絕緣層包覆的鋁導(dǎo)電體、以及絕緣層和形成絕緣層的方法
【專利摘要】本發(fā)明提供具有非常高的比電阻和耐擊穿電壓的鋁導(dǎo)電體。本發(fā)明的鋁導(dǎo)電體包含由純鋁或鋁合金制成的基材和包覆該基材的外表面的絕緣層，其中所述絕緣層由在所述基材上形成且具有25m2/g以上比表面積的陽極氧化層構(gòu)成。在25m2/g以上的比表面積下，所述陽極氧化層的比電阻和耐擊穿電壓格外快速地升高。被這種陽極氧化層覆蓋的鋁導(dǎo)電體顯示高絕緣性能。此外，所述陽極氧化層具有優(yōu)異的耐熱性。因此，本發(fā)明的鋁導(dǎo)電體即使在高溫環(huán)境等中也顯示優(yōu)異的絕緣性能。
【專利說明】絕緣層包覆的鋁導(dǎo)電體、以及絕緣層和形成絕緣層的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及包覆有陽極氧化層的絕緣層包覆的鋁導(dǎo)電體、由所述陽極氧化層形成的絕緣層和形成所述絕緣層的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]已經(jīng)將導(dǎo)電體(絕緣層包覆的導(dǎo)電體)用作布線或馬達(dá)線圈(卷線)或線段。絕緣層包覆的導(dǎo)電體以釉質(zhì)涂覆的導(dǎo)電體為代表，除此之外，近來已經(jīng)使用更輕的絕緣層包覆的鋁導(dǎo)電體。在這種情況下，作為絕緣層，使用直接形成在鋁導(dǎo)電體的表面上的陽極氧化層。所述陽極氧化層由氧化鋁(防蝕鋁)制成且絕緣性能和耐熱性優(yōu)異。該優(yōu)點使得絕緣層包覆的鋁導(dǎo)電體完全有資格用作經(jīng)受高電壓和高溫的布線和裝置。
[0003]對于這種絕緣層包覆的鋁導(dǎo)電體，例如，參見以下專利文獻(xiàn)I。
[0004]引用列表
[0005]專利文獻(xiàn)
[0006]專利文獻(xiàn)1:日本特開2009-99450號公報
【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]技術(shù)問題
[0008]專利文獻(xiàn)I公開了一種鋁電線，所述鋁電線被氧化鋁膜絕緣涂覆，所述氧化鋁膜通過依次進(jìn)行陽極氧化、密封和熱處理而形成。專利文獻(xiàn)I還描述了通過進(jìn)行陽極氧化處理而促進(jìn)了氧化鋁膜的生長，所述陽極氧化處理使得可以在3~15A/dm2的電流密度和10~15V的脈沖電壓下在短時間內(nèi)流動大電流(參見[0012])。
[0009]然而，專利文獻(xiàn)I沒有描述由此形成的氧化鋁膜具有什么程度的絕緣電阻和耐電壓且沒有論述該膜的特性和絕緣性能。
[0010]鑒于上述，開發(fā)了本發(fā)明，且本發(fā)明的一個目的在于提供一種鋁導(dǎo)電體(絕緣層包覆的鋁導(dǎo)電體)，所述鋁導(dǎo)電體被陽極氧化層(氧化鋁膜)絕緣包覆，所述陽極氧化層在絕緣性能方面比常規(guī)陽極氧化層優(yōu)異。本發(fā)明的另一目的在于提供該絕緣層及其形成方法。
[0011]解決問題的手段
[0012]本發(fā)明人認(rèn)真地進(jìn)行了研究并進(jìn)行反復(fù)試驗以解決這些問題，結(jié)果，最近發(fā)現(xiàn)，如果陽極氧化層的比表面積達(dá)到預(yù)定值(臨界值)，則其絕緣性能快速變化。通過發(fā)展該成果，本發(fā)明人完成了以下發(fā)明。
[0013]〈〈絕緣層包覆的鋁導(dǎo)電體》
[0014](I)本發(fā)明的絕緣層包覆的鋁導(dǎo)電體包含由純鋁或鋁合金制成的基材和包覆該基材的外表面的絕緣層，其中所述絕緣層由在所述基材上形成且具有25m2/g以上比表面積的陽極氧化層構(gòu)成。
[0015](2)根據(jù)本發(fā)明的陽極氧化層具有非常高的絕緣性能。因此，與常規(guī)陽極氧化層的情況對比，可以在不改變絕緣層的層厚度的情況下提高耐擊穿電壓，且相反地，可以在不改變耐擊穿電壓的情況下減小絕緣層的層厚度。例如，在后一情況下，通過減小由陽極氧化層形成的絕緣層的厚度，可以整體提高導(dǎo)電體本身的線槽占空系數(shù)(slot space factor)和放熱性能。
[0016](3)雖然具有25m2/g以上比表面積的根據(jù)本發(fā)明的陽極氧化層的優(yōu)異絕緣性能的機(jī)理還不完全清楚，但目前認(rèn)為如下。本發(fā)明人進(jìn)行了認(rèn)真研究，發(fā)現(xiàn)在比表面積小于25m2/g的情況下和在比表面積大于25m2/g的情況下，陽極氧化層具有不同的形態(tài)。也就是說，在比表面積小于25m2/g的情況下，與在常規(guī)陽極氧化層的情況中一樣，陽極氧化層由在厚度方向上直地延伸的孔(直孔)構(gòu)成。在比表面積為25m2/g以上的情況下，陽極氧化層為由在厚度方向上延伸的非直孔的集合形成的多孔體。以這種方式，陽極氧化層的形態(tài)跨越特定的比表面積而變化，使得其絕緣性能如比電阻和耐擊穿電壓可能快速變化而超出爬電距離(creeping distance)的變化。
[0017]〈〈絕緣層》
[0018]本發(fā)明不僅可以被理解為絕緣層包覆的鋁導(dǎo)電體，而且可以被理解為包覆相關(guān)鋁導(dǎo)電體的由上述陽極氧化層形成的絕緣層。
[0019]〈〈形成絕緣層的方法》
[0020]本發(fā)明還可以被理解為形成上述絕緣層的方法。也就是說，本發(fā)明可以為絕緣層形成方法，所述方法包括層形成步驟，其中通過在酸性水溶液中對由以純鋁或鋁合金制成的基材構(gòu)成的陽極連續(xù)施加直流電壓，由此形成絕緣層。
[0021]〈〈其他》
[0022](I)在本說明書中提到的陽極氧化層的比表面積基于通過使用BET氮吸附法得到的計算值來規(guī)定。也就是說，根據(jù)流動法(載氣方法)，通過使用氦氣作為非吸附氣體且使用氮氣作為被吸附物，根據(jù)JISZ8830:2001進(jìn)行測量而獲得比表面積。在這種情況下，將樣品在100°C下脫氣30分鐘。此外，通過多點法對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行評價。如果比表面積為30m2/g以上、35m2/g以上、40m2/g以上、45m2/g以上或50m2/g以上，則為優(yōu)選的，因為可以更可靠地獲得具有高絕緣性能的陽極氧化層。
[0023](2)在本說明書中關(guān)于陽極氧化層的形態(tài)提到的“非直孔”是在厚度方向上延伸且不具有平滑內(nèi)壁表面、而是具有不規(guī)則的內(nèi)壁表面的孔(孔室)，使得陽極氧化層會在厚度方向上不在孔室間而在孔室內(nèi)被破碎。
[0024](3)除非另作說明，否則在本說明書中，“X~y”包括下限值X和上限值y。范圍“a~b”可以通過使用本說明書中描述的數(shù)值范圍中的各種值或任意值作為新的任意下限值或上限值而重新給出。【專利附圖】

【附圖說明】
[0025][圖1A]圖1A為顯示如何測量絕緣層的比電阻的示意圖。
[0026][圖1B]圖1B為顯示如何測量絕緣層的耐擊穿電壓的示意圖。
[0027][圖2A]圖2A為顯示陽極氧化層的比表面積與比電阻之間的關(guān)系的散布圖。
[0028][圖2B]圖2B為顯示陽極氧化層的比表面積與耐擊穿電壓之間的關(guān)系的散布圖。
[0029][圖3A]圖3A為顯示根據(jù)I號樣品的陽極氧化層的橫截面的電子顯微鏡照片。[0030][圖3B]圖3B為顯示根據(jù)Cl號樣品的陽極氧化層的橫截面的電子顯微鏡照片。【具體實施方式】
[0031]在本說明書中進(jìn)行的描述可以不僅適用于本發(fā)明的絕緣層包覆的鋁導(dǎo)電體，而且適用于絕緣層及其形成方法。如果基于方法限定產(chǎn)品的權(quán)利要求來進(jìn)行理解，則與方法相關(guān)的要素也可以與實體目標(biāo)相關(guān)?？梢韵虮景l(fā)明的上述要素中加入任意選自本說明書的一種或多種要素。哪一個實施方式是最佳的實施方式取決于對象、所需要的性能等。
[0032]〈〈陽極氧化層》
[0033]與常規(guī)陽極氧化層相比，根據(jù)本發(fā)明的陽極氧化層具有顯著更優(yōu)異的絕緣性能。雖然本發(fā)明不限制其形態(tài)等，但認(rèn)為所述陽極氧化層的形態(tài)等可以跨越如上所述的比表面積的特定值(臨界值)而發(fā)生變化。
[0034]可能不易于直接規(guī)定陽極氧化層的形態(tài)等。因此，在本說明書中，根據(jù)本發(fā)明的陽極氧化層通過使用其比表面積而間接規(guī)定。相反，如果陽極氧化層具有相同的比表面積，則它們具有相同的形態(tài)等；認(rèn)為該關(guān)系幾乎不受陽極氧化層的層形成過程以及條件和層厚度
等影響。
[0035]作為表示根據(jù)比表面積快速變化的陽極氧化層的絕緣性能的指標(biāo)，可以使用例如比電阻(電阻率)和耐電壓(耐擊穿電壓)。例如，跨越比表面積的臨界值，陽極氧化層的耐電壓可以改變3~6倍，且其比電阻可以改變100(102)~10000(104)倍。
[0036]雖然陽極氧化層的層厚度不受限制，但其應(yīng)優(yōu)選為約0.1~30微米且更優(yōu)選為約I~20微米，以在確保絕緣性能的同時提高馬達(dá)線圈的線槽占空系數(shù)(導(dǎo)電體的凈橫截面面積/鐵芯間的橫截面面積)等 。如果層厚度太小，則是不優(yōu)選的，因為不能相對于高電壓確保足夠的絕緣性能，而如果層厚度太大，則是不優(yōu)選的，因為在層彎曲時可能易于發(fā)生開
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[0037]? 基材 >>
[0038]根據(jù)本發(fā)明的基材由純鋁或鋁合金(在下文簡稱為“鋁”)制成。盡管與鋁的組成無關(guān)，但是認(rèn)為組成更接近純鋁的組成的鋁能夠更容易地形成均勻的陽極氧化層。
[0039]另外，必要的僅是，被陽極氧化層包覆的部分應(yīng)由鋁制成，因而不必導(dǎo)電體的全部均由鋁制成。例如，導(dǎo)電體可以在其表面上由鋁制成，且在其內(nèi)部由任何其他金屬(銅等)制成。
[0040]此外，基材可以具有任何給定的形狀和橫截面。其形狀可以為線狀或柱狀乃至其橫截面可以為環(huán)形或矩形。
[0041]〈〈形成方法》
[0042](I)陽極氧化處理
[0043]作為本發(fā)明的絕緣層的陽極氧化層通過陽極氧化處理形成，其中通過陽極氧化處理在陽極氧化處理溶劑(電解液)中對基材進(jìn)行通電。陽極氧化處理溶劑可以為例如硫酸水溶液、磷酸水溶液、無機(jī)酸液體如鉻酸水溶液、或有機(jī)酸液體如乙二酸水溶液。通過本發(fā)明，無論使用哪種陽極氧化處理溶劑，從陽極氧化層的柔軟性和處理的經(jīng)濟(jì)效率的觀點來看，都優(yōu)選使用硫酸水溶液。在這種情況下，硫酸水溶液應(yīng)具有約5~40質(zhì)量％且更優(yōu)選約10~35質(zhì)量％的濃度。如果所述濃度太低，則由于陽極氧化層的形成被延遲因而是不優(yōu)選的，而如果所述濃度太高，則由于陽極氧化層的耐腐蝕性發(fā)生劣化因而是不優(yōu)選的。另外，陽極氧化處理溶劑(特別地，硫酸水溶液)應(yīng)具有優(yōu)選約O~40°C且更優(yōu)選約10~30°C的溫度。如果所述溫度太低，則由于陽極氧化層的形成被延遲因而是不優(yōu)選的，而如果所述溫度太高，則由于陽極氧化層的溶解速率被加速因而是不優(yōu)選的。
[0044]雖然施加至作為陽極氧化處理溶劑中的陽極的基材的電壓包括直流電壓和脈沖電壓，但從陽極氧化層的形成速率和設(shè)施的經(jīng)濟(jì)效率的觀點來看，優(yōu)選使用連續(xù)的直流電壓。在這種情況下，所述電壓的值優(yōu)選應(yīng)比較小。雖然不能規(guī)定特定的電壓值，因為其取決于陽極氧化處理溶劑的類型、基材的電導(dǎo)率和厚度等，但是其應(yīng)優(yōu)選為例如2~15V、3~12V或4~11V。如果所述電壓太低或太高，則分別由于陽極氧化層的形成被延遲或陽極氧化層的絕緣性能和柔軟性發(fā)生劣化因而是不優(yōu)選的。陽極氧化處理溶劑中的陰極可以由鉬或石墨制成。
[0045]雖然根據(jù)期望的陽極氧化層的層厚度對陽極氧化處理的時間進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，但其應(yīng)優(yōu)選為例如約I~60分鐘且更優(yōu)選為約5~30分鐘。
[0046](2)后處理
[0047]雖然根據(jù)本發(fā)明的陽極氧化層可以在陽極氧化處理后原樣使用，但其隨后可以適當(dāng)經(jīng)歷后處理，諸如密封、熱處理或涂布。例如，通過進(jìn)行密封處理，將在陽極氧化層中形成的細(xì)孔密封以提高絕緣包覆的鋁導(dǎo)電體的耐腐蝕性。密封處理是已知的且可以通過例如將陽極氧化后的基材暴露于沸水或高壓蒸氣而進(jìn)行。雖然在密封處理中陽極氧化層的比電阻或耐電壓等可能在一定程度上發(fā)生波動，但根據(jù)本發(fā)明的陽極氧化層具有顯著優(yōu)異的絕緣性能，使得其絕緣性能可相對輕微地受密封處理影響。
[0048]〈〈用途》
[0049]可以任意使用本發(fā)明的絕緣層包覆的鋁導(dǎo)電體。例如，其可能非常適合用作需要具有高絕緣性能的馬達(dá)線圈或布線。特別地，本發(fā)明的絕緣層包覆的鋁導(dǎo)電體非常適合用于如下裝置，所述裝置需要具有高絕緣性能以及薄化的絕緣層，從而使得導(dǎo)電體的線槽占空系數(shù)得到提高且有效地將在導(dǎo)電體中產(chǎn)生的熱進(jìn)行放熱。
[0050]實施例
[0051 ] 將參考實施例更具體地描述本發(fā)明。
[0052]〈〈樣品的制造》
[0053](1)基材
[0054]作為形成陽極氧化層的基材，準(zhǔn)備由純鋁(JIS A1070)制成的圓盤狀試驗片(25mm(直徑)X2mm(厚度))。形成陽極氧化層的試驗片的處理表面具有I微米的表面粗糙度(Rz)。
[0055](2)陽極氧化處理
[0056]將試驗片浸潰在硫酸水溶液(陽極氧化浴)中，從而通過在用作陽極的該試驗片(處理表面)與用作陰極的鉬電極之間進(jìn)行通電而進(jìn)行陽極氧化處理。在這種情況下，將試驗片的除處理表面之外的表面用絕緣帶掩蔽以使得在處理表面與鉬電極之間進(jìn)行通電。如表1中所示，對陽極氧化浴中硫酸的濃度(質(zhì)量％)和溫度以及在電極之間施加的電壓(層形成電壓)進(jìn)行各種調(diào)節(jié)以制造多個樣品。所有樣品都具有10分鐘的陽極氧化處理時間。將在陽極氧化處理之后從陽極氧化浴中取出的樣品全部用蒸餾水徹底洗滌，用壓縮空氣吹風(fēng)以充分除去其水分，且隨后在大氣中干燥24小時。對于表1中所示的條件的每一種，各自制造兩個樣品，以進(jìn)行后述的比電阻和耐擊穿電壓的測量。
[0057]〈〈測量和觀察?
[0058](I)比電阻
[0059]通過使用在圖1A中所示的方法獲得各樣品的比電阻(電阻率)。也就是說，將具有12.5mm的直徑的電極Tl經(jīng)由銀膏g連接至在各樣品I的基材Ib上產(chǎn)生的陽極氧化層la。另外,將電極T2連接至基材Ib的相反側(cè)表面。在這些電極之間施加100V的直流電壓以測量流經(jīng)閉合回路的電流?；跉W姆定律，使用測量的電流值(I)、施加的電壓值(V)、電極Tl的電極面積(SI)和陽極氧化層Ia的厚度(t)計算比電阻(rho=(V/I)XS/t)。由在測量比電阻之后觀察到的樣品I的橫截面照片獲得陽極氧化層Ia的厚度(t)。
[0060](2)耐擊穿電壓
[0061]如圖1B中所不,根據(jù)JIS H8687測量各樣品的耐擊穿電壓。也就是說，在大氣中，通過施加100g的負(fù)荷F使接觸端面為具有6mm直徑的球面狀的端子P與陽極氧化層Ia接觸。在端子P與連接在基材Ib的相反側(cè)上的電極N之間，施加以25V/s的速率升壓的直流電壓。在流過該閉合回路的漏電流超過5mA的時間點測量電壓值。
[0062]對于各樣品測量10個點的電壓值。在各次測量中，使端子P與陽極氧化層Ia上的不同點接觸。由測量的電壓 值獲得算術(shù)平均值。將該平均值除以陽極氧化層Ia的厚度以獲得每單位厚度的耐擊穿電壓值(簡稱為“耐擊穿電壓”)。在上述情況下測量之后，由樣品的橫截面照片獲得陽極氧化層Ia的厚度。
[0063](3)比表面積
[0064]如下獲得各樣品的陽極氧化層的比表面積(每單位質(zhì)量的表面積)。也就是說，首先將測量比電阻和耐擊穿電壓之后的樣品浸潰在堿溶液中以溶解基材部分。對通過濾出堿溶液而獲得的陽極氧化層的殘余物進(jìn)行干燥。通過上述BET氮吸附法測量殘余物的比表面積。
[0065]表1示出了由此獲得的各樣品的比電阻、耐擊穿電壓和比表面積。另外，圖2A和圖2B分別顯示比表面積與比電阻之間的關(guān)系以及比表面積與耐擊穿電壓之間的關(guān)系。
[0066](4)陽極氧化層的形態(tài)
[0067]圖3A和圖3B分別顯不用場致發(fā)射型掃描電子顯微鏡(FE-SEM)觀察的I號樣品和Cl號樣品的陽極氧化層的橫截面。
[0068]? 評價 >>
[0069](I)如從表1與圖2A及圖2B中可以看到，比電阻和耐擊穿電壓在25m2/g的比表面積附近快速地臨界變化。也就是說，發(fā)現(xiàn)在25m2/g以上的比表面積下，陽極氧化層的比電阻會從IO9 (歐姆?米)的級別格外快速地升高至101°~IO14 (歐姆?米)的級別。
[0070]發(fā)現(xiàn)該趨勢也適用于耐擊穿電壓，因為在25m2/g以上的比表面積下，陽極氧化層的耐擊穿電壓快速升高多達(dá)約4倍，從60伏/微米的等級升高至高達(dá)240伏/微米的等級。[0071 ] (2)認(rèn)為比電阻和耐擊穿電壓的這種快速變化是由陽極氧化層本身的形態(tài)變化所引起的，如可以從圖3A和圖3B中的顯微照片清楚看到的。也就是說，如圖3A中所示，在陽極氧化層為由具有不規(guī)則表面的非直孔形成的多孔體的情況下，比表面積增加且比電阻和耐擊穿電壓快速增加。如圖3B中所示，在陽極氧化層為由直孔形成的多孔體的情況下，比表面積比較小，即使比表面積在一定程度上發(fā)生變化，比電阻和耐擊穿電壓也保持低。
[0072]據(jù)發(fā)現(xiàn)，為了通過使用這種具有大比電阻值和大耐擊穿電壓值的層來獲得絕緣層
包覆的鋁導(dǎo)電體，應(yīng)優(yōu)選在作為導(dǎo)電體的基于鋁的基材的表面上形成具有如圖3A中所示
的形態(tài)的陽極氧化層。
[0073][表 I]
【權(quán)利要求】
1.一種絕緣層包覆的鋁導(dǎo)電體，包含由純鋁或鋁合金制成的基材和包覆該基材的外表面的絕緣層，其中所述絕緣層由在所述基材上形成且具有25m2/g以上比表面積的陽極氧化層構(gòu)成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的絕緣層包覆的鋁導(dǎo)電體，其中所述陽極氧化層為由在厚度方向上延伸的非直孔的集合形成的多孔體。
3.—種絕緣層，其由根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的陽極氧化層形成。
4.一種 形成絕緣層的方法，所述方法包括層形成步驟，其中通過使用由純鋁或鋁合金制成的基材作為陽極并在酸性水溶液中對該基材連續(xù)施加直流電壓，由此形成根據(jù)權(quán)利要求I~3中任一項所述的絕緣層。
【文檔編號】C25D11/04GK103534390SQ201280023203
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2012年3月23日 優(yōu)先權(quán)日:2011年5月18日
【發(fā)明者】董樹新, 松岡秀明, 浦田信也, 中井英雄, 高尾尚史 申請人:株式會社豐田中央研究所