ScienceDaily (2 мая 2009) — Исследователи материалов в Университете Пенн-Стейт сообщили о самой высокой известной электрической прочности материала в мире . Электрическая прочность, наряду с диэлектрической постоянной, определяет, сколько энергии может быть сохранено в изоляционном материале прежде, чем он начнет проводить электричество.
Стекло с высокой электрической прочностью и высокой диэлектрической постоянной было бы идеальным кандидатом следующего поколения конденсаторов с высокой плотностью хранения энергии, чтобы приводить в движение электрические транспортные средства, а также для использования в других областях применения, где требуются малогабаритные и портативные источники энергии.
Обычно электрическая прочность стекла находится в диапазоне 4-9MV/cm. Электрическая прочность для проверенных образцов была в диапазоне 12MV/cm, которая в сочетании с относительно высокой диэлектрической постоянной, привела к удельной энергии 35 J/cm3, по сравнению с максимальной плотностью энергии 10 J/cm3 для полипропилена, самого популярного диэлектрика для переменного тока.
"Для стекла, это экстраординарно,” говорит Ник Смит, кандидат доктора философии в науке материалов и проектирующий в Пенн-Стейт, главный автор сообщения.
Смит использовал образцы коммерческого стекла толщиной 50 микрон, которые он травил плавиковой кислотой, пока образцы не достигли толщины только 10-20 микронов. Получающееся стекло было настолько тонко, что могло быть согнуто как пластмассовая пленка, все же столь тонкого, это могло легко распасться если не справляется. Чем более тонкий стакан, тем более электрическая емкость может быть использована перед отказом.
Травленное стекло было помещен в жидкий полимер для испытания, и до 30 000 вт. Когда аварийный точка была достигнута, электричество начало течь через стакан внезапно, со вспышкой и ударом, который напоминает поведение стержня молнии через воздух. Жидкость полимера использовалась, чтобы поддерживать молнию. В каждом случае, отказ происходил в течение 40 - 80 секунд.
Тестировалось также бороалюмосиликатное стекло, содержащее барий,производимое в больших количествах для экранов дисплеев и компонентов микроэлектроники. Его высокая способность сохранения энергии приписана высокополяризованным атомам бария, которые вносят свой вклад в диэлектрическую постоянную, и составу, не содержащего щелочи, который запрещает потерю энергии. Также фактор, почти качество без дефекта стекла.
Используемый процесс, для изготовления этого стекла приводит к материалу без дефектов, особенно на поверхности, которая увеличивает сопротивление пробою. Листы стекла толщиной 30 микронов, которые, как ожидают, будут доступны коммерчески в ближайшем будущем, вероятно, будут иметь еще более высокую электрическую прочность чем травленное стекло, из-за еще более однородной поверхности без дефектов. "Это открывает потенциально новый рынок для стела,” говорит Смит. " Мы всегда ищем новые функциональные возможности в стекле. Идеально, производство доберется до пункта, где они могут сделать лист любого размера, для конденсатора любого размера. ”
Соавтор Майкл Ланган указывает, что задачи разработки остаются, поскольку в настоящее время они повысили прочность только для небольших размеров стеклянных конденсаторов, которые применяются в промышленном производстве. "Мы теряем часть плотности энергии, при увеличении объема," говорит он, ", но мы должны все же завершить работу, увеличив емкость конденсаторов.”
Кроме Смита, авторами исследования являются - аспирант Бадри Рангараджан, технические науки и механика, Майкл Т. Ланган, адъюнкт - профессор технических наук и механики, и Карло Г. Пантано, профессор науки материалов и разработки.
Это исследование было поддержано Отделом военно-морских исследования, Научно-исследовательского института Материалов государственного университета Штата Пенсильвания, Национального Фонда Науки, Центр Оптических Технологий, и Bayer MaterialScience LLC.
|
