绝缘层包覆的铝导电体、以及绝缘层和形成绝缘层的方法
【专利摘要】本发明提供具有非常高的比电阻和耐击穿电压的铝导电体。本发明的铝导电体包含由纯铝或铝合金制成的基材和包覆该基材的外表面的绝缘层，其中所述绝缘层由在所述基材上形成且具有25m2/g以上比表面积的阳极氧化层构成。在25m2/g以上的比表面积下，所述阳极氧化层的比电阻和耐击穿电压格外快速地升高。被这种阳极氧化层覆盖的铝导电体显示高绝缘性能。此外，所述阳极氧化层具有优异的耐热性。因此，本发明的铝导电体即使在高温环境等中也显示优异的绝缘性能。
【专利说明】绝缘层包覆的铝导电体、以及绝缘层和形成绝缘层的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及包覆有阳极氧化层的绝缘层包覆的铝导电体、由所述阳极氧化层形成的绝缘层和形成所述绝缘层的方法。
【背景技术】
[0002]已经将导电体(绝缘层包覆的导电体)用作布线或马达线圈(卷线)或线段。绝缘层包覆的导电体以釉质涂覆的导电体为代表，除此之外，近来已经使用更轻的绝缘层包覆的铝导电体。在这种情况下，作为绝缘层，使用直接形成在铝导电体的表面上的阳极氧化层。所述阳极氧化层由氧化铝(防蚀铝)制成且绝缘性能和耐热性优异。该优点使得绝缘层包覆的铝导电体完全有资格用作经受高电压和高温的布线和装置。
[0003]对于这种绝缘层包覆的铝导电体，例如，参见以下专利文献I。
[0004]引用列表
[0005]专利文献
[0006]专利文献1:日本特开2009-99450号公报
【发明内容】
[0007]技术问题
[0008]专利文献I公开了一种铝电线，所述铝电线被氧化铝膜绝缘涂覆，所述氧化铝膜通过依次进行阳极氧化、密封和热处理而形成。专利文献I还描述了通过进行阳极氧化处理而促进了氧化铝膜的生长，所述阳极氧化处理使得可以在3~15A/dm2的电流密度和10~15V的脉冲电压下在短时间内流动大电流(参见[0012])。
[0009]然而，专利文献I没有描述由此形成的氧化铝膜具有什么程度的绝缘电阻和耐电压且没有论述该膜的特性和绝缘性能。
[0010]鉴于上述，开发了本发明，且本发明的一个目的在于提供一种铝导电体(绝缘层包覆的铝导电体)，所述铝导电体被阳极氧化层(氧化铝膜)绝缘包覆，所述阳极氧化层在绝缘性能方面比常规阳极氧化层优异。本发明的另一目的在于提供该绝缘层及其形成方法。
[0011]解决问题的手段
[0012]本发明人认真地进行了研究并进行反复试验以解决这些问题，结果，最近发现，如果阳极氧化层的比表面积达到预定值(临界值)，则其绝缘性能快速变化。通过发展该成果，本发明人完成了以下发明。
[0013]〈〈绝缘层包覆的铝导电体》
[0014](I)本发明的绝缘层包覆的铝导电体包含由纯铝或铝合金制成的基材和包覆该基材的外表面的绝缘层，其中所述绝缘层由在所述基材上形成且具有25m2/g以上比表面积的阳极氧化层构成。
[0015](2)根据本发明的阳极氧化层具有非常高的绝缘性能。因此，与常规阳极氧化层的情况对比，可以在不改变绝缘层的层厚度的情况下提高耐击穿电压，且相反地，可以在不改变耐击穿电压的情况下减小绝缘层的层厚度。例如，在后一情况下，通过减小由阳极氧化层形成的绝缘层的厚度，可以整体提高导电体本身的线槽占空系数(slot space factor)和放热性能。
[0016](3)虽然具有25m2/g以上比表面积的根据本发明的阳极氧化层的优异绝缘性能的机理还不完全清楚，但目前认为如下。本发明人进行了认真研究，发现在比表面积小于25m2/g的情况下和在比表面积大于25m2/g的情况下，阳极氧化层具有不同的形态。也就是说，在比表面积小于25m2/g的情况下，与在常规阳极氧化层的情况中一样，阳极氧化层由在厚度方向上直地延伸的孔(直孔)构成。在比表面积为25m2/g以上的情况下，阳极氧化层为由在厚度方向上延伸的非直孔的集合形成的多孔体。以这种方式，阳极氧化层的形态跨越特定的比表面积而变化，使得其绝缘性能如比电阻和耐击穿电压可能快速变化而超出爬电距离(creeping distance)的变化。
[0017]〈〈绝缘层》
[0018]本发明不仅可以被理解为绝缘层包覆的铝导电体，而且可以被理解为包覆相关铝导电体的由上述阳极氧化层形成的绝缘层。
[0019]〈〈形成绝缘层的方法》
[0020]本发明还可以被理解为形成上述绝缘层的方法。也就是说，本发明可以为绝缘层形成方法，所述方法包括层形成步骤，其中通过在酸性水溶液中对由以纯铝或铝合金制成的基材构成的阳极连续施加直流电压，由此形成绝缘层。
[0021]〈〈其他》
[0022](I)在本说明书中提到的阳极氧化层的比表面积基于通过使用BET氮吸附法得到的计算值来规定。也就是说，根据流动法(载气方法)，通过使用氦气作为非吸附气体且使用氮气作为被吸附物，根据JISZ8830:2001进行测量而获得比表面积。在这种情况下，将样品在100°C下脱气30分钟。此外，通过多点法对测量数据进行评价。如果比表面积为30m2/g以上、35m2/g以上、40m2/g以上、45m2/g以上或50m2/g以上，则为优选的，因为可以更可靠地获得具有高绝缘性能的阳极氧化层。
[0023](2)在本说明书中关于阳极氧化层的形态提到的“非直孔”是在厚度方向上延伸且不具有平滑内壁表面、而是具有不规则的内壁表面的孔(孔室)，使得阳极氧化层会在厚度方向上不在孔室间而在孔室内被破碎。
[0024](3)除非另作说明，否则在本说明书中，“X~y”包括下限值X和上限值y。范围“a~b”可以通过使用本说明书中描述的数值范围中的各种值或任意值作为新的任意下限值或上限值而重新给出。【专利附图】
【附图说明】
[0025][图1A]图1A为显示如何测量绝缘层的比电阻的示意图。
[0026][图1B]图1B为显示如何测量绝缘层的耐击穿电压的示意图。
[0027][图2A]图2A为显示阳极氧化层的比表面积与比电阻之间的关系的散布图。
[0028][图2B]图2B为显示阳极氧化层的比表面积与耐击穿电压之间的关系的散布图。
[0029][图3A]图3A为显示根据I号样品的阳极氧化层的横截面的电子显微镜照片。[0030][图3B]图3B为显示根据Cl号样品的阳极氧化层的横截面的电子显微镜照片。【具体实施方式】
[0031]在本说明书中进行的描述可以不仅适用于本发明的绝缘层包覆的铝导电体，而且适用于绝缘层及其形成方法。如果基于方法限定产品的权利要求来进行理解，则与方法相关的要素也可以与实体目标相关。可以向本发明的上述要素中加入任意选自本说明书的一种或多种要素。哪一个实施方式是最佳的实施方式取决于对象、所需要的性能等。
[0032]〈〈阳极氧化层》
[0033]与常规阳极氧化层相比，根据本发明的阳极氧化层具有显著更优异的绝缘性能。虽然本发明不限制其形态等，但认为所述阳极氧化层的形态等可以跨越如上所述的比表面积的特定值(临界值)而发生变化。
[0034]可能不易于直接规定阳极氧化层的形态等。因此，在本说明书中，根据本发明的阳极氧化层通过使用其比表面积而间接规定。相反，如果阳极氧化层具有相同的比表面积，则它们具有相同的形态等；认为该关系几乎不受阳极氧化层的层形成过程以及条件和层厚度
等影响。
[0035]作为表示根据比表面积快速变化的阳极氧化层的绝缘性能的指标，可以使用例如比电阻(电阻率)和耐电压(耐击穿电压)。例如，跨越比表面积的临界值，阳极氧化层的耐电压可以改变3~6倍，且其比电阻可以改变100(102)~10000(104)倍。
[0036]虽然阳极氧化层的层厚度不受限制，但其应优选为约0.1~30微米且更优选为约I~20微米，以在确保绝缘性能的同时提高马达线圈的线槽占空系数(导电体的净横截面面积/铁芯间的横截面面积)等 。如果层厚度太小，则是不优选的，因为不能相对于高电压确保足够的绝缘性能，而如果层厚度太大，则是不优选的，因为在层弯曲时可能易于发生开
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[0037]? 基材 >>
[0038]根据本发明的基材由纯铝或铝合金(在下文简称为“铝”)制成。尽管与铝的组成无关，但是认为组成更接近纯铝的组成的铝能够更容易地形成均匀的阳极氧化层。
[0039]另外，必要的仅是，被阳极氧化层包覆的部分应由铝制成，因而不必导电体的全部均由铝制成。例如，导电体可以在其表面上由铝制成，且在其内部由任何其他金属(铜等)制成。
[0040]此外，基材可以具有任何给定的形状和横截面。其形状可以为线状或柱状乃至其横截面可以为环形或矩形。
[0041]〈〈形成方法》
[0042](I)阳极氧化处理
[0043]作为本发明的绝缘层的阳极氧化层通过阳极氧化处理形成，其中通过阳极氧化处理在阳极氧化处理溶剂(电解液)中对基材进行通电。阳极氧化处理溶剂可以为例如硫酸水溶液、磷酸水溶液、无机酸液体如铬酸水溶液、或有机酸液体如乙二酸水溶液。通过本发明，无论使用哪种阳极氧化处理溶剂，从阳极氧化层的柔软性和处理的经济效率的观点来看，都优选使用硫酸水溶液。在这种情况下，硫酸水溶液应具有约5~40质量％且更优选约10~35质量％的浓度。如果所述浓度太低，则由于阳极氧化层的形成被延迟因而是不优选的，而如果所述浓度太高，则由于阳极氧化层的耐腐蚀性发生劣化因而是不优选的。另外，阳极氧化处理溶剂(特别地，硫酸水溶液)应具有优选约O~40°C且更优选约10~30°C的温度。如果所述温度太低，则由于阳极氧化层的形成被延迟因而是不优选的，而如果所述温度太高，则由于阳极氧化层的溶解速率被加速因而是不优选的。
[0044]虽然施加至作为阳极氧化处理溶剂中的阳极的基材的电压包括直流电压和脉冲电压，但从阳极氧化层的形成速率和设施的经济效率的观点来看，优选使用连续的直流电压。在这种情况下，所述电压的值优选应比较小。虽然不能规定特定的电压值，因为其取决于阳极氧化处理溶剂的类型、基材的电导率和厚度等，但是其应优选为例如2~15V、3~12V或4~11V。如果所述电压太低或太高，则分别由于阳极氧化层的形成被延迟或阳极氧化层的绝缘性能和柔软性发生劣化因而是不优选的。阳极氧化处理溶剂中的阴极可以由钼或石墨制成。
[0045]虽然根据期望的阳极氧化层的层厚度对阳极氧化处理的时间进行适当调节，但其应优选为例如约I~60分钟且更优选为约5~30分钟。
[0046](2)后处理
[0047]虽然根据本发明的阳极氧化层可以在阳极氧化处理后原样使用，但其随后可以适当经历后处理，诸如密封、热处理或涂布。例如，通过进行密封处理，将在阳极氧化层中形成的细孔密封以提高绝缘包覆的铝导电体的耐腐蚀性。密封处理是已知的且可以通过例如将阳极氧化后的基材暴露于沸水或高压蒸气而进行。虽然在密封处理中阳极氧化层的比电阻或耐电压等可能在一定程度上发生波动，但根据本发明的阳极氧化层具有显著优异的绝缘性能，使得其绝缘性能可相对轻微地受密封处理影响。
[0048]〈〈用途》
[0049]可以任意使用本发明的绝缘层包覆的铝导电体。例如，其可能非常适合用作需要具有高绝缘性能的马达线圈或布线。特别地，本发明的绝缘层包覆的铝导电体非常适合用于如下装置，所述装置需要具有高绝缘性能以及薄化的绝缘层，从而使得导电体的线槽占空系数得到提高且有效地将在导电体中产生的热进行放热。
[0050]实施例
[0051 ] 将参考实施例更具体地描述本发明。
[0052]〈〈样品的制造》
[0053](1)基材
[0054]作为形成阳极氧化层的基材，准备由纯铝(JIS A1070)制成的圆盘状试验片(25mm(直径)X2mm(厚度))。形成阳极氧化层的试验片的处理表面具有I微米的表面粗糙度(Rz)。
[0055](2)阳极氧化处理
[0056]将试验片浸溃在硫酸水溶液(阳极氧化浴)中，从而通过在用作阳极的该试验片(处理表面)与用作阴极的钼电极之间进行通电而进行阳极氧化处理。在这种情况下，将试验片的除处理表面之外的表面用绝缘带掩蔽以使得在处理表面与钼电极之间进行通电。如表1中所示，对阳极氧化浴中硫酸的浓度(质量％)和温度以及在电极之间施加的电压(层形成电压)进行各种调节以制造多个样品。所有样品都具有10分钟的阳极氧化处理时间。将在阳极氧化处理之后从阳极氧化浴中取出的样品全部用蒸馏水彻底洗涤，用压缩空气吹风以充分除去其水分，且随后在大气中干燥24小时。对于表1中所示的条件的每一种，各自制造两个样品，以进行后述的比电阻和耐击穿电压的测量。
[0057]〈〈测量和观察?
[0058](I)比电阻
[0059]通过使用在图1A中所示的方法获得各样品的比电阻(电阻率)。也就是说，将具有12.5mm的直径的电极Tl经由银膏g连接至在各样品I的基材Ib上产生的阳极氧化层la。另外,将电极T2连接至基材Ib的相反侧表面。在这些电极之间施加100V的直流电压以测量流经闭合回路的电流。基于欧姆定律，使用测量的电流值(I)、施加的电压值(V)、电极Tl的电极面积(SI)和阳极氧化层Ia的厚度(t)计算比电阻(rho=(V/I)XS/t)。由在测量比电阻之后观察到的样品I的横截面照片获得阳极氧化层Ia的厚度(t)。
[0060](2)耐击穿电压
[0061]如图1B中所不,根据JIS H8687测量各样品的耐击穿电压。也就是说，在大气中，通过施加100g的负荷F使接触端面为具有6mm直径的球面状的端子P与阳极氧化层Ia接触。在端子P与连接在基材Ib的相反侧上的电极N之间，施加以25V/s的速率升压的直流电压。在流过该闭合回路的漏电流超过5mA的时间点测量电压值。
[0062]对于各样品测量10个点的电压值。在各次测量中，使端子P与阳极氧化层Ia上的不同点接触。由测量的电压 值获得算术平均值。将该平均值除以阳极氧化层Ia的厚度以获得每单位厚度的耐击穿电压值(简称为“耐击穿电压”)。在上述情况下测量之后，由样品的横截面照片获得阳极氧化层Ia的厚度。
[0063](3)比表面积
[0064]如下获得各样品的阳极氧化层的比表面积(每单位质量的表面积)。也就是说，首先将测量比电阻和耐击穿电压之后的样品浸溃在碱溶液中以溶解基材部分。对通过滤出碱溶液而获得的阳极氧化层的残余物进行干燥。通过上述BET氮吸附法测量残余物的比表面积。
[0065]表1示出了由此获得的各样品的比电阻、耐击穿电压和比表面积。另外，图2A和图2B分别显示比表面积与比电阻之间的关系以及比表面积与耐击穿电压之间的关系。
[0066](4)阳极氧化层的形态
[0067]图3A和图3B分别显不用场致发射型扫描电子显微镜(FE-SEM)观察的I号样品和Cl号样品的阳极氧化层的横截面。
[0068]? 评价 >>
[0069](I)如从表1与图2A及图2B中可以看到，比电阻和耐击穿电压在25m2/g的比表面积附近快速地临界变化。也就是说，发现在25m2/g以上的比表面积下，阳极氧化层的比电阻会从IO9 (欧姆?米)的级别格外快速地升高至101°~IO14 (欧姆?米)的级别。
[0070]发现该趋势也适用于耐击穿电压，因为在25m2/g以上的比表面积下，阳极氧化层的耐击穿电压快速升高多达约4倍，从60伏/微米的等级升高至高达240伏/微米的等级。[0071 ] (2)认为比电阻和耐击穿电压的这种快速变化是由阳极氧化层本身的形态变化所引起的，如可以从图3A和图3B中的显微照片清楚看到的。也就是说，如图3A中所示，在阳极氧化层为由具有不规则表面的非直孔形成的多孔体的情况下，比表面积增加且比电阻和耐击穿电压快速增加。如图3B中所示，在阳极氧化层为由直孔形成的多孔体的情况下，比表面积比较小，即使比表面积在一定程度上发生变化，比电阻和耐击穿电压也保持低。
[0072]据发现，为了通过使用这种具有大比电阻值和大耐击穿电压值的层来获得绝缘层
包覆的铝导电体，应优选在作为导电体的基于铝的基材的表面上形成具有如图3A中所示
的形态的阳极氧化层。
[0073][表 I]
【权利要求】
1.一种绝缘层包覆的铝导电体，包含由纯铝或铝合金制成的基材和包覆该基材的外表面的绝缘层，其中所述绝缘层由在所述基材上形成且具有25m2/g以上比表面积的阳极氧化层构成。
2.根据权利要求1所述的绝缘层包覆的铝导电体，其中所述阳极氧化层为由在厚度方向上延伸的非直孔的集合形成的多孔体。
3.—种绝缘层，其由根据权利要求1或2所述的阳极氧化层形成。
4.一种 形成绝缘层的方法，所述方法包括层形成步骤，其中通过使用由纯铝或铝合金制成的基材作为阳极并在酸性水溶液中对该基材连续施加直流电压，由此形成根据权利要求I~3中任一项所述的绝缘层。
【文档编号】C25D11/04GK103534390SQ201280023203
【公开日】2014年1月22日 申请日期:2012年3月23日 优先权日:2011年5月18日
【发明者】董树新, 松冈秀明, 浦田信也, 中井英雄, 高尾尚史 申请人:株式会社丰田中央研究所