激光处理的导电衬底及其预先处理方法与制造工艺

本文描述的主题一般涉及预先处理导电衬底以便在其上接合非金属材料的方法，并且更具体地说，涉及制造导体组件的方法以及制造导体组件的方法。它同样涉及制备用于在其上接合非金属材料的导电衬底以及供固体绝缘部件使用的金属插入物、绝缘体-导体组件和气体绝缘的开关装置站。除此之外，它涉及经处理导电衬底的用于在其上接合非金属材料的使用，并且具体地说，涉及其在电力系统中的使用，例如在电力传送系统（诸如例如发电机电路断路器或气体绝缘的开关装置站）中的使用。

背景技术：
电气部件的操作寿命可能受电气系统操作期间出现的机械应变的影响。这种机械应变例如可能由电气操作期间产生的热应力引起。这些机械应变在电力系统（例如在配置成承载由高压产生的电流的电力传送系统）中可能特别高，所述电力传送系统诸如例如是发电机电路断路器或气体绝缘的开关装置站。可能特别受机械应变影响的一个单元是导电衬底与机械接合到导电衬底的非金属材料之间的界面。其一个示例是绝缘体-导体组件中的接合界面。因此，绝缘体-导体接合界面能够抵抗高机械应变是符合需要的。这尤其适用于配置成承载高电流的组件。对机械应变的顺应性应该特别高的电气部件的一个示例是由金属插入物所形成的组件与浇铸环氧绝缘体的绝缘体-导体接合界面，其例如用于高压应用中的可靠电力传送。鉴于此，导电衬底（诸如铝衬底）可能在其上接合非金属材料(例如环氧绝缘体)之前进行蚀刻或喷砂，以便改进接合界面中的粘附力。然而，此类方法一般带来一些缺点。例如，对于一些具体应用，蚀刻或喷砂可能未在接合界面中提供适当粘附力。进一步说，常规的预先处理方法可能需要使用毒性物质，诸如用于蚀刻的液体酸，其可能对健康或环境有害。除此之外，这些方法中的一些方法可能涉及附加制造步骤，尤其是清洁步骤，由此增加了制造成本。因此，希望有用于制备用于在其上接合非金属材料的导电衬底的替换方法以及具有适当接合界面的、用于在其上接合非金属材料的衬底。

技术实现要素：
本文描述的实施例包含一种预先处理导电衬底以便在其上接合非金属材料的方法。所述方法包含：(a)将衬底放置在激光源的激光范围中；以及b)用来自激光源的激光照射衬底的表面。由此，在衬底表面上形成微结构。微结构具有如下项中的至少一项：a)至少0.2μm-1的I/Ra比率，I是表面指数，Ra是平均粗糙度；或b)至少0.03μm-1的I/Rz比率，I是表面指数，Rz是平均峰到谷距离。根据本公开，表面指数对应于表面的真实面积(即考虑了由表面上形成的微结构所增加的附加面积)与表面的平坦面积(即没有粗糙度的表面的虚面积)的比率。表面指数可使用具有预先确定的放大因子的白光干扰计进行测量，如在说明书中所进一步详述的。根据本公开的预先处理通常用于制备用于在其上接合非金属材料的衬底表面。由此，便于导电衬底与非金属材料之间的适当接合。在又一实施例中，提供了导电衬底。该导电衬底包含配置用于在其上接合非金属材料的衬底表面。而且，所述衬底表面包含通过用激光照射可获得的激光引发的微结构。微结构具有如下项中的至少一项：a)至少0.2μm-1的I/Ra比率，I是表面指数，Ra是平均粗糙度；或b)至少0.03μm-1的I/Rz比率，I是表面指数，Rz是平均峰到谷距离。根据本文实施例的导电衬底其特征在于所形成的微结构的形态。本公开的发明人已经发现，根据本文实施例的激光引发的微结构示出了具体表面性质，这是通过其它预先处理方法所不能实现的。例如，根据本文实施例的激光引发的微结构通常其特征在于圆化特征。具体地说，本文实施例可示出与通过其它预先处理方法（诸如喷砂(也称为喷钢砂、喷沙、喷珠或介质喷射)）产生的微结构相比陡边的数量减少了。而且，本公开的发明人已经惊讶地发现，根据本文实施例的包含具有激光引发的微结构的衬底表面的导电衬底通常不太容易遭受电老化效应。具体地说，如上所述，相比其它预先处理方法，看来本文的实施例产生了数量减少的陡边。看起来，衬底表面中的此类陡边可在衬底作为导体操作期间引发峰值电压。这些峰值电压可引起由导致电老化的电热效应引起的对导体的损坏。电老化可负面地影响导电衬底或与之关联的其它单元的操作寿命。因此，根据本文实施例制造的衬底便于电气设备的可靠操作。鉴于此，本文的实施例还考虑在高压设备中使用如上所述的导电衬底。根据本文实施例的经激光预先处理的导电衬底可用于在其上接合非金属材料。在一些实施例中，提供了制造导体组件的方法。导体组件包含导电衬底和非金属材料。制造方法包含：根据上面描述的预先处理导电衬底以便在其上接合非金属材料的方法来预先处理所述导电衬底。制造方法进一步包含将非金属材料接合到所述导电衬底的表面。由此，便于导体组件的比较简单的制造工艺。进一步说，通常此类制造工艺不需要使用毒性物质。进一步说，此类制造工艺通常便于导电衬底与非金属材料之间的适当接合。具体地说，该接合便于足够高的粘附力以及污染物颗粒的减少。在其它实施例中，提供了绝缘体-导体组件。绝缘体-导体组件包含如上所述的导电衬底。具体地说，该衬底可包含具有如上所述的激光引发的微结构的衬底表面。绝缘体-导体组件进一步包含接合到衬底表面的电绝缘材料的绝缘体本体。根据本文实施例的组件通常不太容易遭受电老化，使得可改进组件的操作寿命。鉴于此，本文的实施例还考虑在高压设备中使用如上所述的绝缘体-导体组件。具体地说，根据本文实施例的绝缘体-导体组件可用在电力系统中，例如电力传送系统中，所述电力传送系统诸如例如是发电机电路断路器或气体绝缘的开关装置站中。在一些实施例中，提供了包含如上所述的绝缘体-导体组件的气体绝缘的开关装置站。绝缘体-导体组件的导电衬底配置用于在电流中断事件期间承载中断电流。根据本文实施例的包含绝缘体-导体组件的气体绝缘的开关装置站通常不太容易遭受通过由中断电流所产生的高热应力来引起的损坏。在又一实施例中，提供了金属插入物供发电机电路断路器或气体绝缘的开关装置站的固体绝缘部件使用。金属插入物包含上面描述的导电衬底。对根据本文实施例的金属插入物的使用通常便于发电机电路断路器或气体绝缘的开关装置站的特别可靠的操作。本发明的另外方面、优点和特征根据说明书和附图将显而易见。附图说明在说明书的其余部分（包含对附图的参考），更具体地阐述了对本领域技术人员完整而能够实现的公开，包含其最佳模式，在附图中：图1示意性示出了预先处理导电衬底的方法中的步骤；图2示意性示出了根据本文实施例的示范导电衬底；图3是例证制造导体组件的示范方法的流程图；图4示意性示出了通过图3的方法制造的示范导体组件的截面图；图5示意性示出了图4导体组件的一部分；图6示意性示出了盘式绝缘体-导体组件；以及图7示意性示出了示范高压电力传送系统的一部分。具体实施方式现在将详细参考各种示范实施例，其一个或多个示例在各图中例证了。每个示例是通过说明提供的，并不意味着限制。例如，作为一个实施例的一部分例证或描述的特征可在其它实施例上或者结合其它实施例用于得出更进一步的实施例。意图是，本公开包含此类修改和变化。在对附图的如下描述内，相同的附图标记指的是相同部件。一般而言，仅描述了相对于各个实施例的差异。图1示意性示出了预先处理导电衬底12的示范方法。在示范方法中，衬底12被放置在激光源16的激光范围17中。由此，可用来自激光源16的激光24照射衬底12的表面18。在示范方法中，通过用激光24照射来预先处理衬底12的表面18。通常，衬底12和激光24相对彼此移位，以便实现对至少一部分衬底12的预先处理。例如，可在衬底12的表面上扫描激光24，如箭头19所指示的。替换地，衬底12可在照射期间移动以便预先处理衬底12表面的延伸部分。衬底12的移动可包含沿轴移位和/或转动。预先处理可包含衬底12和激光源16的组合移位以便照射衬底12的延伸部分。例如，衬底12可转动，同时沿具体轴扫描激光源16。激光24可从激光源16直接聚焦到表面18上。替换地，激光24可通过适当波导(未示出)被定向到表面18上。根据本文的实施例，用激光24照射产生了表面18形态上的修改。具体地说，照射通常引起在衬底表面18上形成微结构20。所形成的微结构20通常使得它可在放大率在近似x25到x1500范围的光学显微镜中观察到。应该指出，根据本文实施例，在执行预先处理之前，表面18可能已经包含微结构，使得激光照射产生对之前微结构的修改以形成的新的微结构。而且，用激光照射可产生表面18上的附加表面修改或替换表面修改。具体地说，照射可产生对被照射表面的清洁。进一步说，照射可产生对表面18的化学改变。通常，所形成的微结构是本文描述的激光处理的特性。具体地说，微结构20可具有至少0.2μm-1的I/Ra比率，I是表面指数，Ra是平均粗糙度。替换地，微结构20可具有至少0.03μm-1的I/Rz比率，或者除此之外，微结构20还可具有至少0.03μm-1的I/Rz比率，I是表面指数，Rz是平均峰到谷距离，如下面进一步讨论的。根据本文实施例形成的微结构一般不能使用其它预先处理方法（诸如喷砂、钝化、阳极化、电晕处理、蚀刻或它们的组合）形成。通常，激光24的效应被限制到所照射表面。因此，根据本文实施例的预先处理方法便于有选择的预先处理，其被约束到衬底12的接合区域。应该指出，涉及浸泡处理的预先处理方法不便于此类有选择的预先处理。这特别适用于对几何上复杂的衬底进行处理。浸泡处理一般涉及将整个部件浸没在槽中，以使整个浸没的表面受预先处理方法影响。涉及浸泡处理的预先处理方法包含阳极化和蚀刻。此类预先处理方法将需要使用掩膜以便有选择地预先处理衬底12。这一般涉及复杂的工序。而且，衬底12的关键部分的不符合需要的预先处理可导致在其操作期间性能降低。根据实施例的预先处理方法便于以高空间准确度有选择地预先处理衬底12，而无需使用掩膜。除此之外，并且与其它预先处理方法形成对比，本文所描述的激光照射通常便于处理具有任何具体几何形状的衬底。根据本文的至少一些实施例，衬底12具有圆柱形几何形状。替换地，衬底12可具有具体应用所需的任何几何形状，诸如但不限于平面、圆柱形、盘状或环形几何形状。根据具体应用，衬底12的整个表面都可被预先处理。替换地，衬底12的部分表面可被预先处理，如在下文所例证的。图2示范性示出了根据本文实施例预先处理的导电衬底12。在示范实施例中，根据本文的实施例仅预先处理衬底12的中间部分22。通常，但不限于，仅衬底12的配置成接合到非金属材料的部...