相关申请的交互参引
本申请要求2014年8月7日递交的美国临时申请第62/034,358号和2014年8月7日递交的美国临时申请第62/034,308号的权益，在此将所述申请的全部公开内容通过援引加入的方式纳入本文。
本发明的各个实施方案涉及具有电绝缘涂层的铝和铝合金导体。
背景技术：
诸如电磁线(magnetwire)等常规电导体通常是涂覆有聚合物绝缘体的薄护套的铜电线，所述铜电线是柔性的从而使得绝缘电线可以缠绕在磁体周围以利用流过该电线的电来产生磁场。其用于将能量的一种形式改变为另一种形式或使用磁场改变功率密度的各种装置的构造中，实例包括变压器、电感器、电动机、发电机、扬声器、硬盘头驱动器(harddiskheadactuator)、电磁体以及其它电机和需要线圈的应用。同样，承载低电压的电线——例如汽车布线束(wiringharness)和其它低压电磁线组件——常规上由类似的护套铜电线制成。
虽然铜具有比铝更好的导电性，但是，由于铝电线与铜电线相比具有更低的成本和更轻的单位重量(密度)，对铝电线的需求已经增长。仅需要一磅铝就可等同于两磅铜的载流量。铝电磁线有时用于大型变压器和电动机，但是与铜相比其具有各种缺点，包括需要大约两倍于铜电线的横截面积来承载相同的电流，以致于使得大绕组或需要大横截面积的那些可能不想要地增大容纳线圈的设备的尺寸；想要的是减小电线的横截面积，例如通过减小金属电线上绝缘体的厚度。
诸如电磁线和低压线等电导体通常用电绝缘层覆盖，所述电绝缘层通常由有机材料(例如纸、棉、丝、玻璃纤维带或聚酯)构成。最近的常规样品通常使用一至四层聚合物膜绝缘体(通常具有两种不同的组成)以提供绝缘层。这些有机涂覆电磁线由于在高温工作中失效而限制了包含其的产品的寿命。例如，当钻机或小型电机长时间使用时，会产生大量的热量。电磁线绝缘膜(以增大温度范围的顺序)使用聚乙烯醇缩甲醛、聚氨酯、聚酰胺、聚酯、聚酯-聚酰亚胺、聚酰胺-聚酰亚胺(或酰胺-酰亚胺)和聚酰亚胺。有机涂层面临的一般困难是固化涂层在耐腐蚀性、耐化学性和耐高温性方面性能差。
甚至诸如聚酰亚胺等最耐用的有机膜也仅耐不高于约240摄氏度(℃)的温度。较厚的方形或矩形电磁线的绝缘体通常通过用高温聚酰亚胺或玻璃纤维带缠绕来增强，并且完成的绕组通常用绝缘清漆进行真空浸渍以改善绕组的绝缘强度和长期可靠性。玻璃和聚酯/玻璃绝缘体(例如nemac级绝缘体)的额定温度高于单独的聚酰亚胺，但需要在电线周围缠绕细丝，并且通常包括有机材料，例如聚酯纤维、清漆或环氧树脂。这些附加的步骤是劳动密集型的并且由于存在有机材料而仍然具有有限的耐高温性。
用无机材料涂覆电线的尝试在电磁线应用中获得有限的成功。具有氧化铝的阳极氧化涂层的铝电线具有各种缺点，包括在绝缘厚度下的涂层的脆化和非弹性从而导致涂层中的裂纹，特别是当暴露于温度周期变化时。氧化铝在约300℃～450℃的较高温度下也会剥落和脱层。用于阳极氧化铝电线的制造工艺也具有缺点。在商业化阳极氧化中使用的硫酸电解质已被确定为致癌物质，因此造成安全和健康问题。osha对空气中硫酸的极限值仅为1mg/m3。铝的阳极氧化也相对较慢，例如，铝的阳极氧化大约需要1分钟以施加4微米的氧化铝。涂覆氧化铝的铝电线的这种和其它限制反映在工业中阳极氧化铝电磁线的有限的商业成功(如果存在)中。使用无机材料的其它尝试包括围绕铜电线的护套，其中无机粉末填充护套和电线之间的空间。这些护套产品劳动密集性地制得，包括更昂贵且更重的铜电线且使用厚粉末填充的空间，而这显著增大了电线的重量和周长。
在航天航空、船舶、汽车和设备工业中持续需要一种用于铜线电磁线圈组件的低成本、轻质的电磁线替代物，其适合用于线圈装置中，例如换能器，包括驱动器(例如螺线管、电动机、扬声器)；传感器(例如，可变差动换能器(variabledifferentialtransducer))；变压器(例如用于电子设备的降压变压器)，以及发电机和交流发电机。
通常，电磁线圈组件包括至少一根电磁线，其缠绕在绕线管或类似的支撑结构上以产生至少一个多匝线圈。当设计用于螺线管内时，电磁线圈组件通常包括单个线圈；而当在可变差动换能器或变压器内使用时，电磁线圈组件通常包括初级线圈和一个或多个次级线圈。在常规的非高温电磁线圈组件中，绝缘体通常由塑料或其它容易获得的有机介电材料形成。然而，当经受超过约260℃的温度时，有机材料迅速分解，变脆，并最终失效；并且因此所述有机材料不适合在正常或高峰使用期间超过约250℃的电磁线圈组件内使用。甚至在低于260℃的温度下，环境温度和高峰使用温度之间的温度周期变化也往往会使有机绝缘体老化。需要提供能够在温度超过250℃的高温环境中长时间且可靠工作的电磁线。
基于常规有机物的绝缘体还具有“热点”耐性差的缺点，所述“热点”是电线组件上局部温度升高的点。这些“热点”通常发现在工作发动机、歧管和排气组件等附近，其中例如线路、电线束和连接件之间的非有意且/或间歇性接触造成绝缘体熔化或分解，从而导致电流流出电线和电气短路。
考虑到上述情况，想要的是提供适合用于温度超过250℃之处(如热点)和/或在适于在温度超过260℃且不高于约640℃的高温环境中工作的线圈装置(如电机、螺线管、可变差动变压器和双位置传感器等)的电磁线圈组件中的涂覆电线的实施方案。优选地，这种电磁线圈组件的实施方案将对辐射相对不敏感并且非常适于在核应用中使用。想要的是，提供用于制造这种高温电磁线圈组件的方法的实施方案。
技术实现要素：
在一个实施方案中，具有耐高温绝缘涂层的铝或铝合金金属电导体设置有铝或铝合金导体。沉积在铝或铝合金导体上的是包含至少一种非铝金属氧化物的电绝缘金属氧化物涂层。绝缘金属氧化物涂层被化学结合至铝或铝合金导体。
在另一实施方案中，电导体设置有具有外表面的导电芯，其中所述芯包含铝。电绝缘涂层被直接地化学粘附在芯的外表面上。涂层包含至少一种非铝金属氧化物，并且在高温下具有电阻(beingelectricallyresistant)。
本发明的另一目的是提供这样一种电导体，其包括：具有外表面的导电芯，所述芯包含铝；和直接地化学结合在所述芯的外表面上的电绝缘涂层，所述涂层包含至少一种非铝金属氧化物，所述涂层在高温下具有电阻。
本发明的另一目的是提供如本文所公开的电导体，其中所述电导体在加热至至少450℃之后于环境温度下保持电阻。本发明的另一目的是提供如本文所公开的电导体，其中所述电导体在热循环至至少600℃之后于环境温度下保持至少1兆欧姆的电阻。
本发明的另一目的是提供如本文所公开的电导体，其中所述芯包含铝合金。本发明的另一目的是提供如本文所公开的电导体，其中所述至少一种非铝金属氧化物包括二氧化钛，并且所述导体是铝或铝合金导体。本发明的另一目的是提供如本文所公开的电导体，其中涂层的厚度为0.5～50微米。
本发明的另一目的是提供如本文所公开的电导体，其中电绝缘涂层在所述电导体使用之前于环境温度下具有3～30兆欧姆的电阻。本发明的另一目的是提供如本文所公开的电导体，其中涂层在暴露于大于250℃、优选大于300℃的温度之后于环境温度下具有至少4兆欧姆的电阻。
本发明的另一目的是提供如本文所公开的电导体，其中涂层是用于所述电导体的唯一电绝缘体，并且所述涂层在施加的电压不高于120伏特且峰值电压不高于约140伏特的情况下是电绝缘的。
本发明的另一目的是提供如本文所公开的电导体，其中电绝缘涂层是均匀的。本发明的另一目的是提供一种如权利要求5所述的电导体，其中电绝缘涂层还包含氧化铝并且与芯的外表面具有界面；并且其中氧化铝浓度在与芯的外表面的界面处较大，并且随着距所述界面的距离的增大而减小。
本发明的另一目的是提供如本文所公开的电导体，其中电绝缘涂层的表面积比用电绝缘涂层涂覆之前的裸芯的表面积大至少100倍。本发明的另一目的是提供如本文所公开的电导体，其中电绝缘涂层是电瓷涂层。
本发明的另一目的是提供如本文所公开的电导体，其还包括围绕涂层的电绝缘壳从而使得所述涂层位于壳和芯之间。本发明的另一目的是提供如本文所公开的电导体，其中电绝缘壳包括搪瓷、密封剂、有机涂层。
本发明的另一目的是提供一种用于传输信号和电力中的至少一种的电线束，所述电线束包括由如本文所公开的电导体形成的至少一根电线。本发明的另一目的是提供如本文所公开的电线束，其中由电导体形成的至少一根电线是120伏特以下电路的一部分。
本发明的另一目的是提供一种电机，其包括：包含如本文所公开的电导体的绕组。本发明的另一目的是提供一种电机，其中绕组是运动绕组或固定绕组。
本发明的另一目的是提供如本文所公开的电导体，其中电绝缘涂层通过包括以下步骤的方法形成：使裸露电线与包含含有用于电绝缘涂层的前体的含水溶液的浴接触，所述裸露电线提供所述芯；操作与所述裸露电线电连通的电气化设备，以使所述裸露电线以高电压和高电流通电；使所述裸露电线在所述浴中与所述前体发生电化学反应，以在所述电线的外表面上沉积电绝缘涂层，由此制得涂覆电导体。本发明的另一目的是提供一种电导体，其中制造所述导体的方法还包括：将裸露电线连续地供给通过具有阴极连接件并且包含含有用于电绝缘涂层的前体的含水溶液的浴；在所述阴极连接件的存在下使所述通电裸露电线通过包含用于电绝缘涂层的前体的含水溶液，从而在足以导致电线的电化学反应的停留时间内使电流从所述通电裸芯通过所述含水溶液流至所述阴极连接件；以及从所述浴中连续地移除所述涂覆电导体。
附图说明
图1示出了一个实施方案的作为外涂(over-coat)有电绝缘涂层的电线的电导体的横截面；
图2示出了另一实施方案的作为外涂有电绝缘涂层的电线的电导体的横截面；
图3示出了具有作为线圈中电磁线的电导体的电机的示意图；
图4示出了具有作为初级线圈和次级线圈中电磁线的电导体的变压器的示意图；
图5示出了一个实施方案的具有包含电导体的音圈的扬声器的示意图；
图6示出了一个实施方案的包含电导体的用于汽车的电线束；和
图7示出了一个实施方案的用于涂覆电导体的方法步骤的示意图。
具体实施方式
现在将详细提及构成发明人目前已知的实施本发明的最佳模式的本发明的组合物、实施方案和方法。附图不一定按比例绘制。然而，应当理解，所公开的实施方案仅仅是可以以各种和替代形式实施的本发明的示例。因此，本文公开的具体细节不应解释为限制性的，而仅仅是为本发明的任何方面的代表性基础和/或为教导本领域技术人员以各种方式使用本发明的代表性基础。还应当理解，本发明不限于下面描述的具体实施方案和方法，因为具体的组分和/或条件当然可以变化。此外，本文中使用的术语仅用于描述本发明的具体实施方案目的，而不旨在以任何方式对其进行限制。
除了在实施例中或另有明确说明，本说明书中指示材料的量或者反应和/或使用的条件的所有数值量均应理解为在描述本发明的最宽范围时由词语“约”修饰。此外，除非明确地相反指出：百分比、“份数”和比值以重量计；作为适合于与本发明有关的给定目的的一组或一类材料的描述暗示该组或类的任何两个以上成员的混合物同样适合；化学术语中的成分的描述是指在添加到说明书中指定的任何组合时的成分，并且不必然排除混合物的成分在混合后的所述成分之间的化学相互作用；首字母缩略词或其它缩写的第一次定义适用于本文中相同缩写的所有后续使用，并且稍加修改适用于初始定义缩写的正常语法变体；并且除非明确地相反指出，否则通过与先前或稍后针对相同性质提及的相同技术来确定性质的测量。还必须指出，除非上下文另有明确说明，否则如说明书和所附权利要求书中所使用的单数形式“一”、“一个”和“所述(该)”(“a”、“an”和“the”)包括复数指示物。例如，以单数形式提及组分旨在包括多个组分。在本申请全文中，当引用出版物时，这些出版物的全部公开内容通过援引加入的方式纳入本申请，以更充分地描述本发明所属领域的状态。本文所用的术语“均匀的”是指各处具有相同组成的层。在一种改进(refinement)中，该术语是指在大于100nm的尺寸规模上具有相同组成的层。例如，均匀层不是具有分散在粘合剂、特别是树脂粘合剂中的颗粒的层。本文所用的术语“绝缘”是指作为电阻测量的电绝缘性质。
图1示出了一个实施方案的电导体10的横截面图。可将电导体作为电线12提供，并且其可以具有各种横截面形状，包括所示的圆形、矩形、梯形以及本领域已知的其它形状。电导体可以是所示的涂覆有具有多个孔16的涂层14的单股。孔16至少部分地限定本文所述的涂覆电线的增大的表面积。想要的是，可以使用铝或各种铝合金来形成电线12或其它电导体，并且涂层14可以是除包含氧化铝之外还包含其它金属氧化物或包含代替氧化铝的金属氧化物的电瓷涂层。
在其它实施方案中，电导体可以是一束电线，例如多股电线或编织电线，其中对各股逐一涂覆或对其作为束涂覆。对于形成导体的一束电线而言，可以仅涂覆一些电线。在一个变型中，所有外围电线涂覆有电绝缘涂层，并且在其它变型中，内部电线中的至少一根也涂覆有电绝缘涂层。在一些应用中，束中的所有电线都涂覆有电绝缘涂层。
常规上，诸如电磁线和低压线等电导体通常用由有机材料或搪瓷构成的电绝缘层覆盖，并且可能需要1～4层聚合物膜和/或纤维绝缘体(其常具有两种不同的组成)来提供绝缘层。甚至最耐用的有机膜也仅耐受不高于约240℃的温度。本公开的涂层14提供改进的耐高温性，从而使得电磁线和低压线上的涂层14具有耐受大于600℃的温度的绝缘体。涂层14被化学结合至铝电线，从而使得涂层的电绝缘性不会随着温度周期变化而被破坏。另外，电化学涂层14显示对大温度变化和热冲击的回弹性(resilience)，而不损坏涂层或失去其电绝缘性。涂覆有电化学涂层的电线也被保护免于腐蚀，这对于电瓷涂层的未密封使用和对于具有电瓷涂层作为第一层而后是其它绝缘层的绝缘电线均是有益的。由于与裸露铝电线表面积相比电瓷涂层的表面积增大而致的在有机层和电瓷涂层的界面处的紧密接触，电瓷涂层通过有机层提供了改善的铝电线的粘附性和密封。电瓷涂层还充当铝电线和渗透所述铝电线上的外部有机涂层的任何水分或冷凝物之间的阻隔物。
在本公开的一个方面中，铝或铝合金导体具有电绝缘金属氧化物涂层，所述涂层包含至少一种化学结合至所述导体的非铝金属氧化物，而在涂覆电线上没有额外的绝缘体或覆盖物。想要的是，当导体上的涂层以其它方式未密封时，电气应用可以以120伏特或更小以及在接近640℃的应用中工作。电磁线是使用这种导体的一个实例。电磁线广泛用于许多电气设备中，以将电能改变为磁能以及将磁能改变为电能，从而用于各种用途。磁能可用于改变或产生电能；产生机械运动，例如声或物理驱动(actuation)等。使用这种电线的合适的实例包括电动机；电动工具，如钻机；变压器上的绕组，如手机充电器中的降压变压器；电磁体；电感器，如用于电路板中；各种类型的传感器；可变差动换能器；螺线管；扬声器；等等。
或者，在不需要极端温度耐性的情况下，电瓷涂覆电线可用于较高电压应用，即大于120伏特，前提条件是其在这样的高压下被适当地密封或涂覆了具有绝缘能力的材料。可以使用本领域已知的多种密封剂和有机层来增大电瓷涂覆导体的击穿电阻，从而使得较高的电压不会导致导体10的电绝缘损失。适合用于本公开的这个方面的用途包括用于腐蚀性环境(例如盐水、化学工厂)中的导体，以及可用于汽车、船舶、工业和航天航空应用中。
在本发明的另一方面，如图2所示，氧化物层14是导体10上的电绝缘体的最内基层，并且由电气领域中已知的一个或多个额外的绝缘层18覆盖，例如如上所述的常规有机涂层或搪瓷或壳。这种布线的合适实例可以是为了安全和传感器布线。这可特别用于在汽车应用中，以防止例如用于制动灯、尾灯、拖车灯和安全气囊应用的关键布线的短路。如果外部常规有机绝缘体18通过因暴露于热点、盐或其它腐蚀性环境所致的熔化、燃烧、腐蚀等而受损，则金属氧化物的内基涂层将防止导体10的短路。
与市售可得的有机涂覆电线产品不同，本发明的电导体10可以承受高工作温度而不劣化。纯铝的熔点为660℃，并且电瓷涂层在高于该温度时不熔化并保持完好，从而使得图1的涂覆电线的作为失效模式的绝缘体的热降解减少。虽然大多数有机涂层(例如搪瓷产品)在约90～240℃之间开始劣化，并且氧化铝阳极氧化膜在300～450℃下裂纹和开裂，但是本公开的绝缘涂层14已经被测试到高达620℃的温度且与700℃的热源接触而外观没有可见的改变，更重要的是同时保持了高电阻。这使得导体特别可用于用于电磁驱动装置(如螺线管、电机中的定子、线圈、扼流圈和变压器)的高温应用中。
热循环是电气设备耐久性的一项重要量度，特别是在设备受到间歇使用的情况下，例如用于电子器件的一些电动机、适配器和充电器等。本发明的涂层耐受温度差跨度多达约800℃的热循环，而没有电绝缘失效。也就是说，本公开的具有涂层的导体不遭受导体的任何短路。
在本发明的另一方面中，提供了包含根据本发明进行涂覆的电磁线的线圈的制品，该制品可以选自变压器、电感器、电动机、扬声器、硬盘头驱动器、电磁体和包含电磁线圈或绕组的其它装置。这种制品提供相同的功率定额，如电动机等，显著减小的电动机重量和增大的温度性能范围，所述增大的温度性能范围使得例如螺线管和电动机能够在更高温度工作而不损害防止设备失效的绝缘体。铝的密度小于铜密度的1/3，并且铝导体的重量是具有相同电阻和相同长度的铜导体的约1/2。仅微米厚的绝缘涂层的重量减轻特别可用于航天航空和汽车应用中，其中产品的轻质化可产生长期的节能。在用于运动绕组(例如旋转绕组等)的电磁线中，与铜相比，更轻的铝导体还提供了更优异的性能。铝的较低质量导致运动绕组的惯性较低，从而在运动线圈中提供了较高的灵敏度和响应。
电机可以是电动机、发电机或使用电磁线圈的其它设备。电机可以是被配置为将电改变为运动或将运动改变为电的机电能量转换设备。电机也可以是将电(如电能)改变为磁力的设备。电机的实例包括换能器、硬盘头驱动器、螺线管、电动机、发电机、交流发电机、音圈或扬声器线圈等。在一个实例中，电机如图3中所示例的。所示例的电机是电动机，并且其具有磁体22、转子24和定子26。定子26设置有电磁线的线圈20。电动机可以是具有绕组或线圈的多种类型的电动机中的任一种，包括：直流(dc)、交流(ac)、自整流的(self-commutated)、外部整流的(externallycommutated)、无刷的、异步的、同步的等。在另一个实例中，转子设置有线圈。线圈20可以被设置为励磁绕组和/或电枢绕组。线圈20中的电磁线可以是本公开的且关于图1或图2示例和描述的涂覆电导体。
在另一实例中，图4示例出了另一电机。电机将电转换成磁力，并且可能转换回成电。电机装置的实例包括变压器、电感器、电磁体等。所示例的电机是具有磁芯32、初级线圈34和次级线圈36的变压器31。两个线圈34和36都设置有电磁线30。v1和v2表示由一个线圈中的电压变换为另一线圈中的不同电压而产生的两个不同电压。电磁线30可以是本公开的并且如关于图1或图2示例出和描述的涂覆电导体。
在另一实施方案中，图5示出了音圈驱动器。音圈驱动器可以用在扬声器、换能器和其它应用中。所示例的音圈驱动器是具有音圈40、磁体42、信号输入44、振动膜(diaphragm)46和框架48的扬声器41。当电信号施加到音圈时，磁体和线圈相互作用，从而产生使振动膜46前后移动而产生声音的机械力。音圈40设置有电磁线。线圈40中的电磁线可以是本公开的并且如关于图1或图2示例出和描述的涂覆电导体。
在另一实施方案中，螺线管设置有具有如关于图1所描述和示例出的电导体的电磁线圈。具有电磁线的螺线管的实例包括阀、门锁定机构等。需要长时间保持打开的常闭螺线管表现出改善的耐久性，并且由于本公开的绝缘涂层显著增强的耐久性而继续工作而不失效。
在另一实施方案中，图6示例出了布线束。布线束可以用于在部件之间传输信号和/或电力。布线束可以用于各种应用中，并且包括汽车、航天航空、船舶、消费产品等。所示例的布线束具有一束电线，所述电线各端具有各种连接器。线束的各根电线50可以是如关于图1所描述和示例出的电导体。在另一实例中，线束的各根电线50可以是如关于图2所描述和示例出的电导体(electricalconnector)。
在一个方面中，初始绝缘性质(即对通过绝缘涂层的电导的电阻)和在高温暴露后的绝缘性质保持为显著高于新制铜电磁线。在另一方面中，根据本发明涂覆的铝导体与铜相比具有较低的杂散电流损失，这是相对于常规产品的改进，并且其比铜便宜。
在一种改进中，绝缘涂层14包含占绝缘涂层总重量的至少10重量％的氧化铝和至少一种非氧化铝的金属氧化物。在另一改进中，绝缘电瓷涂层14可以包含占所述涂层总重量的至少5重量％、10重量％、15重量％、20重量％、25重量％或30重量％的氧化铝，并且独立地可以包含占所述涂层总重量的至多80重量％、75重量％、70重量％、60重量％、50重量％或40重量％的氧化铝。
在一些实施方案中，非氧化铝的一种或多种金属氧化物以占绝缘涂层总重量的至少10重量％、15重量％、20重量％、25重量％、30重量％、35重量％、40重量％、45重量％或50重量％且占绝缘涂层总重量的至多95重量％、90重量％、85重量％、80重量％、75重量％、70重量％、65重量％、60重量％、55重量％的量存在。
电绝缘电瓷涂层14被直接化学结合至导体或电线基材表面并且与金属表面具有界面。将铝从金属表面至少部分地纳入电瓷涂层14中提供了改善的涂层粘附性。在一个变型中，氧化铝浓度随着绝缘电瓷涂层的厚度变化，其中氧化铝的量在涂层-基材界面处较大并且通常随着距电线基材金属表面的距离的增加而减小。例如，铝浓度在距界面0.1微米处可比在距界面3、5、7或10微米处大10～50％。
在一个实例中，非氧化铝的金属氧化物包括二氧化钛。合适的非氧化铝的金属氧化物的实例包括但不限于包含以下物质的氧化物涂层：钛氧化物、锆氧化物、铪氧化物、锡氧化物、锗氧化物、硼氧化物、铁氧化物、铜氧化物、锰氧化物、钴氧化物、铈氧化物、钼氧化物、钨氧化物、钇氧化物、铋氧化物、氧化锌、钒氧化物或它们的组合。氧化物涂层可以有利地是如下更详细所述制备的均匀电瓷层。绝缘涂层14可以包含均匀形式组合的氧化铝和一种或多种非氧化铝的金属氧化物，从而使绝缘电瓷涂层可以是各处相同的。或者，绝缘涂层14可包含氧化铝和其它金属氧化物的组合，其形式具有氧化铝的域(例如，晶粒或微晶)和一种或多种非氧化铝的金属氧化物的域。电瓷涂层14可以具有非晶和结晶区域。该变型不包括保持氧化物混合物的粘合剂树脂或基质。涂层14不包含烧结的独石(monolith)、孔模(casement)或陶瓷体或者松散或压缩粉末氧化物，而是化学结合至铝或铝合金电线的涂层。
在一种改进中，涂层14可以与下面的裸露铝或铝合金电线直接接触，并且还可以暴露于环境。涂层14为裸露电线12提供电绝缘涂层，并且具有比裸露电线12(例如铝)更高的电阻率。通过涂覆导体10中的电线12，可使所述电线电绝缘，以防止电线在使用期间短路等。
在一个实例中，涂层设置有二氧化钛。电绝缘涂层14的电阻可以是1、2、3、4、5、6、7、10、15、20或30兆欧姆。在另一实例中，电绝缘涂层14的电阻可以是3、4、5、6、7、10、15、20或30兆欧姆/厘米。在一个实例中，涂层14的电阻在涂覆过程后且在电导体用于应用中之前可以为10、15、20、25或30兆欧姆。在另一实例中，涂层14的电阻在涂覆过程后且在电导体用于应用中之前可以为10、15、20、25或30兆欧姆/厘米。
二氧化钛是具有相对高带隙的半导体材料。根据astmd149-09(2013)测试说明，使用gwinstekmodelgpt815介电击穿测试装置测试本文公开的包含二氧化钛和氧化铝的电瓷涂层的介电强度。测量表明，根据astmd149-09(2013)测量，涂层14在10微米下具有180-300伏的介电强度。因此，涂层14可以在从1伏特的几分之一(fractionsofavolt)直到并包括120伏特的范围的应用中用作导体10的唯一电绝缘体。当应用使用高于材料的介电强度的电压时，所述材料可允许电流泄漏。与有机绝缘体(如塑料绝缘体)相比，铝电线上的二氧化钛涂层的益处是短期电压浪涌高于120伏特可允许泄漏，而不会在较小电压下对涂层的绝缘能力造成永久损害。相反，有机涂覆电线的短路不可逆地损坏绝缘体，从而在电线中产生永久的电弧斑点或短路。
另外，本文所述的涂层14可以被重复加热至多约600℃、610℃、620℃、630℃或640℃，或接近下层电线12的熔化温度，同时保持涂层的电阻，如下面的实施例中所示。这使得涂层14可用于常规绝缘涂层原本无法利用的高温应用。
与裸露电线表面积相比，绝缘涂层14通常增大电线表面积。增大的表面积提供了增大的来自电线的辐射性发射，以及改善的对流冷却。这可以帮助各种高温应用或设备中电导体10或设备本身的热管理。在这点上，涂层14可以具有比涂覆所述涂层之前的裸露电线(例如铝或铝合金)的表面积大10～1000倍的表面积。在一种改进中，涂层14可以具有比涂覆所述绝缘涂层之前的裸露电线的表面积大至少100倍的表面积。在另一改进中，涂层14可以具有比涂覆所述绝缘涂层之前的裸露电线的表面积大大约700倍的表面积。表面积可以通过例如由astmc1274-12阐述的bet法测定；其全部公开内容通过援引加入的方式纳入本文。在其它改进中，涂层14通常具有比下面的涂覆电线的表面积(例如裸露电线的表面积)大大约10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、120、130、140、150、170、180、190或200倍的表面积。在另一改进中，涂层14具有比下面的涂覆电线的表面积(例如裸露电线的表面积)大100～1000倍的表面积。在其它改进中，涂层14通常具有比下面的涂覆电线的表面积(例如裸露电线的表面积)大低于1000、500、400、350、300、250或225倍的表面积。通常，其上沉积有电瓷涂层的电线可以具有比下面的涂覆电线的表面积大大约10、20、30、40、50、60、70、80、90、100、120、130、140、150、170或200倍且比下面的涂覆电线的表面积大低于1000、950、900、850、800、750、700、650、600、550、500、450、400、350、300、250或225倍的表面积。根据一个实例，涂层14将电线的表面积增加一到两个数量级，即十倍或一百倍等。在另一实例中，涂层的bet表面积可以是裸露金属电线的bet表面积的140～700倍，并且具有800mg/平方英尺的重量。在另一实例中，绝缘涂层14的表面积可以是横截面积的100～1000倍，且在另一实例中是横截面积的700倍。
绝缘电瓷涂层通常在紫外(uv)光中是稳定的。另外，涂层14可以是耐刮擦的，并且能够随着电线12或涂覆电线弯曲而不会剥离、开裂或断裂。涂层14足够薄，从而使得它们不会显著增大电导体的总重量。在一个实例中，绝缘涂层的厚度通常为至少约1、3、5、7、9、10、11或12微米，并且其厚度通常不大于约25、20、28、16、15、14或13微米。在另一实例中，绝缘涂层的厚度为0.5～50微米。在一些实例中，取决于厚度和化学组成，绝缘涂层将基材的质量增大4g/m2至20g/m2。
涂层14通常可以是围绕电线12外周的具有恒定或大致恒定厚度的均匀涂层。想要的是，该均匀性在不进行涂层的抛光、磨光或其它去除方式的情况下实现。在一个实施方案中，厚度可以变化0至25％，例如至少1％、3％、5％、7％、9％或10％，并且想要的是，不超过25％、20％、18％、16％、14％或12％，其中越厚的涂层可以接受越高的公差。电绝缘电瓷涂层提供了裸露电线12的电绝缘。已经证明，电线上的涂层14通过了0t-1t的t弯曲试验，显示出高弯曲强度和对电线的高粘附性，以在使用期间在风华条件和受力下提供柔性。
涂层14可以具有多个孔16。这些孔16至少部分地限定了如上所述的涂覆电线的增大的表面积。孔16还可以提供用于获得导体10上的任何额外涂层或壳(例如有机绝缘层或额外的高压密封剂)的改善的化学和机械粘附的表面。
如上所述，电线12包括设置在其表面上的高表面积、高电阻率涂层。特别是，这些涂层可以通过美国专利no.6,797,147、6,916,414和7,578,921中所阐述的方法制备；这些专利的全部公开内容通过援引加入的方式纳入本文。通常，涂层通过下述方法形成：其中裸露电线可以与包含含有用于电瓷涂层的前体的含水溶液的浴接触。将裸露电线以高电压和高电流通电；并在浴中与前体进行电化学反应，以在电线的外表面上提供电绝缘涂层。如本文所用，在涂覆装置和方法中使用的“高电压”包括至少约140伏特～约800伏特的峰值电压电势；本文所用的“高电流”包括至少约20安培～约1000安培/电线的有效电流。这些值可以在于至少10、20、30、40或50kw的功率/电线施加范围内实施连续涂覆过程时变化。假如电线具有足够大的横截面积来承受额外的kw而不损坏电线，则可以对电线施加更大的kw。
可以使用直流电和/或交流电。在一些实施方案中，电流可以是频率为0.01～40毫秒的方波形式。频率可以从25hz调整到25,000hz，可以是高频如200～25,000hz或100～10,000hz等。波形可以包括ac、dc或脉冲dc电流中任一种的正弦曲线形、三角形和/或矩形，以及包含叠加波形的复合波形，例如直流波形上的交流波形。
高电流是等于或大于约20～1000安培/电线的有效电流。随着电线尺寸增大，电流承载容量也增大，而不损坏电线。在电解涂覆过程中，通过电线的电流过大可能导致电线的过度加热，导致电线脆化。根据要涂覆的电线的规格，对于高压线而言，安培数可以调节为至少20、30、40、50、60、70、80、90或100安培，并且优选不超过1000、800、600、400、300、200、180、160、140、120安培/电线(即单股电线)。施加的电流可以是交流电、不对称交流电、直流电或脉冲直流电。在一些实例中，使用直流电并且可以将其以开/关波形施加。在一个实施方案中，波形的总周期为至少0.01、0.1、1或10毫秒～50、40、30、20或15毫秒。可以将波形调整到至少以下的比率：0.1、0.3、0.6、1.0、1.2、1.5、1.7、2.0、2.2、2.5、2.8、3.0、5.0、10.0或最高达无穷大比率，其中直流电流为始终开，没有关的部分，也称为直线dc。
通常，停留时间范围下限为约1、2、3、4、5、6、8或10秒，并且至少为了效率其不超过180、160、140、120、100、60、45、30、20或15秒。在一个实例中，停留时间为约5～10秒。通常，供给速率或电线速度取决于获得为了得到所需涂层性质(如厚度、表面积和电阻率)的足够的停留时间，并且想要的是范围可以为约10英尺/分钟～约200英尺/分钟。只要保持停留时间，可以使用更高的速度。
在另一实施方案中，涂层的电阻率通过改变电解浴中电瓷涂层前体的类型(identity)而改变，例如，前体元素可包括ti、zr、zn、hf、sn、b、al、ge、fe、cu、ce、y、bi、p、v、nb、mo、mn、w和co。在一个实施方案中，通过改变含水溶液的铝和/或锆浓度来调节涂层的特征。氧化铝和/或锆氧化物的纳入有利地能够调节涂层特征，例如，绝缘涂层的耐磨性。用于形成电绝缘涂层的化学前体优选不含以下化学物质：铬、氰化物、亚硝酸根离子、草酸盐；碳酸盐；硅，例如硅氧烷、有机硅氧烷、硅烷、硅酸盐；羟胺、钠和硫。具体地，按照给定顺序并独立地对于下面列出的各个优选最小化的组分，优选度渐增的是，当在根据本发明的方法中直接与金属接触时，本发明的用于电瓷涂层的前体含有不超过1.0％、0.35％、0.10％、0.08％、0.04％、0.02％、0.01％、0.001％或0.0002％的以下各成分：铬、氰化物、亚硝酸根离子；草酸盐；碳酸盐；硅，例如硅氧烷、有机硅氧烷、硅烷、硅酸盐；羟胺、钠和硫。
导体10中使用的铝或铝合金电线可以用电瓷稳定涂层连续地涂覆。涂层可以在连续过程中施加。在一个实例中，提供了如图7所示例的连续过程。
在图7中，在步骤60中，将金属形成为电线；这是该过程中的任选存在的步骤。以金属工件开始，可以使用挤压过程、拉拔过程或其它金属成型过程来通过使用铝或铝合金产生裸露电线。或者，步骤60可包括获得具有所需几何形状的市售可得裸露铝电线并将其提供给涂覆生产线。
在本发明的方法中，裸露电线可以设置在绕线轴、卷轴或其它电线载体(wirecarrier)上，其可以用于将电线供给到涂覆过程中。想要的是，用于将裸露电线供给到涂覆过程中的电线载体包括绕其缠绕裸露电线的绕线轴和卷轴等。裸露电线将被本领域技术人员理解为在不存在耐久性施加涂层或护套(例如油漆、绝缘体、转化涂层等)的情况下具有金属铝或铝合金的表面的电线；裸露电线可以包含一些污染物，例如成形润滑剂(lube)、油、污物和因环境氧化而形成的薄氧化铝层，以及用于运输而施加以减少电线表面损害的临时处理物。在一个非限制性实例中，电线可以具有如本领域中已知用于至多约120伏特的电功率应用中使用的电导体的各种直径。
在一个实施方案中，使用用于电线的涂覆子过程来涂覆裸露电线，如方框62笼统显示的那样。本发明的方法可以包括较多或较少数量的步骤，步骤的不同变化，并且该方法中的各个步骤的顺序也可以与其它实施方案中所示例的流程图不同。例如，在电线表面上仅具有少量污染物的裸露电线可以在不进行预清洁步骤的情况下进行涂覆，或者重度污染的电线可以受益于具有几个子步骤(例如清洁、酸洗和漂洗)的预清洁步骤。
在图7中，在步骤64，将含有裸露电线的绕线轴a连接到涂覆设备(例如放入涂覆设备中或放置在涂覆设备上)。将裸露电线端供给通过涂覆设备并连接到绕线轴b。将绕线轴b指定为其上具有涂覆电线的绕线轴。基于装置在操作之前的初始设置，绕线轴b上的一短段电线可以是未涂覆的，例如裸露电线端部与绕线轴b的连接在绕线轴b上提供了较短初始长度的未涂覆电线。在其它实施方案中，将裸露电线从另一过程(例如金属成形或其它金属处理过程)直接供给到涂覆设备中，并且没有设置供给绕线轴，例如绕线轴a。同样，可以将涂覆电线在涂覆之后直接供给到其它加工站中而不是供给在收集绕线轴上，例如用于搪瓷或有机壳或涂层的额外的涂覆步骤。可以使用上述集成的方法，只要流过涂覆溶液和通电电线的电流不干扰其它操作并且从经济或健康和安全的观点来看并非不利的。
在步骤66，如本文所述，通过使用通电装置而使装置中的电线通电至高电流和高电压，从而使得电线在包含用于涂层的化学前体的溶液的浴中充当阳极。在一个实例中，通电装置是具有接触轮的旋转开关，其中当将电线供给通过该过程时接触轮随电线的通过而旋转；并且所述装置可以包括液态汞旋转接触。在浴内提供阴极。将通电装置和阴极均电连接到电源，其中当被激活时，所述电源经通电装置将电流传递到电线，从而使得电流从阳极电线经溶液到达阴极。
在步骤68，操作电动机以供给电线通过浴以涂覆电线。所使用的电动机(motor)的类型不以任何方式特别限制，并且可以包括例如电动机(electricmotor)、内燃机、基于气动或液压动力的电动机等。如果仅仅为了经济，优选电动机。在一个实施方案中，电线的速度可基于反馈回路来调节，该反馈回路将涂层特征的数据(例如测量的涂层厚度)例如实时或以其它方式提供给控制器。在一个实施方案中，提供了用于监测电线速度、电动机参数并能够利用与该设备相关联的调整和/或其它设备改变上述参数的用户界面。
在步骤70，可以操作清洁装置，例如喷射系统、酸或碱性清洁浴、超声装置、脱氧浴和/或气刀等，以在裸露电线进入涂覆浴中的溶液之前清洁所述裸露电线。在一个实例中，喷射系统提供了高压去离子水来清洁电线。清洁过程可以为涂层沉积提供更好和更均匀的基材表面，并且还可以减少将碎屑或其它污染物引入到涂覆浴中。
在步骤72，通过电化学过程涂覆经过浴的电线，从而在电线的表面上提供陶瓷涂层。在一个实施方案中，浴中的溶液是含有包含钛源和磷源的涂覆前体的含水溶液。在一个实例中，含水溶液含有h2tif6和磷源。在电线表面上沉积电瓷涂层，其包含来自基材和来自溶液的金属的氧化物。在一个实施方案中，在铝电线的表面上形成包含氧化铝和二氧化钛的氧化物涂层。想要的是，氧化铝以1～25重量％的量存在于涂层中，其余的包含二氧化钛和非零的少量来自浴的元素。在一个实例中，涂层包含其量为占绝缘涂层总重量的至少5重量％、10重量％、15重量％、20重量％或25重量％或30重量％的氧化铝。在另一改进中，电瓷涂层包含其量为占绝缘涂层总重量的至多80重量％、75重量％、70重量％、60重量％或50重量％或40重量％的氧化铝。通常，一种或多种非氧化铝的金属氧化物以占绝缘涂层的总重量的至少20重量％、10重量％、15重量％、20重量％、25重量％、30重量％、35重量％、40重量％、45重量％或50重量％的量存在。在一个变型中，氧化铝浓度随着绝缘涂层的厚度变化，其中所述氧化铝浓度在涂层-基材界面处较大并且通常随着距电线基材的距离的增加而减小。例如，铝浓度在距界面0.1微米处比在距界面3、5、7或10微米处大10～50％。
在另一实施方案中，涂层的电阻率通过改变电解浴中电瓷涂层前体的类型而改变，例如，前体元素可包括ti、zr、zn、hf、sn、b、al、ge、fe、cu、ce、y、bi、p、v、nb、mo、mn、w和co。在一个实施方案中，通过改变含水溶液的铝和/或锆浓度来调节涂层的特征。氧化铝和/或锆氧化物的纳入有利地能够调节涂层特征，例如，绝缘涂层的颜色和/或耐磨性。
当形成涂层时，可沿着电线表面发生可见的辉光或可见光放电。电化学过程可以是等离子体过程。电线可以提供具有氧自由基的阳极连接件，其中所述氧自由基与电线表面处的钛阴离子反应，以形成氧化钛，例如二氧化钛。在浴中的阴极连接件处的质子可能导致氢气的形成，因为使含水溶液中的水发生电解，其想要地可以通过一个或多个任选存在的排气罩或排气系统控制和去除。在其它实例中，可以使用其它化学溶液来提供涂覆电线。
在步骤74，使用包括控制器的控制系统来控制电动机的速度和电线的速度。通过改变电线的速度，可以控制电线在浴中的停留时间，从而与其它过程参数一起控制涂层厚度和来自电线的铝溶解量。还可以通过例如限定较长路径通过浴来获得更长的电线的停留时间。涂层的厚度也可以通过修改所使用的波形和/或电压来控制。控制系统还可用于调节绕线轴a和b的绕线轴速度中。对于设置在绕线轴上的电线，当将电线从绕线轴a取出时，为了保持电线行进通过浴的恒定速度，可以增大绕线轴a的旋转速度来补偿每次旋转所提供的较小量的电线。同样地，当涂覆电线堆集在绕线轴b上时，为了保持电线的相同供给速度，绕线轴b的旋转速度可以减小，以补偿在每次旋转期间围绕绕线轴b的因增加的涂覆电线而增大的周长堆集的更大量的电线。可以使用可在加工线的主要部分前方存储高达约300米以上电线的收集器(accumulator)，来控制电线速度和在浴中的接触时间。控制系统还可以控制连接到浴的冷却系统以冷却溶液并将溶液温度保持在预定范围内，想要的是，从环境温度、通常约20℃至小于100℃、95℃、90℃、80℃、70℃、60℃、50℃或40℃。
在步骤76，在电线离开浴之后，可以去除残留在涂覆电线上的任何多余的溶液，并且想要的是，涂覆电线可以用水漂洗。在一个实施方案中，可以将具有或不具有漂洗水的过量溶液在回收过程中返回到浴中。在步骤78，将涂覆电线收集到绕线轴b上。当绕线轴a清空或接近清空时，涂覆过程62停止，并且从设备中移除包含涂覆电线的绕线轴b。
虽然描述了单根电线的涂覆过程62，但是可以将多根电线同时供给通过浴，其中每根电线均以高功率通电，如本文所述。为了同时涂覆多根电线，应当在通电电线之间保持最小间隔以避免形成电弧，并且各根电线可以设置单独的通电装置和引导件，以及由单独的绕线轴供给和收集。
以下实施例示例说明了本发明的各种实施方案。本领域技术人员将认识到在本发明的精神和权利要求的范围内存在许多变型。
实施例：
实施例1：
将铝电线浸入包含溶解的ti、磷酸盐和蚀刻剂的电解质中。铝电线的直径为0.76mm，其在490伏(峰值电压)和185安培下在浴中的停留时间为10秒。从电解质浴中取出电线并测量涂层厚度和内容物。存在约10微米的含二氧化钛的电瓷涂层。
与由制造商用绝缘涂层常规涂覆的两个市售可得基准铜电线比较，测试二氧化钛涂覆的电线。铜电线基准1是涂覆有有机绝缘涂层的直径为0.74mm的铜电磁线。将电线从可从sears商购得的18v无绳craftsman牌钻机的电钻电动机的线圈上移出。铜电线基准2是用有机绝缘涂层涂覆的直径为0.66mm的市售可得铜电磁线。电线可从eiswireandcable商购获得，并且所述电线上的有机绝缘涂层由制造商报告为用聚酰胺酰亚胺外涂的聚酯(酰胺)(酰亚胺)(耐热等级200c)。对所有三个样品测试其涂层的初始电绝缘性能，参见下面的起始电阻。所有样品的电阻在涂层的外表面和样品的芯区域之间中测量；对于其中已除去涂层的样品，在电线的外表面进行测量。
在测试a中，将第一组样品加热至450℃，停留时间为8小时，冷却至环境温度，并测量其电阻。
将第二组样品进行测试b，其中将所有样品加热至620℃，停留时间为1小时，冷却至环境温度，并测量其电阻。
表1
上述结果表明，实施例1的裸露二氧化钛涂覆的铝电导体在暴露于450～620℃的高温之后保持7兆欧姆的绝缘能力。相比之下，比较例1a的有机涂层以及甚至利用聚酰胺酰亚胺的比较例1b在暴露于这些高温时丧失了其绝缘特性。
实施例2：
对具有本公开的涂层的电导体进行绝缘测试和热点测试，其中将第二绝缘有机层施加到电瓷涂层的外表面上；而且对市售可得的具有由电线制造商施加的绝缘有机层的电导体进行绝缘测试和热点测试。
将铝电线浸入包含溶解的ti、磷酸盐和蚀刻剂的电解质中。铝电线的直径为0.76mm，其在浴中在410伏特(峰值电压)下的停留时间为10秒。从电解质浴中取出电线并测量涂层厚度和内容物。在铝导体线上存在约10微米的含二氧化钛的电瓷涂层。在含二氧化钛的涂层的外表面上设置具有0.36mm厚度的另外的外绝缘有机护套。外绝缘有机护套是乙烯-氯三氟乙烯(ectfe氟聚合物)，其可以商品名
与取自标准汽车拖车挂接装置布线束的市售可得基准铜电线导体比较，测试二氧化钛涂覆电线。导体具有2.4mm的整体直径并且包含测量为1.024mm(18规格)的多股铜电线束。用计算厚度为约0.69mm的厚常规绝缘层覆盖铜电线束。
电阻在样品的外表面和样品的芯区域之间测量。对所有样品测试其涂层的初始绝缘性能，参见下面的初始电阻。将所有样品放置在热板上足够长的时间以除去外有机绝缘层的部分，冷却至环境温度，并测量其电阻。热板具有700℃的温度，但是由于破坏绝缘体所需的时间短，并且可能由于铝电线上的电瓷涂层的高表面积，却没有熔化铝电线。
表2
上述结果表明，涂覆有机涂层的外层和实施例2的含二氧化钛的内绝缘层的铝电导体的初始绝缘性能(>30兆欧姆)比比较例2的常规有机绝缘体(24兆欧姆)高大于20％。上述结果还表明，实施例2的二氧化钛涂覆的铝电导体在有机绝缘外层炭化和破坏之后保持了4兆欧姆的绝缘能力。相比之下，比较例2的有机涂层失去了其绝缘特性，并且当暴露于这些高温时受到破坏。
实施例3：
对本公开的具有包含二氧化钛和氧化铝的金属氧化物涂层的涂覆铝合金导体的样品和常规阳极氧化铝合金导体的样品进行热冲击试验。常规阳极氧化铝合金导体在1级硫酸阳极氧化过程中进行阳极氧化，并且所得的氧化层在比较例3的样品上的厚度为约18微米。
将铝合金电线的样品浸入包含溶解的ti、磷酸盐和蚀刻剂的电解质中。铝合金电线样品的直径为0.76mm，其在浴中在410伏特(峰值电压)下的停留时间为10秒。从电解质浴中取出铝合金电线样品并测量涂层厚度和内容物。在实施例3的铝合金电线样品上存在约10微米的含二氧化钛的电瓷涂层。
测量各个涂覆铝合金样品的初始电阻并观察外观。将涂覆铝合金样品在600℃的烘箱中放置1小时，达到600℃的峰值金属温度，然后直接转移到-197℃的液氮中5分钟。将样品从液氮中取出并使其温热至环境温度或室温。重新测量电阻并观察外观。
表3
上述结果表明，实施例3的裸露二氧化钛涂覆的铝合金电导体显示出一定程度的电阻降低，但是在暴露于600℃的高温、并且在由δt为797℃引起的突然热冲击之后保持7兆欧姆的绝缘能力。相比之下，比较例3的阳极氧化铝合金电导体虽然具有初始可接受的绝缘能力，但当暴露于热冲击试验时，基本上丧失了所有的绝缘能力，保留了小于1×10-5的实施例3的涂层的电阻。比较例3也显示出氧化铝涂层的剥离和剥落。
虽然上面描述了示例性实施方案，但是这些实施方案并不旨在描述本发明的所有可能形式。相反，说明书中使用的词语是描述性词语而不是限制性词语，并且应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以进行各种改变。另外，可以对各种实施方案的特征组合以形成本发明另外的实施方案。