雷射處理的導電襯底及其預先處理方法與製造工藝
2023-05-30 13:11:51 1
本文描述的主題一般涉及預先處理導電襯底以便在其上接合非金屬材料的方法，並且更具體地說，涉及製造導體組件的方法以及製造導體組件的方法。它同樣涉及製備用於在其上接合非金屬材料的導電襯底以及供固體絕緣部件使用的金屬插入物、絕緣體-導體組件和氣體絕緣的開關裝置站。除此之外，它涉及經處理導電襯底的用於在其上接合非金屬材料的使用，並且具體地說，涉及其在電力系統中的使用，例如在電力傳送系統（諸如例如發電機電路斷路器或氣體絕緣的開關裝置站）中的使用。
背景技術：
電氣部件的操作壽命可能受電氣系統操作期間出現的機械應變的影響。這種機械應變例如可能由電氣操作期間產生的熱應力引起。這些機械應變在電力系統（例如在配置成承載由高壓產生的電流的電力傳送系統）中可能特別高，所述電力傳送系統諸如例如是發電機電路斷路器或氣體絕緣的開關裝置站。可能特別受機械應變影響的一個單元是導電襯底與機械接合到導電襯底的非金屬材料之間的界面。其一個示例是絕緣體-導體組件中的接合界面。因此，絕緣體-導體接合界面能夠抵抗高機械應變是符合需要的。這尤其適用於配置成承載高電流的組件。對機械應變的順應性應該特別高的電氣部件的一個示例是由金屬插入物所形成的組件與澆鑄環氧絕緣體的絕緣體-導體接合界面，其例如用於高壓應用中的可靠電力傳送。鑑於此，導電襯底（諸如鋁襯底）可能在其上接合非金屬材料(例如環氧絕緣體)之前進行蝕刻或噴砂，以便改進接合界面中的粘附力。然而，此類方法一般帶來一些缺點。例如，對於一些具體應用，蝕刻或噴砂可能未在接合界面中提供適當粘附力。進一步說，常規的預先處理方法可能需要使用毒性物質，諸如用於蝕刻的液體酸，其可能對健康或環境有害。除此之外，這些方法中的一些方法可能涉及附加製造步驟，尤其是清潔步驟，由此增加了製造成本。因此，希望有用於製備用於在其上接合非金屬材料的導電襯底的替換方法以及具有適當接合界面的、用於在其上接合非金屬材料的襯底。
技術實現要素：
本文描述的實施例包含一種預先處理導電襯底以便在其上接合非金屬材料的方法。所述方法包含：(a)將襯底放置在雷射源的雷射範圍中；以及b)用來自雷射源的雷射照射襯底的表面。由此，在襯底表面上形成微結構。微結構具有如下項中的至少一項：a)至少0.2μm-1的I/Ra比率，I是表面指數，Ra是平均粗糙度；或b)至少0.03μm-1的I/Rz比率，I是表面指數，Rz是平均峰到谷距離。根據本公開，表面指數對應於表面的真實面積(即考慮了由表面上形成的微結構所增加的附加面積)與表面的平坦面積(即沒有粗糙度的表面的虛面積)的比率。表面指數可使用具有預先確定的放大因子的白光幹擾計進行測量，如在說明書中所進一步詳述的。根據本公開的預先處理通常用於製備用於在其上接合非金屬材料的襯底表面。由此，便於導電襯底與非金屬材料之間的適當接合。在又一實施例中，提供了導電襯底。該導電襯底包含配置用於在其上接合非金屬材料的襯底表面。而且，所述襯底表面包含通過用雷射照射可獲得的雷射引發的微結構。微結構具有如下項中的至少一項：a)至少0.2μm-1的I/Ra比率，I是表面指數，Ra是平均粗糙度；或b)至少0.03μm-1的I/Rz比率，I是表面指數，Rz是平均峰到谷距離。根據本文實施例的導電襯底其特徵在於所形成的微結構的形態。本公開的發明人已經發現，根據本文實施例的雷射引發的微結構示出了具體表面性質，這是通過其它預先處理方法所不能實現的。例如，根據本文實施例的雷射引發的微結構通常其特徵在於圓化特徵。具體地說，本文實施例可示出與通過其它預先處理方法（諸如噴砂(也稱為噴鋼砂、噴沙、噴珠或介質噴射)）產生的微結構相比陡邊的數量減少了。而且，本公開的發明人已經驚訝地發現，根據本文實施例的包含具有雷射引發的微結構的襯底表面的導電襯底通常不太容易遭受電老化效應。具體地說，如上所述，相比其它預先處理方法，看來本文的實施例產生了數量減少的陡邊。看起來，襯底表面中的此類陡邊可在襯底作為導體操作期間引發峰值電壓。這些峰值電壓可引起由導致電老化的電熱效應引起的對導體的損壞。電老化可負面地影響導電襯底或與之關聯的其它單元的操作壽命。因此，根據本文實施例製造的襯底便於電氣設備的可靠操作。鑑於此，本文的實施例還考慮在高壓設備中使用如上所述的導電襯底。根據本文實施例的經雷射預先處理的導電襯底可用於在其上接合非金屬材料。在一些實施例中，提供了製造導體組件的方法。導體組件包含導電襯底和非金屬材料。製造方法包含：根據上面描述的預先處理導電襯底以便在其上接合非金屬材料的方法來預先處理所述導電襯底。製造方法進一步包含將非金屬材料接合到所述導電襯底的表面。由此，便於導體組件的比較簡單的製造工藝。進一步說，通常此類製造工藝不需要使用毒性物質。進一步說，此類製造工藝通常便於導電襯底與非金屬材料之間的適當接合。具體地說，該接合便於足夠高的粘附力以及汙染物顆粒的減少。在其它實施例中，提供了絕緣體-導體組件。絕緣體-導體組件包含如上所述的導電襯底。具體地說，該襯底可包含具有如上所述的雷射引發的微結構的襯底表面。絕緣體-導體組件進一步包含接合到襯底表面的電絕緣材料的絕緣體本體。根據本文實施例的組件通常不太容易遭受電老化，使得可改進組件的操作壽命。鑑於此，本文的實施例還考慮在高壓設備中使用如上所述的絕緣體-導體組件。具體地說，根據本文實施例的絕緣體-導體組件可用在電力系統中，例如電力傳送系統中，所述電力傳送系統諸如例如是發電機電路斷路器或氣體絕緣的開關裝置站中。在一些實施例中，提供了包含如上所述的絕緣體-導體組件的氣體絕緣的開關裝置站。絕緣體-導體組件的導電襯底配置用於在電流中斷事件期間承載中斷電流。根據本文實施例的包含絕緣體-導體組件的氣體絕緣的開關裝置站通常不太容易遭受通過由中斷電流所產生的高熱應力來引起的損壞。在又一實施例中，提供了金屬插入物供發電機電路斷路器或氣體絕緣的開關裝置站的固體絕緣部件使用。金屬插入物包含上面描述的導電襯底。對根據本文實施例的金屬插入物的使用通常便於發電機電路斷路器或氣體絕緣的開關裝置站的特別可靠的操作。本發明的另外方面、優點和特徵根據說明書和附圖將顯而易見。附圖說明在說明書的其餘部分（包含對附圖的參考），更具體地闡述了對本領域技術人員完整而能夠實現的公開，包含其最佳模式，在附圖中：圖1示意性示出了預先處理導電襯底的方法中的步驟；圖2示意性示出了根據本文實施例的示範導電襯底；圖3是例證製造導體組件的示範方法的流程圖；圖4示意性示出了通過圖3的方法製造的示範導體組件的截面圖；圖5示意性示出了圖4導體組件的一部分；圖6示意性示出了盤式絕緣體-導體組件；以及圖7示意性示出了示範高壓電力傳送系統的一部分。具體實施方式現在將詳細參考各種示範實施例，其一個或多個示例在各圖中例證了。每個示例是通過說明提供的，並不意味著限制。例如，作為一個實施例的一部分例證或描述的特徵可在其它實施例上或者結合其它實施例用於得出更進一步的實施例。意圖是，本公開包含此類修改和變化。在對附圖的如下描述內，相同的附圖標記指的是相同部件。一般而言，僅描述了相對於各個實施例的差異。圖1示意性示出了預先處理導電襯底12的示範方法。在示範方法中，襯底12被放置在雷射源16的雷射範圍17中。由此，可用來自雷射源16的雷射24照射襯底12的表面18。在示範方法中，通過用雷射24照射來預先處理襯底12的表面18。通常，襯底12和雷射24相對彼此移位，以便實現對至少一部分襯底12的預先處理。例如，可在襯底12的表面上掃描雷射24，如箭頭19所指示的。替換地，襯底12可在照射期間移動以便預先處理襯底12表面的延伸部分。襯底12的移動可包含沿軸移位和/或轉動。預先處理可包含襯底12和雷射源16的組合移位以便照射襯底12的延伸部分。例如，襯底12可轉動，同時沿具體軸掃描雷射源16。雷射24可從雷射源16直接聚焦到表面18上。替換地，雷射24可通過適當波導(未示出)被定向到表面18上。根據本文的實施例，用雷射24照射產生了表面18形態上的修改。具體地說，照射通常引起在襯底表面18上形成微結構20。所形成的微結構20通常使得它可在放大率在近似x25到x1500範圍的光學顯微鏡中觀察到。應該指出，根據本文實施例，在執行預先處理之前，表面18可能已經包含微結構，使得雷射照射產生對之前微結構的修改以形成的新的微結構。而且，用雷射照射可產生表面18上的附加表面修改或替換表面修改。具體地說，照射可產生對被照射表面的清潔。進一步說，照射可產生對表面18的化學改變。通常，所形成的微結構是本文描述的雷射處理的特性。具體地說，微結構20可具有至少0.2μm-1的I/Ra比率，I是表面指數，Ra是平均粗糙度。替換地，微結構20可具有至少0.03μm-1的I/Rz比率，或者除此之外，微結構20還可具有至少0.03μm-1的I/Rz比率，I是表面指數，Rz是平均峰到谷距離，如下面進一步討論的。根據本文實施例形成的微結構一般不能使用其它預先處理方法（諸如噴砂、鈍化、陽極化、電暈處理、蝕刻或它們的組合）形成。通常，雷射24的效應被限制到所照射表面。因此，根據本文實施例的預先處理方法便於有選擇的預先處理，其被約束到襯底12的接合區域。應該指出，涉及浸泡處理的預先處理方法不便於此類有選擇的預先處理。這特別適用於對幾何上複雜的襯底進行處理。浸泡處理一般涉及將整個部件浸沒在槽中，以使整個浸沒的表面受預先處理方法影響。涉及浸泡處理的預先處理方法包含陽極化和蝕刻。此類預先處理方法將需要使用掩膜以便有選擇地預先處理襯底12。這一般涉及複雜的工序。而且，襯底12的關鍵部分的不符合需要的預先處理可導致在其操作期間性能降低。根據實施例的預先處理方法便於以高空間準確度有選擇地預先處理襯底12，而無需使用掩膜。除此之外，並且與其它預先處理方法形成對比，本文所描述的雷射照射通常便於處理具有任何具體幾何形狀的襯底。根據本文的至少一些實施例，襯底12具有圓柱形幾何形狀。替換地，襯底12可具有具體應用所需的任何幾何形狀，諸如但不限於平面、圓柱形、盤狀或環形幾何形狀。根據具體應用，襯底12的整個表面都可被預先處理。替換地，襯底12的部分表面可被預先處理，如在下文所例證的。圖2示範性示出了根據本文實施例預先處理的導電襯底12。在示範實施例中，根據本文的實施例僅預先處理襯底12的中間部分22。通常，但不限於，僅襯底12的配置成接合到非金屬材料的部...