Ingeniører, der studerer nanodefekter, der mistænkes for at forårsage tidlige fejl i elektriske materialer

Små defekter i elektriske isoleringsmaterialer kan føre til nedbrud, berøver elnettet og endda mobiltelefoner pålidelighed og effektivitet.

Xiaoli Tan, en Iowa State University professor i materialevidenskab og teknik, arbejder på at forstå, hvordan disse nanoskala defekter, når de udsættes for ekstreme elektriske felter, udvikle sig til materielle fejl. Disse fejl bliver isolatorer, som ikke leder elektricitet, til materialer, der tillader noget strøm at flyde.

Sådanne fejl, kaldet dielektriske nedbrud, resulterer normalt i kortslutninger eller sprunget sikringer.

Disse fejl sker typisk langt under isoleringsmaterialets teoretiske styrke og kapacitet. Også, at beskytte strømsystemer og elektroniske enheder, isoleringsmaterialer udsættes for spændinger langt under deres teoretiske kapacitet, eller de er gjort tykkere og tungere.

"Materialer, der ikke kan fungere pålideligt med hensyn til ekstremer i elektriske felter, er en kritisk vejspærring for at opnå højere energieffektivitet, " skrev Tan i et resumé af sit forskningsprojekt.

U.S. Department of Energy's Basic Energy Sciences Program støtter det næsten tre-årige studie med et tilskud på $675, 000. Iowa Energy Center, Iowa State's College of Engineering, afdelingen for materialevidenskab og teknik, Department of Energy's Ames Laboratory og bevillingspenge fra flere Iowa State-kolleger har også hjulpet Tan med at købe en $140, 000 prøveholder til forsøgene.

Joshua Hoemke, en Iowa State postdoktoral forskningsassistent i materialevidenskab og teknik og en associeret ved Ames Laboratory, vil hjælpe med projektet. Geoff Brennecka, en assisterende professor i metallurgisk og materialeteknik ved Colorado School of Mines i Golden, vil fremstille tynde film af tre isoleringsmaterialer, der skal testes.

Tan vil bruge en teknik, han har udviklet til in situ transmissionselektronmikroskopi, der er i stand til at optage billeder ved opløsninger hurtigere end 5 milliontedele af et sekund og mindre end 1 milliardtedel af en meter. Mikroskopet er placeret i Ames Laboratory's Sensitive Instrument Facility vest for campus.

Instrumentet skal være så følsomt, fordi de elektriske nedbrud, Tan studerer, menes at starte med nanoskala defekter i isoleringsmaterialer, defekter kun milliardtedele af en meter på tværs. Sammenbruddene sker også på mikrosekunder, kun milliontedele af et sekund.

Også, "Ingen har nogensinde direkte set disse sammenbrud, " sagde Tan.

Selv for fem eller ti år siden, Tan sagde, at videnskabelige instrumenter ikke var hurtige eller følsomme nok til at fange disse sammenbrud.

Eksperimenterne vil registrere, hvor tynde film (de er mindre end 100 milliardtedele af en meter tykke) af tre isoleringsmaterialer fra Brenneckas laboratorium i Colorado (titaniumdioxid, bly zirconat titanat og bly zirconium oxid) nedbrydes, når de udsættes for elektriske impulser op til 110 volt.

Efter hver puls, testmaterialets nanostruktur, symmetri og kemi vil blive analyseret, sagde Tan. Det vil give forskerne mulighed for at se og registrere udviklingen af ​​materialets sammenbrud.

Eksperimentet vil også omfatte test og mulig validering af en hærdningsmekanisme for blyzirconiumoxid.

Det ultimative mål med alle testene er at finde de manglende forbindelser mellem nanoskala defekter og tidligt svigt af elektriske isoleringsmaterialer, sagde Tan. Det kan føre til næste generation, transformationsmaterialer, der er i stand til at yde op til deres teoretiske grænser. Og det kunne hjælpe med at producere bedre strømsystemer og mindre, lettere enheder til os alle.