专利名称：将材料层施用至非金属基底表面的方法
技术领域：
本发明涉及非金属基底，更具体地涉及用于施用材料至非金属基底表面的方法。该材料可以是电绝缘的，附加以改进导热性和/或附加以赋予非金属基底一定水平的导电性。本发明也涉及复合材料的制造，其中多个层一起放置以获得具有特定性能的最终产品。使用冷喷雾方法，可以使用不适于使用现有标准方法例如造纸和/或溶剂转移(solvent transfer)进行加工的材料来开发复合结构。
背景技术：
电绝缘材料在非金属基底上的应用是众所周知的，特别是用于位于相邻导体表面之间的非金属基底，例如发电机中的相邻绕组。然而，用于将电绝缘材料施用在非金属基底的方法可以变化。开发用于将电绝缘材料施用至非金属基底的新的和有用的方法将是有利的。
在以下说明中利用参考附图对本发明进行说明，其中所述附图示出了:图1示出了根据本发明用于将电绝缘材料层施用至导体表面的冷喷雾系统的一示例性实施方式的示意图；图2示出了图1中所示出的施用至导体表面的电绝缘层的一示例性实施方式的示意图；·图3示出了图1中所示的施用至导体表面的另一电绝缘层的一示例性实施方式的示意图；图4示出了图1中所示的系统的喷雾速度对喷雾温度的图示以及用于各喷雾速度和喷雾温度的合格材料；图5示出了根据本发明用于将材料层施用至非金属基底表面的系统的一示例性实施方式的示意图；图6示出了图5中所示的施用至非金属基底表面的材料层的一示例性实施方式的示意图；图7示出了图5中所示的施用至非金属基底表面的导电或半导材料层的一示例性实施方式的示意图；以及图8示出了图5中所示的系统的喷雾速度对喷雾温度的图示以及用于各喷雾速度和喷雾温度的合格材料。发明详述本发明提供了用于将材料层施用至非金属基底表面以增强非金属基底性能特性的方法。所述方法的一实施方式涉及施用玻璃衬背(glass backing)至非金属基底，以及冷喷雾复数个云母颗粒至玻璃衬背的表面上。所述方法的另一实施方式涉及提供用于非金属基底的玻璃衬背，以及冷喷雾复数个氮化硼(BN)颗粒至玻璃衬背表面上。通过所述方法提供传导带(conductive tape),该传导带包括绝缘材料的第一层。该第一层由衬背形成，其中所述衬背包括基于纤维的衬背或聚合物衬背(其具有弹性和柔性性能以用于以卷曲形式贮存)以及云母颗粒或氮化硼颗粒的层。该传导带还包括置于颗粒层上方的第二层，其中所述第二层由电导体材料形成。现在将详细参考和本发明一致的实施方式，其实例在附图中进行说明。附图中所使用的相同参考数字指代相同或类似的部件。本发明的实施方式讨论“冷喷雾”过程。该过程包括颗粒以所选速度和/或所选温度在目标表面的方向上加速或推进。在常规系统中，涂层材料的颗粒以相对较高速度和较高温度向目标金属表面加速，所述目标金属表面较硬，以及可以经受住具有高速度和高温度的加速的颗粒，而不会被损坏(例如)。根据本发明的实施方式，非金属颗粒向金属基底或非金属基底(其在低于相应速度和温度阈值的所选速度和所选温度时具有较柔软、低温的特征)加速。这些基底具有如下特征:在室温时具有较柔软表面，例如具有延展性，从而使得颗粒碰撞通常是无弹性的，从而允许颗粒粘附至表面，而非从表面偏离。如果非金属颗粒是以超过速度和温度阈值的速度冷喷雾在目标表面，非金属颗粒不会粘附至目标基底表面，且可能损坏或穿透目标基底表面。例如，图1中所示的本发明实施方式描述了冷喷雾方法，其用于朝向导体或金属基底的表面加速非金属颗粒，以在导体表面上形成电绝缘层。在另一实例中，图5中所示的本发明实施方式描述了冷喷雾方法，其用于朝向非金属基底的表面加速非金属颗粒，以增强基底的性能特性。如上所述，本发明的实施方式中使用的金属基底和非金属基底具有较柔软、低温特征(即，在室温时具有较柔软表面，从而使得颗粒碰撞是无弹性的)。在一示例性实施方式中，如下所讨论的，以低于相应温度和速度阈值的温度和速度在基底处喷雾非金属颗粒，可以使用多种类型的非金属颗粒，且非金属颗粒以无弹性碰撞粘附至基底。但是，本发明实施方式中所讨论的冷喷雾方法不限于小于相应温度和速度阈值的温度和速度参数。图1不出了系统10的一不例性实施方式，所述系统10用于施用电绝缘材料层12至金属基底或导体16的表面14 。本发明实施方式可使用任一金属基底或导体，例如铜。另夕卜，虽然本发明实施方式讨论施用至导体16的表面14的层12，但可以施用多个层至相邻导体的各自表面，例如发电机中的绕组，例如以在相邻导体之间提供电绝缘。在一示例性实施方式中，导体16可以呈矩形，如图1中所示，例如水平堆叠设置在发电机转子绕组中的水平矩形导体。系统10包括高压供气装置20，其贮存高压气体，例如氦，例如以选择的压力。系统10还包括气体加热器22，将其连接以从高压供气装置20接收高压气体以及选择性地改变高压气体的温度。在一不例性实施方式中，气体加热器22不加热气体或仅相对少量加热气体。此外，系统10包括连接至高压供气装置20的粉末进料器24，其容纳非金属颗粒28，例如云母或氮化硼(BN)颗粒，例如，具有选择的颗粒体积和/或尺寸。过去，云母和BN颗粒(例如尺寸范围为5-10微米)未应用在绝缘领域。根据本发明的实施方式，通过合适的沉积过程，例如，冷喷雾方法，现在可以方便地施用这些材料以在需要增强绝缘性能的金属或绝缘表面上形成层。通过冷喷雾方法，沉积可沿非-均匀表面和多种几何形状(thedeposition can be had along non-uniform surfaces and numerous geometries),包括多种形状的线(wire)(例如圆形和矩形)而形成。
供气装置20、气体加热器22和粉末进料器24 —起传送具有选择体积和尺寸的非金属颗粒28至具有喷嘴30的喷枪26。喷嘴30相应地在导体16的表面14的方向上以选择的喷雾速度32(图4)以选择的喷雾温度34(图4)驱使非金属颗粒28。非金属颗粒28，例如云母颗粒，例如从喷嘴30以选择的喷雾速度32以及选择的喷雾温度34被推出，基于从气体加热器22运送至喷枪26的压缩气体以及从粉末进料器24运送至喷枪26的非金属颗粒28。非金属颗粒28向导体16的表面14加速，在此和表面14碰撞，它们形变或嵌入基底(在织物类型材料的情况时)中以及形成涂层12。在本发明实施方式中，使用冷喷雾方法的一个优势在于在表面14上无需使用粘合剂，因为非金属颗粒28将无需使用粘合剂而粘附至表面14。然而，在本发明的一示例性实施方式中，粘合剂可以和非金属颗粒28混合以及例如可以在一个步骤中将混合物冷-喷雾在表面14处。控制器36连接至供气装置20、气体加热器22和粉末进料器24，且配置控制器36以确定被驱使朝向导体16的表面14的非金属颗粒28的喷雾速度和喷雾温度。在本发明的一示例性实施方式中，控制器36将控制变量例如气压和温度。但是，在非金属颗粒28放入粉末进料器24之前将确定/选择混合物中的非金属颗粒28的粒度和体积。在具体涂覆过程的资格鉴定阶段(qualification stage)期间,将确定非金属颗粒28的尺寸/体积以满足所需要求。如在图4的示例性实施方式中说明的，控制器36监测气压和/或喷雾温度34，而喷枪驱使非金属颗粒28至导体16的表面14，以保持喷雾速度32在预定的速度限度范围内和/或限制选择的喷雾温度34以小于预定的最大温度阈值35。如果控制器36限制喷雾速度32和/或喷雾温度34以小于相应速度阈值33和/或温度阈值35，多种材料可用于被驱使朝向导体16的表面14的非金属颗粒28和/或用于导体16自身。此外，通过限制喷雾速度32和/或喷雾温度34以小于相应速度阈值33和/或温度阈值35，非金属颗粒28可粘附至导体16的表面14,而不从导体16的表面14滑落和/或不损坏导体16的表面
14。控制器36基于改变气体的压力而改变喷雾速度32。在一不例性实施方式中，可以使用的喷雾材料例如但不限于，云母粉末，氮化硼，碳化钨，碳粉末，有机聚合物和粉末状环氧树月旨。在一额外的示例性实施方式中，喷雾温度阈值35的范围可以是_40°C至120°C,用于喷雾例如有机聚合物或环氧树脂。选择_40°C至120°C的示例性温度范围，因为如果在大于该温度范围的温度时喷雾有机聚合物或环氧树脂，导体16的表面14会损坏和/或烧坏。基于图1中说明的系统10的示例性实施方式，可以将多种涂层12冷喷雾至导体16的表面14上。图2说明涂层12的一示例性实施方式。例如，粘合剂和绝缘颗粒(例如云母)的混合物可以冷-喷雾至导体16的表面14上，以形成电绝缘的层12至导体16的表面14。可以通过控制器36监测非金属颗粒28的混合物的冷-喷雾的相应喷雾速度和/或喷雾温度，使得不超过相应最大速度阈值33和/或最大温度阈值35，从而非金属颗粒28粘附至导体16的表面14，以及抑制非金属颗粒28渗入和/或损坏导体16的表面14。控制器36控制速度阈值33 (通过控制气压)和/或温度阈值35，基于非金属颗粒28的预定颗粒体积和/或预定粒度。配置控制器36以选择性地确定速度阈值33和温度阈值35，基于涂层12的一个或多个所需涂层特征，例 如导体16的最小厚度。在一示例性实施方式中，涂层12的绝缘特征依赖于涂层12的厚度以及涂层12的均匀性。虽然以上的实施方式讨论云母颗粒，可以将多种颗粒冷-喷雾至导体16的表面14上，例如氮化硼(BN)颗粒。
虽然图1的本发明实施方式说明用于导体14的表面12 ( S卩，一个面)的冷-喷雾过程，可以利用本发明以冷-喷雾绝缘材料至导体14的多个面上，包括后表面40 (图1)，通过简单反转导体14的方向。此外，可以使用控制器36选择性地调节高压供气装置20、气体加热器22和粉末24使得施用至导体14的后表面40的涂层具有不同特性，相比较施用至导体14的前表面的涂层12而言。例如，导体14的不同面经受不同电或热条件和/或相对相邻导体的不同间距，因此通过使用系统10，它们的各涂层可以进行单独定制以适应该配置。图3说明涂层12’的一示例性实施方式，不同于图2的实施方式中说明的涂层12。在图3的示例性实施方式中，玻璃纤维和环氧树脂颗粒的混合物42’通过使用图1的系统10冷-喷雾至导体16’的表面14’上。玻璃纤维和环氧树脂颗粒的混合物一起作用以粘附颗粒至导体表面14’。在玻璃纤维和环氧树脂颗粒的混合物42’冷-喷雾至导体16’的表面14’上之后，加热混合物42’的温度，以固化涂层12’内的环氧树脂成分。在一示例性实施方式中，使用多种方法完成该加热，所述多种方法例如感应、辐射加热或例如使导体经过炉。图5-8中说明的以及下文中所讨论的本发明实施方式类似于图1-4中说明的以及上文中讨论的本发明实施方式，除了冷喷雾材料的目标是非金属基底，而非导体表面，以增强非金属基底的多种性能。图5说明类似于上文所讨论的以及图1中所说明的系统10的系统110的一示例性实施方式。利用系统110以施用材料层112至非金属基底116的表面，以增强非金属基底116的性能特性，例如绝 缘材料以增强非金属基底的绝缘性能。系统110包括高压供气装置120，其贮存高压气体，例如氦，例如以选择的压力。系统110还包括气体加热器122，将其连接以从高压供气装置120接收高压气体以及选择性改变高压气体的温度。此外，系统110包括连接至高压供气装置120的粉末进料器124，其容纳非金属颗粒128，例如云母，硝酸钡(BN)，和/或粘合剂树脂颗粒，例如，具有选择的颗粒体积和/或尺寸。供气装置120、气体加热器122和粉末进料器124 —起传送具有选择的体积和尺寸的非金属颗粒128至具有喷嘴130的喷枪126。喷嘴130相应地在非金属基底116的方向上驱使非金属颗粒128，以选择的喷雾速度(通过选择的压力)132 (图8)，以及选择的喷雾温度134 (图8)。非金属颗粒128，例如云母颗粒，例如从喷嘴130以选择的喷雾速度132和选择的喷雾温度134推出，基于从气体加热器122运送至喷枪126的压缩气体以及从粉末进料器124运送至喷枪126的非金属颗粒128。非金属颗粒128朝向非金属基底116加速，在此和非金属基底116碰撞,它们形变以及结合或嵌入非金属基底116,以形成层112。系统110还包括连接气体加热器122、粉末进料器124、喷枪126和高压供气装置120的控制器136。配置控制器136以监控气压(以监测喷雾速度132)和喷雾温度134，基于非金属颗粒128的预定体积和粉末进料器124内的非金属颗粒128的预定密度的一个或多个。非金属颗粒128的具体粒度和混合物装载入粉末进料器124中。在一示例性实施方式中，控制器136限制选择的喷雾速度132 (通过改变气压)至小于预定的最大速度阈值133 (图8)，以及限制选择的喷雾温度134至小于预定的最大温度阈值135 (图8)。然而，在一备选的实施方式中，控制器可以简单地限制喷雾速度或喷雾温度至它的最大阈值。在一不例性实施方式中，喷雾温度阈值135可以小于100°C以用于喷雾在非金属基底上。玻璃衬背114，例如玻璃布，例如，通常覆盖非金属基底116的表面。玻璃布可以是编织的以及通过冷-喷雾之外的手段施用至基底116。如在图5的示例性实施方式中说明的，玻璃衬背114施用至非金属基底116。在施用玻璃衬背114至非金属基底116之后，可激活系统110，从而非金属颗粒128，例如云母颗粒冷喷雾经过喷嘴130以及至玻璃衬背表面114上，以增强非金属基底116的性能特性，例如电绝缘性。在一示例性实施方式中，其中材料施用至非金属基底，非金属基底的密度和渗入将控制待增强的涂层112的性能。如上讨论的图1-4中的本发明实施方式，非金属颗粒128，例如云母颗粒的冷喷雾方法，包括合并(combining)加压气体和非金属颗粒128的混合物,选择性改变加压气体的温度，和在玻璃衬背114的表面的方向上加速该混合物。如图6中说明的，加速的非金属颗粒128，例如云母颗粒，碰撞玻璃衬背114的表面。如之前所讨论的，在冷喷雾过程期间，可以通过控制器136调节非金属颗粒128例如云母颗粒的喷雾参数，例如速度和/或温度，使得其小于相应的速度和温度阈值133，135。基于玻璃衬背114的表面上的或嵌入基底116内部的加速的非金属颗粒128的类型，非金属基底116的多种性能特性可以得以强化，例如增强的高压绝缘性，增强的导热性，和/或增强的导电性。在一示例性实施方式中，可以将氮化硼颗粒喷雾在非金属基底上，以渗入基底中以及均匀分布而不损坏基底。在一示例性实施方式中，上述冷喷雾方法，其中非金属颗粒128加速至非金属基底116的玻璃衬背114的表面上，所述方法包括在单一生产线上进行的冷喷雾方法的各步骤，使得无需在多个生产线之间输送玻璃衬背114，以增强非金属基底116的参数，例如电绝缘特性。在图7中说明的本发明另一示例性实施方式中，使用上述系统，可以将导电材料和颗粒例如云母颗粒的混合物142’冷-喷雾至玻璃衬背114’的表面上。这样的导电材料的实例可以是碳和例如碳化钨。可以进行冷-喷雾以例如增强玻璃衬背114’的导电性。另夕卜，半导材料可以和颗粒混合，以便得到当冷喷雾至玻璃衬背114’的表面上时足以增强玻璃衬背114’的导电性的混合物。在一示例性实施方式中，可形成传导带，其中导电材料和非金属颗粒在独立的喷雾步骤中分别喷雾至玻璃衬背114’的表面上，而非如上所讨论的在混合物142’的一个集合的喷雾步骤中。在另一示例性实施方式中，传导带可如下形成:形成绝缘材料的第一层，例如玻璃衬背114’ ;形成第二层，其作为第一层上方的过渡层，其中过渡层包括绝缘材料和导电材料的混合物，例如上文所讨论的混合物142’ ；和在第二层上方形成第三层，其中所述第三层包括导电材料，例如碳和/或碳化钨，例如以在第一和第二层之间形成增强的物理联接 。然而，这样的传导带的第一绝缘层不限于玻璃衬背114’，且第一绝缘层可以是任何柔性衬背材料，例如玻璃编织层、由纤维形成的层或聚合物衬背，例如，其具有弹性和柔性性能以用于以卷曲的形式贮存或用于例如在表面上卷绕。虽然已显示和说明了本发明的多种实施方式，显然的是这样的实施方式仅通过实例给出。在不偏离本发明时，可以进行多种修改，变化和替换。因此，本发明仅通过所附权利要求的精神和范围进行限制。
权利要求
1.施用材料层至非金属基底表面以增强所述非金属基底的性能特性的方法，所述方法包括: 施用玻璃衬背至所述非金属基底；以及 冷喷雾复数个云母颗粒至所述玻璃衬背的表面上。
2.权利要求1的方法，其中所述冷喷雾所述复数个云母颗粒包括: 将加压气体和所述复数个云母颗粒的混合物合并； 选择性改变所述加压气体的温度； 在所述玻璃衬背的表面的方向上加速所述混合物；以及 利用所述加速的云母颗粒碰撞所述玻璃衬背的表面。
3.权利要求1的方法，其中所述冷喷雾基于小于相应最大阈值的所述复数个云母颗粒的至少一个喷雾参数进行，以将所述云母颗粒粘附至玻璃衬背而不损坏所述玻璃衬背表面。
4.权利要求3的方法，其中所述冷喷雾基于以下参数进行:小于最大速度阈值的所述复数个云母颗粒的喷雾速度参数以及小于最大温度阈值的所述复数个云母颗粒的温度参数。
5.权利要求1的方法，其中所述增强的性能特性是所述非金属基底的增强的高电压绝缘、增强的导热性和增强的导电性中的一个。
6.权利要求1的方法，其还包括冷喷雾复数个粘合剂树脂颗粒至所述玻璃衬背的表面上以增强所述基底的高电 压绝缘特性。
7.权利要求1的方法，其还包括冷喷雾导电性材料至所述玻璃衬背的表面上以增强所述玻璃衬背表面的导电性特性。
8.权利要求1的方法，其还包括冷喷雾半导体材料在所述玻璃衬背的表面上以增强所述基底的导电性特性。
9.施用材料层至非金属基底的表面以增强所述非金属基底的性能特性的方法，所述方法包括: 向所述非金属基底提供玻璃衬背；和 冷喷雾复数个氮化硼(BN)颗粒至所述玻璃衬背的表面上。
10.权利要求9的方法，其中所述冷喷雾所述复数个氮化硼颗粒包括: 将加压气体和所述复数个氮化硼颗粒的混合物合并； 选择性改变所述加压气体的温度； 在所述玻璃衬背的表面的方向上加速所述混合物；以及 利用所述加速的氮化硼颗粒碰撞所述玻璃衬背的表面。
11.权利要求9的方法，其中所述冷喷雾基于小于相应最大阈值的所述复数个氮化硼颗粒的至少一个喷雾参数进行，以将所述氮化硼颗粒粘附至所述玻璃衬背表面而不损坏所述玻璃衬背表面。
12.权利要求11的方法，其中所述冷喷雾基于以下参数进行:小于最大速度阈值的所述复数个氮化硼颗粒的喷雾速度参数，以及小于最大温度阈值的所述复数个氮化硼颗粒的温度参数。
13.传导带，其包括:绝缘材料的第一层，所述第一层由衬背形成，所述衬背包括基于纤维的衬背或聚合物衬背和包含复数个云母颗粒或氮化硼颗粒的层，该基于纤维的衬背或聚合物衬背具有弹性和柔性以用于以卷曲形式贮存；和 置于所述颗粒层之上的第二层，所述第二层由电导体材料形成， 其中所述传导带通过权利要求1的方法形成。
14.权利要求13的传导带，其中所述颗粒利用冷喷雾方法施用至所述衬背。
15.权利要求13的传导带，其中所述导体材料利用冷喷雾方法形成在所述颗粒之上。
16.权利要求13的传 导带,其中所述绝缘材料的第一层包括玻璃布。
全文摘要
本发明提供用于施用材料层(112)至非金属基底(116)的表面的方法以增强性能特性。该方法包括施用玻璃衬背(114)至非金属基底(116)以及冷喷雾云母或氮化硼(BN)颗粒(128)至玻璃衬背(114)的表面上。也提供通过所述方法形成的传导带。该传导带包括绝缘材料(114')的第一层，其中该第一层由衬背形成，所述衬背包括基于纤维的衬背或聚合物衬背(其具有弹性和柔性性能以用于以卷曲形式贮存)以及云母颗粒或氮化硼颗粒的层。该传导带还包括置于颗粒层上方以及由导电材料所形成的第二层(142')。
文档编号C23C28/00GK103080379SQ201180043013
公开日2013年5月1日 申请日期2011年6月28日 优先权日2010年7月8日
发明者W·F·琼斯, Z·韩, R·S·加雷特 申请人:西门子能量股份有限公司