CN110506311A - 高介电强度绝缘体 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

高介电强度绝缘体
发明领域
本发明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。
发明背景
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。
发明概述
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，发明人得出结论，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。
本发明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。
发明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有金刚石涂层这一组合具有很高的交流电介电强度(95kV/mm)，因此可以使绝缘体和电极更小。本发明的应用显着地打开了氮化硼的新应用。
本发明的各方面如独立权利要求所述，而可选特征则如各从属权利要求所述。
在一方面，本发明提供了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：由介电强度大于或等于所述基底材料的材料形成，由表面硬度大于所述基底材料的材料形成，以及无孔的。
在一方面，本发明提供了一种高介电强度绝缘体的制备方法，该方法包括：由氮化硼形成基底材料；用涂层涂覆所述基底材料，将所述基底材料保持在升高的温度下以抑制水分吸收，其中所述涂层是以下中的至少一种：由介电强度大于或等于所述基底材料的材料形成；由表面硬度大于所述基底材料的材料形成；以及无孔的。
在一方面，本发明提供了一种冷等离子体产生系统，该系统包括：电极和绝缘体，该绝缘体包括：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：由介电强度大于或等于所述基底材料的材料形成；由表面硬度大于所述基底材料的材料形成；以及无孔的。
本发明的各方面可以彼此结合，且一个方面的特征可以应用于其他方面。
附图的简要说明
图1示出了制备涂覆氮化硼材料的方法的示意图，该材料适用于与冷等离子体发生器一起使用的高压介电质绝缘体。
图2示出了由涂覆氮化硼材料制成的典型的高压绝缘体的截面。
图3示出了由涂覆氮化硼材料制成的典型的冷等离子体电极支架的截面。
图4A-F示出了包括绝缘体的示例性冷等离子体发生器电极支架。
图5示出了具有屏蔽层的示例性绝缘体的示意图。
具体说明
以下仅通过示例的方式结合附图来描述本发明的实施例。
图1
图1描述了一种制备适用于与冷等离子体发生器一起使用的高压介电质绝缘体的方法。
加工操作7
使用普通工具钢切削工具将原材料氮化硼6，例如六方氮化硼(例如BO级氮化硼)，加工成其最终的基底形状3。
优选地，除去所有尖角以防止形成在高压条件下在材料中引起高应力点的高电磁场。
优选地，通过使绝缘体的表面中包括波纹和起伏以延长线性电痕线。
清洁操作8
彻底清洗氮化硼成品基底3并除去油污，以确保从氮化硼的表面上除去所有污染物。
优选地，清洁液的成分是非水的，以减少氮化硼对水的吸收。
优选地，清洁液是基于化学物质的，其在干燥后完全挥发并且没有残留物。
优选地，在超声浴中彻底清洁最终形状的成品。
烘烤操作9
必须从氮化硼中除去所有痕量的水，因此将成品在高温下烘烤一段时间。
优选地，将氮化硼成品基底3在130℃下烘烤30分钟。
优选地，将氮化硼成品基底3在150℃下烘烤30分钟。
将成品在高温下保持，直到将其移至下一个阶段，以确保成品不吸收任何水分。
优选地，保持温度最低为110℃。
涂覆操作10
使用专有的商业涂覆工艺将成品涂上所选涂层，例如QQC公司开发的激光沉积工艺，该工艺满足涂覆工艺的上述要求标准。
优选地，涂覆工艺是化学气相沉积(CVD)。在CVD中，将待涂覆的物体放置在包含甲烷或某种其他基于碳的气体和氢气的高压高温混合物的腔室内。气体通过热丝或无线电波加热，将甲烷分解成碳原子和氢原子。带电的碳原子沉积在待涂覆的物体上，它们中的大多数排列为金刚石晶体而不是石墨(碳的另一种晶体形式)。涂层厚度均匀，无夹杂物。
优选地，涂覆工艺是由QQC公司开发的激光沉积工艺(如上所述)，其可以在室温下和在空气中非常快速地沉积金刚石涂层。该工艺使用多种激光器，当采用多种时，它们会将空气中的二氧化碳分解成碳和氧。将待涂覆的基底材料放置在由激光产生的蒸气中，并且使用激光扫描基底表面，将蒸气中的碳原子沉积到基底的表面上。得到相应的沉积表面涂层为纯金刚石。涂层厚度均匀，无夹杂物。该工艺的沉积速率为每秒1微米，比CVD工艺快约1000-3000倍。为了保持氮化硼的防水性能，至关重要的是，材料的整个表面都应覆盖金刚石涂层，包括任何孔、槽等。该工艺在原子水平上与氮化硼形成化学键，从而形成对涂层的高附着力。
发明人所做的工作表明，膜厚度最好至少为2μm。优选地，膜厚度为10至30μm，以获得硬的耐磨表面。
测试操作11
测试成品绝缘体是否符合上述要求标准。
图2示出了一种涂覆绝缘体20A-C的局部截面图，该涂覆绝缘体可以通过以上图1描述的工艺来制备。应当理解，图2所示的示例仅仅是示例性的，可以设想其他形状的绝缘体。在图2所示的示例中，绝缘体20A-C包括基底材料3，例如氮化硼，例如BO级氮化硼或其等同物。
高介电强度绝缘体20A-C的基底材料3可以根据精密陶瓷技术进行加工，例如参考图1描述的工艺。以这种方式，可以形成对称且基本为圆柱形的绝缘体，并具有多个凹槽，例如作为其表面上的波纹或起伏。表面凹槽可以防止电痕化，例如通过延长绝缘体表面上的任何线性电痕线路径。
绝缘体20A-C包括覆盖基底材料3的涂层4，例如金刚石或合成金刚石。涂层4形成为薄膜层以涂覆基底材料3，例如根据本文图1描述的方法。在优选的实施例中，涂层4的膜厚度最小为2μm，并且膜厚度优选为10至30μm。涂层4的这种膜厚度可以确保涂层的表面坚硬和/或耐磨。
涂层4的交流电介电强度至少与基底材料3的相同，例如可以确保其不降低氮化硼的表面电阻率。涂层4可以是无孔的和/或防水的，例如以防止基底材料3吸收空气中的水和/或氧气，吸收空气中的水和/或氧气可能降低基底材料的交流电介电强度，例如在高湿度应用中。涂层具有高的表面硬度，例如大于60GPa，例如大于或等于100GPa。这可以防止基底在产生冷等离子体时受磨损和/或腐蚀。
绝缘体20A-C中的每一个都包括沿着其中心轴线的腔体21，电极可以插入腔体中，例如冷等离子体发生器的电极。绝缘体20A-C中的每一个可以由此形成电极的绝缘电极头，以在其工作时使电极电绝缘。
如图2所示，绝缘体20A-C具有光滑的表面，没有锋利的边缘或拐角。这可以防止形成在电极的操作期间在高电压条件下在材料中引起高应力点的高电磁场。
图3示出了示例性冷等离子体绝缘体300的局部截面侧视图，该绝缘体300包括基底材料3和涂层4。例如，绝缘体300可以是通过本文所述的方法制备的涂覆金刚石的氮化硼冷等离子体电极绝缘体300，例如，参照图1描述的工艺。在图3所示的示例中，氮化硼基底材料3涂覆有金刚石涂层4，并且多个电极5嵌入绝缘体中。特别地，两组相互交叉的电极5a和5b位于绝缘体300内。第一组电极5a位于绝缘体300的顶表面中的一系列平行通道中，使得绝缘体5a的一部分连通大气。绝缘体的第二组5b位于绝缘体300内的中心，在绝缘体300的底表面中的一系列平行腔内。每组中的电极连接到公共电源线。每组中的电极基本上是圆柱形的，并且从它们各自的电源线延伸，平行于它们组内的其他电极并在同一平面中。第一组中的电极可以从它们的公共电源线向第二组中的公共电源线延伸，反之亦然。第一组电极和第二组电极可以在绝缘体300的平面中彼此偏移，例如，第一组电极和第二组电极可以沿着轴线L偏移，其中轴线L在绝缘体300的顶表面和底表面之间，垂直于顶表面和底表面。在其他示例中，第一组电极和第二组电极在绝缘体的轴线L上对齐，使得第一组电极和第二组电极在同一平面内相互交错。
尽管在图3中示出了两组电极，但是应当理解，在其他示例中，绝缘体可以容纳更多或更少数量的电极组。
图3的电极5a，5b分别通过连接件(未示出)连接到高压AC电源。工作时，将电压施加到电极5。当该电压超过阈值电压，在电极之间可能产生冷等离子体。例如，可以在第一电极组5a中的第一电极和第二电极组5b中的其相邻电极之间产生等离子体。
图4A示出了示例性电极支架400的顶表面的平面图，该电极支架包括绝缘体，例如本文所述的绝缘体。例如，图3所示的绝缘体可以形成图4A-F所示的电极支架的一部分。可以将多个电极(未示出)插入支架400中，并且支架可以在电极工作期间(例如在产生冷等离子体期间)使电极电绝缘。图4B中示出了电极支架400的相应的等距视图。支架400的顶表面基本上是矩形的，包括如下所述的齿、通道和腔。可以定义支架的三个轴：从支架的顶表面延伸到底表面的第一轴；从第一端C延伸到第二端D的第二轴；以及从第一侧E延伸到第二侧F的第三轴。
电极支架400的顶表面包括一系列平行通道401，其沿着支架400的第二轴(CD)等距间隔。通道401沿着第三轴(EF)彼此平行地延伸，使得沿着在EF轴的中心部分暴露第一电极的顶部。布置通道401使得可以将第一组电极定位在其中。该第一组电极通过定位在支架的第一组齿402中的连接件连接到高压AC电源，其与通道401对齐。例如，每个连接件可以将第一电极连接到公共的第一电源线。
电极支架400还包括一系列平行腔403，其沿着支架400的第二轴(CD)等距间隔。腔401沿着支架400的第三轴(EF)彼此平行地延伸。腔401位于支架400的顶表面和底表面之间的中心，例如沿图4B所示的长度L'的中心。布置腔403使得可以将第二组电极定位在其中。该第二组电极通过定位在支架的第二组齿404中的连接件连接到高压AC电源，其与腔对齐。例如，每个连接件可以将第二电极连接到公共的第二电源线。
第二组电极可以放置在支架400内的一系列等距间隔的平行腔403中，例如沿线B-B，使得它们与第一组电极交错或相互交叉。第二组电极通过定位在与腔403对齐的第二组齿404中的连接件连接到AC电源。每组中的电极通过各自的连接件连接到公共电源线。每组中的电极基本上是圆柱形的，并且从它们各自的电源线延伸，平行于它们组内的其他电极并在同一平面中。例如，第一组中的电极可以从它们的公共电源线向第二组中的公共电源线延伸，反之亦然。第一组电极和第二组电极可以在支架的平面中彼此偏移，例如，第一组电极和第二组电极可以沿着轴线L'偏移，其中轴线L'垂直于支架400的顶表面和底表面。
在其他实施例中，第一组电极和第二组电极可以彼此平行并在支架的轴线L'上对齐，例如使它们在同一平面上相互交错。例如，第二组电极可以被定位在支架的顶表面中的通道中，或者第一组电极可以被布置在位于支架的顶表面和底表面之间的中心的腔中。
图4C示出了支架400的侧视图(E)，其示出了第一组齿402，其中每个包括开口405，该开口405通向可以将第一组电极定位在其中的通道401。第一组齿402布置成使第一电连接件能够将第一组电极耦合到第一电源线。第一组齿可以布置成使第一电连接件绝缘和/或防止连接件被外力损坏。
图4D示出了支架400的另一侧视图(F)，示出了第二组齿404，其中每个包括通向其中一个腔403的开口，第二组电极可以定位在其中。第二组齿404布置成使第二电连接件能够将第二组电极耦合到第二电源线。第二组齿可以布置成使第二电连接件绝缘和/或防止连接件被外力损坏。
图4E示出了支架400沿图4A所示的线A-A的截面图，示出可以将第一组电极定位在其中的通道401。通道401在支架400的顶表面处连通大气，所有其他侧面被绝缘体围绕，例如本文所述的高介电强度绝缘体。电极的这种布置可以帮助将产生的场和/或等离子体引导在特定方向上。
图4F示出了支架400沿图4A中所示的线B-B的截面图，示出可以将第二组电极定位在其中的腔403。腔403在支架的侧面F上具有开口，所有其他侧面被绝缘体围绕，例如本文所述的高介电强度绝缘体。
第一组齿和第二组齿402、404分别从支架400的侧面E，F突出。在一些系统中，多个支架可以连接在一起以形成更大的绝缘体/电极系统，例如通过使一个支架的第一组齿402与另一个支架的第二组齿404相互交叉。
尽管图2和图3/图4中显示的示例展示了两种可能的应用，但是仍有很多其他应用。实际上，可以使用本文描述的方法来制备用于任何需要高压的应用中的绝缘体。
涂覆有金刚石的氮化硼组合物的另一个理想特征是，成品绝缘体可以在很高的温度下工作，例如超过750℃，用于需要在高压、高温条件下(电弧炉、核工业、等离子物理等)下工作的应用。这种在高温下工作的能力进一步扩展了由氮化硼基底材料制成并涂有金刚石的介电绝缘体的应用。
氮化硼(BO级)在惰性气氛中的工作温度为1200℃，在空气中的工作温度为850℃。金刚石以及合成金刚石在空气中的工作温度为950℃，因此，根据本发明方法制备的绝缘体将在空气中在950℃的温度下工作。
应当指出，在一些臭氧发生器中发现了高浓度的氧气。涂层(例如，金刚石和/或合成金刚石)可能易于受到如此高浓度的氧气的侵蚀和腐蚀。为了解决这些问题，在一些实施例中，绝缘体可以涂覆屏蔽层，例如SiO2层，例如纯SiO2(例如，纯度为99.99999％)，其可以起到使涂层屏蔽氧气的作用，同时保持涂层和/或基底材料的介电强度。可以将屏蔽层施加在涂层上，例如使用溶胶凝胶法和/或CVD工艺。屏蔽层可以施加为例如薄膜层，其厚度范围从几纳米到几微米。在一些实施例中，屏蔽层厚度至少为2μm，在一些实施例中厚度可以为10至30μm。屏蔽层可以包括单层材料或可以包括多层材料。发明人发现，如果将SiO2涂覆在金刚石或合成金刚石上，例如使用溶胶凝胶法和/或CVD工艺，则SiO2可以具有足够的纯度不会损害绝缘体的介电强度。屏蔽层材料可以是与涂层材料不同的材料。
图5示出了绝缘体500的示意图，该绝缘体500包括基底材料501，涂层502和屏蔽层503。基底材料501可以包括氮化硼，例如BO级氮化硼。涂层502可以包括金刚石或合成金刚石。涂层502可以在基底材料3的表面上形成为薄膜层，例如通过以上图1描述的方法。屏蔽层503可以包括SiO2层，例如纯SiO2(例如，纯度为99.99999％)，可以根据所述方法将其施加在涂层4上。
涂层502形成薄膜层以涂覆基底材料501，例如根据本文所述的方法。在一些实施例中，涂层502是金刚石或合成金刚石。涂层502可以涂覆为薄膜层，例如，其厚度范围从几纳米到几微米。在一些实施例中，屏蔽层厚度至少为2μm，并且在一些实施例中厚度可以为10至30μm。涂层502可包括单层材料或包括多层材料。涂层4的这种膜厚度可以确保涂层的表面坚硬和/或耐磨。涂层501也是无孔的和/或防水的，以防止基底材料3吸收空气中的水和/或氧气，吸收空气中的水和/或氧气可能降低基底材料的交流电介电强度，例如在高湿度应用中。
绝缘体500可以进一步涂覆屏蔽层503。屏蔽层503可以是SiO2层，例如纯SiO2(例如，纯度为99.99999％)。屏蔽层503被施加在涂层502上。可以通过溶胶凝胶法和/或CVD工艺来实现。屏蔽层503可以被施加为薄膜层，例如，其厚度范围从几纳米到几微米。在一些实施例中，屏蔽层503厚度至少为2μm，在一些实施例中，厚度可以在10至30μm之间。屏蔽层503可以包括单层材料或者包括多层材料。
屏蔽层503可以被布置成在保持涂层502和/或基底材料501的介电强度的同时，使涂层屏蔽氧气免受其影响。例如，屏蔽层503可以保护涂层502和/或基底材料501，防止氧气的侵入和腐蚀，否则绝缘体可能在含有高浓度氧气的环境中(例如在产生臭氧期间)容易受到氧气的腐蚀。
屏蔽层503可以是无孔的和/或不透水的，例如防水的，以防止水渗透到涂层502和/或基底材料501中。屏蔽层可以以此方式抑制由水引起的不利影响，例如绝缘体500的侵蚀或抑制其介电强度的损失，例如在高湿度应用中。
尽管图5示出了涂层和屏蔽层的厚度彼此相同，但是应当理解，这仅仅是示例性的，涂层和屏蔽层可以彼此不同并且可以具有不同的厚度范围，例如在上述厚度范围内。
尽管未在图中示出，但是可以通过所描述的方法将这种屏蔽层施加到图2-4中示出的示例性绝缘体上。
总体上参考附图，应当理解的是，示意性功能框图用于指示本文所述的系统和装置的功能。然而，应当理解，功能不一定以这种方式划分，并且不应被理解为暗示除以下描述和要求保护的硬件之外的任何特定硬件结构。附图中所示的一个或多个元件的功能可以进一步细分和/或分布在本公开的整个装置中。在一些实施例中，附图中示出的一个或多个元件的功能可以被集成到单个功能单元中。
本文所述的电极和绝缘体可以形成对包装产品进行灭菌的设备的一部分。例如，该设备可以包括一对电极，例如充气电极，用于在电极之间产生高电压以产生高电磁场并在其之间产生冷等离子体的装置。该设备可以布置成用所述场照射内含所述产品的包装。
电磁场可能会产生冷等离子体，该等离子体的能量足以将空气中的氧气转化为臭氧和其他基于活性氧的物质。装置可以用于将所产生的电磁场引导至待灭菌的产品。
此外，使用等离子体可产生比臭氧具有更高氧化电位的氧化物质，因此在杀灭微生物方面更有效。
在包装产品内部产生臭氧的设备通常包括电极组件，其中共面电极沿接触表面支撑。电极可以是固态导电电极和/或充气电极。这些电极可以相互交叉和/或沿其长度的一部分以均匀的间隔布置。如果电极是直的，则它们可以是平行的，但其他形状也可以均匀地间隔开。在一些实施例中，电极部分绝缘并且部分暴露。
每个电极可以是细长的，例如每个电极可以沿其长度弯曲、盘绕、弯折或非线性。每个电极可包括多个互连的线性部分。每个电极可以大体上是平面的，所述场引导装置布置成将垂直于所述平面的电磁场引导至待灭菌的产品。电极可以沿其长度并排延伸，并且可以被基本均匀地隔开。场引导装置可以在电极的一侧上延伸并且可以包括铁磁材料。场引导装置可以至少部分地在电极之间延伸。场引导装置可以包括接收所述电极的表面。
电极可包含在前开式的腔内。所述腔可以由所述场引导装置限定。电极可以在平行于腔的正面的平面中延伸。所述腔可以包括一个或多个侧壁，这些侧壁围绕电极延伸并且可以密封待灭菌的产品包装。当所述腔相对于待灭菌产品包装密封时，可以提供用于从所述腔中排出空气或其他气体的装置。
高压产生装置可以产生在1kV至50kV范围内的电压脉冲。高压产生装置可以具有恒定电压分量，该恒定电压分量的大小足以使电极内的气体保持离子化。高压产生装置可以产生持续时间在5ns至100ms范围内的高压脉冲。高电压产生装置可以产生可变大小、可变宽度和/或可变重复率的脉冲。
在一些实施例中，该设备包括用于监测电磁场的传感器，该传感器连接至改变所述高压产生装置的输出参数的装置。以此方式，高压产生装置可以接收来自电磁场传感器的反馈信号，并且可以自动调节高压脉冲的大小和其他脉冲参数，以便调节电磁场并将其保持在恒定水平。这样可以确保包装中不断产生臭氧。在一些实施例中，所述高压产生装置产生相反极性的电压脉冲并将所述脉冲施加到各个电极。在一些实施例中，该设备包括用于搅动或以其他方式移动待灭菌的产品的装置：在搅动之前、之后和/或期间，可以用所述电磁场照射产品。在一些实施例中，搅动装置至少部分地旋转包装。这种方法促使灭菌气体迅速渗透到包装中并到达所有表面。在一些实施例中，设备被布置成照射连续的产品。在一些实施例中，该设备被布置为相继照射相同的产品。
本文所述的绝缘体和电极可形成包装灭菌的一部分。在一些实施例中，电极基本上被绝缘材料覆盖，例如图1至图5描述的绝缘体。在一些实施例中，一个电极被绝缘材料覆盖，而另一电极包括暴露的导电区域。在一实施例中，电极包括分布阻抗，并且电极可以包括沿着其长度分布的多个凸起区域。例如，电极可以包括线圈状导体，并且凸起区域由线圈匝提供。凸起区域可包括脊。相邻的凸起区域可以通过串联阻抗耦合。电极的横截面通常为正方形，但是也可以为圆形或矩形。
可以布置电极使得在使用中每个电极包括用于接收电流的馈送端和第二端，并且电极通常彼此并排且相对地布置，使得两个电极中的每一个的馈送端与两个电极中另一个的第二端并置。在一些实施例中，该设备包括电极支撑件，用于支撑电极以使它们能够与包装接触。在一些实施例中，该设备包括用于促进电极与待灭菌的包装接触的装置。促进装置和/或支撑装置可以包括抽吸连接件，以将抽吸源连接至所述电极支撑件的接触表面。支撑件可以是绝缘体，如上所述，例如参照图1至图5。
该设备还可包括用于感测电极支撑件的接触面处的压力的传感器，使得能够基于压力来控制电流。电极支撑件可包括布置在所述接触表面上或周围的密封件。在一些实施例中，电极以基本共面的配置布置，并且它们可以基本平行。一个或多个电极可以被布置在绝缘护套中，例如参照图1至图5描述的绝缘体。电极可以被嵌入/封装在绝缘材料中以排除电极周围的空气隙。绝缘材料可以包括以液体形式引入到护套中的固化材料。
通常，该设备被配置为通过产生等离子体将氧气转化为臭氧。该设备可以被配置为使得电极之间的电容耦合通过所述电极之间的电场促进所述包装内的氧气转化为臭氧。包装灭菌设备可包括低压交流电源、耦合到两个电极中的第一个的第一升压变压器和耦合到所述电极中的另一个的第二升压变压器，以使所述变压器向所述电极提供比所述低压AC电源相对更高电压的电源。在一些实施例中，每个变压器紧邻待其供电的电极。变压器可以通过屏蔽电缆与电极耦合。
包装灭菌设备可以包括：电流传感器，用于感测所述电极之间的电流，以便检测过电流情况；以及控制装置，用于在检测到过电流情况时防止包装灭菌设备的操作。
在一些实施例中，该设备适于处理多个包装产品，并且包括用于基于产品的类型来调节施加到所述电极的电压和/或施加所述电压的时长的装置。电极可被布置为相距小于5mm，例如相距小于3mm，例如相距大致为2mm，在某些情况下相距更小。
本文还描述了一种包装灭菌电极组件，该包装灭菌电极组件用于在包括包装产品和空气隙的包装内部产生等离子体，该电极组件包括：介电质头，其具有接触所述包装的接触表面，并且可以包括图1至5所述的绝缘体；以及，至少两个导电电极，分布在接触表面周围，其中两个电极中的第一个是绝缘的，例如通过上述绝缘体绝缘，第二个所述电极的导电区域在接触表面附近暴露。通过使电极暴露并且绝缘，可以以较低的功率对包装进行灭菌。在某些情况下，裸露的电极可能会接地。
在一些实施例中，第一电极和第二电极的相邻边缘之间的间隔沿着边缘的长度的至少一部分是均匀的。这样的优点是能够在接触表面附近明确限定的区域中等离子体的产生可再现性好且稳定。在某些可能的情况下，沿着该部分的相邻边缘之间的间隔包括边缘的最接近的距离，并且这个/这些部分在范围上可以是连续的或者可以是断裂的或不连续的和/或沿着电极分布在多个部分中。在某些可能的情况下，第一电极和第二电极的相邻边缘之间的间隔小于20mm，例如小于15mm，例如小于10mm。在某些可能的情况下，间距小于5mm，并且可能在1mm至4mm之间。在某些情况下，电极是细长的并且具有主要尺寸和次要尺寸。在一些实施例中，电极沿着其主要尺寸对准并且沿着其次要尺寸宽度小于15mm。在一些实施例中，它们宽度小于10mm，例如小于5mm。与使用较宽电极的情况相比，这样的优点是能够在固定尺寸的包装中提供更多的等离子体产生区域。
在某些可能的情况下，第一电极由第一多个电极提供，而第二电极由第二多个电极提供。所述第一多个电极可以与所述第二多个电极交错，使交替的电极绝缘(例如上述图1至图5描述的绝缘体)，而相应的其他交替的电极包括暴露的导电区域。这样的优点是减小了电极组件的尺寸，并且进一步减小了在包装产品内部产生等离子体所需的功率。
电极组件可以用在包括用于以选定的力将接触表面推向所述包装的机械偏置的设备中。在一些情况下，该设备包括：传感器，该传感器用于感测通过将包装朝向接触表面推动而产生的背压；以及控制器，该控制器基于感测到的背压来控制机械偏置。这样的优点是，可以促使包装紧密接触组件，而没有损坏包装的风险。在一些实施例中，选定的力由控制器的设置确定，例如该设置可以是可编程的。
电极可以是细长的，并且可以包括无功和/或电阻阻抗。在某些可能的情况下，可以布置电极使得它们的阻抗在接触表面的区域上空间分布。例如，电极可以包括线圈。
在某些可能的情况下，线圈被嵌入头部中，并且第二电极的导电区域在接触表面处或附近暴露。在某些可能的情况下，第二电极从接触表面凹入；在某些可能的情况下，第二电极与接触表面齐平。线圈可以包括圆形横截面，但是可以包括至少一个直的侧面或者可以是正方形或矩形。
电极可以被布置为沿着接触表面的细长叉指状。在一些实施例中，第一电极位于接触表面下方，并且通过头部的介电质(例如图1至图5描述的绝缘体)与表面绝缘。第一电极可以通过厚度为至少0.1mm的介电质与接触表面绝缘，例如至少0.2mm或0.3mm。在某些可能的情况下，第一电极通过厚度小于2mm，例如小于1.5mm，例如小于1mm的介电质与接触表面绝缘。该介电质优选地包括陶瓷，并且在某些情况下包括SHAPAL；在某些情况下也可以是图1至图5所述的绝缘体。
尽管电极可以是直的，但在某些情况下，它们也可以沿接触表面以其他形状排列，例如蛇形或螺旋形。在一些实施例中，电极沿着接触表面布置以限定同心薄层的边界。薄片可以选自以下各项之一：圆形；椭圆形；正方形；多边矩形；和不规则形，电极可以限定封闭的边界，也可以限定不连续的开放边界。
以上实施例应被理解为说明性示例。可以设想其他实施例。应当理解，任何一个实施例描述的任何特征可以单独使用，或者与所描述的其他特征结合使用，还可以与任何其他实施例或者其他实施例的任意组合的一个或多个特征结合使用。此外，在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，也可以采用以上未描述的等同实施例和修改。
在一些实施例中，一个或多个存储元件可以存储用于实现本文描述的操作的数据和/或程序指令。本公开的实施例提供了包括程序指令的有形的、非暂时性的存储介质，所述程序指令可用于编程使处理器执行本文描述和/或要求保护的方法中的任何一种或多种，和/或提供本文描述和/或要求保护的数据处理装置。

Claims (25)

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：
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，将所述基底材料保持在升高的温度下以抑制水分吸收，其中所述涂层是以下中的至少一种：
(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。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述涂层是不透水的。
16.根据权利要求14或15所述的方法，其中形成所述基底材料的步骤还包括以下至少之一：
(a)去除所述基底材料中的尖角和边缘，以防止形成在高压条件下在材料中产生高应力点的高电磁场；和
(b)形成以下中的至少一种：(i)多个表面波纹，和(ii)多个表面起伏，以延长在所述基底材料表面上的任何线性电痕线。
17.根据权利要求14至16中任一项所述的方法，还包括：在形成所述基底材料之后用非水流体清洁所述基底材料以去除表面污染，可选地，清洁所述基底材料还包括在超声浴中清洁所述基底材料。
18.根据权利要求14至17中任一项所述的方法，还包括：在用涂层涂覆所述基底材料之前，烘烤所述基底材料以除去所述基底材料中的水，可选地，烘烤所述基底材料的步骤包括以下至少之一：(i)在至少130℃的温度下烘烤所述基底材料至少30分钟，以及(ii)在至少150℃的温度下烘烤所述基底材料至少30分钟。
19.根据权利要求14至18中任一项所述的方法，其中，所述氮化硼基底材料是以下中的至少一种：(i)BO等级的氮化硼，和(ii)被平行压制。
20.根据权利要求14至19中任一项所述的方法，其中，所述涂层包括以下至少之一：(i)天然金刚石，(ii)合成金刚石，和(iii)二氧化硅，可选地，所述涂层是薄膜层，例如厚度至少为2μm，可选地厚度在10至30μm之间。
21.根据权利要求14至20中任一项所述的方法，还包括：用屏蔽层涂覆所述涂层，所述屏蔽层在所述涂层上形成，所述表面层为以下中的至少一种：(i)无孔的，(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。
22.根据权利要求14至21中任一项所述的方法，其中，所述屏蔽层的厚度为至少2μm，可选地厚度在10至30μm之间。
23.一种冷等离子体产生系统，所述系统包括：
(a)电极；和
(b)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。
24.根据权利要求23所述的系统，其中，所述电极包括第一组电极和第二组电极，其中每组均包括多个电极，一组电极中的每个电极与所述一组电极中的其他电极设置在同一平面上。
25.根据权利要求24所述的系统，其中，所述第一组电极的电极与所述第二组电极的电极相互交错。
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