto H., Schneider G.A. Electrical conduction mechanism in bulk ceramic insulators at high voltages until dielectric breakdown // Journal of Applied Physics. – 2015. – Vol. 117. – P. 154902(1)–154902(8). – doi: 10.1063/1.4917208.
  14. Gerson R., Marshall T.C. Dielectric breakdown of porous ceramics // Journal of Applied Physics. – 1959. – Vol. 30. – P. 1650–1653. – doi: 10.1063/1.1735030.
  15. Nikolaev Yu.A., Topchiyan V.E. Analysis of equilibrium flows in detonation waves in gases // Combustion, Explosion, and Shock Waves. – 1977. – Vol. 13, iss. 3. – P. 327–338. – doi: 10.1007/BF00740309.
  16. Aluminum oxide, Al2O3 ceramic properties [Electronic resource] // Accuratus Corporation: website. – URL: https://www.accuratus.com/alumox.html (accessed: 14.11.2018).
  17. Сколунов А.В. Геометрия воды и льда. – М.: Компания Спутник+, 2013. – 312 с. – ISBN 978-5-9973-2685-2.
  18. Балыгин И.Е. Электрическая прочность жидких диэлектриков. – М.; Л.: Энергия, 1964. – 227 с.
  19. Dielectric breakdown strength of thermally sprayed ceramic coatings: effects of different test arrangements / M. Niittymaki, K. Lahti, T. Suhonen, J. Metsajoki // Journal of Thermal Spray Technology. – 2015. – Vol. 24, iss. 3. – P. 542–551. – doi: 10.1007/s11666-014-0211-1.
  20. A novel γ-Al2O3 nano?ltration membrane via introducing hollow microspheres into interlayers for improving water permeability / W. Fu, X. Zhang, Y. Mao, T. Pei, B. Sun, S. Mei, L. Chen // Ceramics International. – 2018. – Vol. 44, iss. 13. – P. 15824–15832. – doi: 10.1016/j.ceramint.2018.05.261.
  21. Microstructure and mechanical properties of plasma sprayed alumina-based coatings / G.Di Girolamo, A. Brentari, C. Blasi, E. Serra // Ceramics International. – 2014. – Vol. 40, iss. 8, part B. – P. 12861–12867. – doi: 10.1016/j.ceramint.2014.04.143.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».