高介电强度绝缘体制造技术

一种用于使冷等离子体发生器的电极绝缘的高介电强度绝缘体，该高介电强度绝缘体包括具有至少70kV/mm的高介电强度的基底材料；和在该基底材料上形成的涂层，其中该涂层为以下中的至少一种：由介电强度大于或等于该基底材料的材料形成；由表面硬度大于该基底材料的材料形成；以及，无孔的。

High dielectric strength insulator

A high dielectric strength insulator for insulating the electrode of a cold plasma generator, the high dielectric strength insulator comprises a substrate material with a high dielectric strength of at least 70kv / mm; and a coating formed on the substrate material, wherein the coating is at least one of the following: a material with a dielectric strength greater than or equal to the substrate material; a surface hardness greater than the substrate Material formation of the base material; and, nonporous.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】高介电强度绝缘体专利
本专利技术涉及制备用于高压应用特别是但不仅限于冷等离子体领域的高介电强度绝缘体的方法和设备。专利技术背景在高压应用中使用的任何绝缘体必须能长时间承受施加的电压，这在冷等离子体应用中尤其重要。冷等离子体中的电压通常很高，再加上高频，会在电极支架绝缘体上产生大量电应力。冷等离子体使绝缘体腐蚀令绝缘体的问题进一步复杂化。对于可能存在的许多空气冷等离子体的应用，通常希望在35kV-45kV以及在20kHz-100kHz或以上的频率下工作，这使得选择合适的绝缘体非常困难，有时甚至是不可能的。由于这些问题，冷等离子体这一技术通常仅限于较低电压的应用。目前已经研究了几种材料对冷等离子体应用的适用性，但是仍因种种问题而显得不足。例如：石英——这种材料很难在机械加工时不引起微裂纹，而微裂纹会导致老化应力裂纹，从而导致电极绝缘体失效。石英也不能满足所需的交流电介电强度。云母——这种材料很难加工成复杂的形状，机械强度不足以适应大多数应用。它也没有足够高的交流电介电强度以产生冷等离子体。专利技术概述可靠的冷等离子体绝缘体的要求标准包括：1)很高的交流电介电强度，最好为70kV/mm以上。2)低介电常数和低损耗因子，可防止高频介电质发热。3)能够加工成复杂的形式。4)在高压条件下具有较高的耐漏电起痕性能。5)对于高湿度应用，必须是无孔且防水的。6)必须能够抵抗冷等离子体的腐蚀。7)对于进行重复性应用的电极头必须耐磨。氮化硼符合大多数标准，尤其是被平行于加工方向进行热压时。令人遗憾的是，它存在两个主要问题使其不适合应用。这些问题是：(1)材料柔软、多孔并且吸收水，其交流电介电强度会随时间降低到不可接受的水平。(2)材料容易机械磨损。氮化硼是具有优异特性的材料之一，但也具有重大缺陷，严重限制了其在工程和科学中的使用。应当理解的是，介电强度是材料在理想条件下可以承受而不会被击穿(即其绝缘性能不受破坏)的最大电场。还应当理解，低介电常数为相对于二氧化硅SiO2更小的介电常数，二氧化硅SiO2的介电常数为3.9，而高介电常数为相对于二氧化硅更大的介电常数。介电损耗(损耗因子)可量化介电材料固有的电磁能(例如热量)耗散。可以根据损耗角δ或相应的损耗正切值tanδ用参数表示。两者都指复数平面中的相量，实部和虚部是电磁场的电阻(有损)分量及其无功(无损)分量。在深入研究之后，专利技术人得出结论，没有一种材料能够满足可靠的冷等离子体绝缘体的要求标准，因此需要一种涉及材料的组合和特定生产工艺的综合解决方案。本专利技术包括材料的组合以及以协同方式生产材料以满足苛刻的要求标准的方法。将基底材料(例如氮化硼)加工成成品形状的基底材料，然后用另一种涂覆材料涂覆该成品形状的基底材料，以形成作为薄膜层的涂层(例如，厚度范围为从几纳米到几微米)。这可以解决氮化硼的缺点，同时仍使其保持其有利的性能，例如高介电强度和可加工性。材料的组合可以使最终产品完全满足要求标准。在高压条件下，涂层应满足以下涂层工艺标准：1)涂层应具有至少与氮化硼基底材料相同的交流电介电强度，以使其不会降低氮化硼的表面电阻率而导致在高电压下基底对涂层界面漏电起痕。2)涂层过程中必须使涂层无应力且不发生老化。3)涂层过程必须将涂层铺平，使其光滑、厚度一致且不包含任何会导致高压起痕的夹杂物。应当理解的是，涂层可以涂覆为单层或多层。氮化硼，例如六方氮化硼，例如与氧化硼粘合剂以平行方向压制(BO级)，例如可从Accuratus公司(美国新泽西州菲利普斯堡霍华德街35号)获取，具有以下近似值的机械性能、热性能和电学性能：(可以在http://accuratus.com/pdf/BNBOprops.pdf上找到)这种或等效/类似形式的氮化硼可以满足基底材料大多数要求标准，即：1)很高的交流电介电强度(95kV/mm)。2)低介电常数和损耗因子。3)能够加工成复杂的形式。4)在高压下具有较优的耐漏电起痕性能。5)不需要特殊的切割工具氮化硼(BO级)在平行于压制方向的方向上的介电常数(8.8GHz下)为4.6，在平行于压制方向的方向上的损耗因子(8.8GHz下)为0.0017。还应该理解，这些值和介电强度的值是在室温和压力下。令人遗憾的是，如前所述，氮化硼是多孔的(例如，“BO级”氮化硼在平行于加工方向的方向上孔隙率为2.8％)并吸收水，使其介电强度下降到不可接受的水平。但是，它是一种柔性材料(在室温下，在与加工方向平行的方向上硬度为15-24kg/mm2或0.15GPa)，因此非常容易磨损。制造商已尝试通过将二氧化硅添加到氮化硼中，然后对材料进行热压来解决孔隙问题。但是，虽然孔隙问题得到解决，但交流电介电强度下降到约58kV/mm，这使得该材料不适合作为可靠的冷等离子体绝缘体。立方氮化硼该材料满足基底材料的大多数要求标准，但它是科学上已知的第二高硬度材料(努氏硬度为45GPa，而金刚石的努氏硬度为100GPa，莫氏硬度约为9.5-10)，处理这种材料既费时又难以将其加工成复杂的形式，并且需要特殊的加工工具。优选地，采用在平行方向压制的氮化硼与氧化硼粘合剂为基底材料。专利技术人进行的研发已经确定了以下潜在材料用于涂覆平行压制的氮化硼。高纯度SiO2(纯度为99.99999％)该材料具有100kV/mm的高交流电介电强度，符合涂覆标准，并且能够通过多种涂覆工艺涂覆到材料上。该材料可用于涂覆氮化硼，并且这种材料组合符合用作上述可靠的冷等离子体绝缘体的要求标准。陶瓷形式的SiO2平行于光学平面时的努氏硬度为6.92GPa，垂直于光学平面时的努氏硬度为7.75GPa，并且莫氏硬度为7(金刚石的莫氏硬度为10)，表明它能够抵抗划痕。实际上，这种纯度的SiO2难以获得，因此成本昂贵。SiO2必须在惰性气氛中在1600℃-1900℃下烧制以完成涂覆过程，然后使其在炉中冷却以消除应力。在整个涂覆过程中保持如此高的纯度非常困难，因为即便是很小的污染量也会显着降低介电强度，因此其不适合使用。金刚石和合成金刚石(包括多晶金刚石)该材料满足涂层的所有要求标准，并且当与氮化硼一起用作基底材料时，满足用作上述可靠的冷等离子体绝缘体的要求标准。它具有330kV/mm的极高交流电介电强度。该材料防水(>2μm涂层)，并且非常耐高压起痕；可以使用多种涂层工艺(例如化学气相沉积(CVD))，尤其是使用QQC公司开发的最新激光沉积工艺，例如US6203865、US5620754A和US5731046A中所述。金刚石也是一种低损耗的材料，符合所有磨损标准，并且耐冷等离子体腐蚀。优选地，将金刚石或合成金刚石用作涂层以涂覆平行压制的氮化硼从而得到可靠的冷等离子体绝缘体。由于平行压制的氮化硼涂本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于使冷等离子体发生器的电极绝缘的高介电强度绝缘体，所述高介电强度绝缘体包括：/n具有至少70kV/mm的高介电强度的基底材料；和/n在所述基底材料上形成的涂层，其中所述涂层为以下中的至少一种：/n(i)由介电强度大于或等于所述基底材料的材料形成；/n(ii)由表面硬度大于所述基底材料的材料形成；以及/n(iii)无孔的。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170201 GB 1701697.31.一种用于使冷等离子体发生器的电极绝缘的高介电强度绝缘体，所述高介电强度绝缘体包括：
具有至少70kV/mm的高介电强度的基底材料；和
在所述基底材料上形成的涂层，其中所述涂层为以下中的至少一种：
(i)由介电强度大于或等于所述基底材料的材料形成；
(ii)由表面硬度大于所述基底材料的材料形成；以及
(iii)无孔的。


2.根据权利要求1所述的高介电强度绝缘体，其中，所述涂层是不透水的。


3.根据前述权利要求中任一项所述的高介电强度绝缘体，其中，所述涂层的表面硬度大于60GPa，例如大于或等于100GPa。


4.根据前述权利要求中任一项所述的高介电强度绝缘体，其中，所述基底材料的表面硬度小于40GPa，例如小于1GPa，例如小于或等于0.15GPa。


5.根据前述权利要求中任一项所述的高介电强度绝缘体，其中，所述基底材料的介电强度大于70kV，例如大于或等于95kV/mm。


6.根据前述权利要求中任一项所述的高介电强度绝缘体，其中，所述基底材料包括氮化硼，可选地，所述氮化硼基底材料是BO等级的氮化硼，可选地，所述氮化硼基底材料被平行压制。


7.根据前述权利要求中任一项所述的高介电强度绝缘体，其中，所述涂层包括天然金刚石和/或合成金刚石。


8.根据前述权利要求中任一项所述的高介电强度绝缘体，其中，所述涂层包括二氧化硅，可选地，所述二氧化硅的纯度大于99.9999％，可选地，所述二氧化硅的纯度大于或等于99.99999％。


9.根据前述权利要求中任一项所述的高介电强度绝缘体，其中，所述涂层形成为薄膜层，例如厚度至少为2μm，可选地厚度在10至30μm之间。


10.根据前述权利要求中任一项所述的高介电强度绝缘体，其中，所述高介电强度绝缘体还包括形成在所述涂层上的屏蔽层，所述表面层为以下中的至少一种：(i)不透氧的，(ii)具有大于所述基底材料和/或所述涂层的硬度，以及(iii)具有大于或等于所述基底材料和/或所述涂层的介电强度。


11.根据权利要求10所述的高介电强度绝缘体，其中，所述屏蔽层包括二氧化硅，可选地，所述屏蔽层中的二氧化硅的纯度大于99.9999％，可选地，所述屏蔽层中的二氧化硅的纯度大于或等于99.99999％。


12.根据权利要求10或11所述的高介电强度绝缘体，其中，所述屏蔽层的厚度至少为2μm，可选地厚度在10至30μm之间。


13.根据前述权利要求中任一项所述的高介电强度绝缘体，包括以下中的至少一种：(i)多个表面波纹，和(ii)多个表面起伏，以延长在所述绝缘体表面上的任何线性电痕线。


14.一种高介电强度绝缘体的制备方法，所述方法包括：
由氮化硼形成基底材料；
用涂层涂覆所述基底材料，将所述基底材料保...

【专利技术属性】
技术研发人员：马尔科姆·罗伯特·斯诺博尔，
申请(专利权)人：超生物科技有限公司，
类型：发明
国别省市：英国;GB