Kleine defecten in elektrische isolatiematerialen kunnen leiden tot storingen, het elektriciteitsnet en zelfs mobiele telefoons van betrouwbaarheid en efficiëntie beroven.

Xiaoli Tan, een Iowa State University hoogleraar materiaalwetenschap en techniek, probeert te begrijpen hoe die defecten op nanoschaal, wanneer onderworpen aan extreme elektrische velden, evolueren naar materiële mislukkingen. Die mislukkingen worden isolatoren, die geen stroom geleiden, in materialen die stroom doorlaten.

dergelijke mislukkingen, zogenaamde diëlektrische storingen, resulteren meestal in kortsluiting of doorgebrande zekeringen.

Deze storingen treden doorgaans ver onder de theoretische sterkte en capaciteit van het isolatiemateriaal op. En dus, om energiesystemen en elektronische apparaten te beschermen, isolatiematerialen zijn onderhevig aan spanningen die ver onder hun theoretische capaciteit liggen of ze worden dikker en zwaarder gemaakt.

"Materialen die niet betrouwbaar kunnen functioneren met betrekking tot extremen in elektrische velden, vormen een kritieke wegversperring voor het bereiken van een hogere energie-efficiëntie, ’ schreef Tan in een samenvatting van zijn onderzoeksproject.

Het Basic Energy Sciences-programma van het Amerikaanse Department of Energy ondersteunt de bijna driejarige studie met een subsidie ​​van $ 675, 000. Het energiecentrum van Iowa, Iowa State College of Engineering, de afdeling materiaalkunde en techniek, het Ames Laboratory van het Department of Energy en subsidies van verschillende collega's in de staat Iowa hebben Tan ook geholpen een $ 140 te kopen, 000 specimenhouder voor de experimenten.

Joshua Hoemke, een postdoctoraal onderzoeksmedewerker in Iowa State in materiaalkunde en engineering en een medewerker van het Ames Laboratory, zal helpen bij het project. Geoff Brennecka, een assistent-professor metallurgische en materiaalkunde aan de Colorado School of Mines in Golden, zal dunne films van drie te testen isolatiematerialen voorbereiden.

Tan zal een techniek gebruiken die hij heeft ontwikkeld voor in-situ transmissie-elektronenmicroscopie die beelden kan opnemen met resoluties sneller dan 5 miljoenste van een seconde en kleiner dan 1 miljardste van een meter. De microscoop bevindt zich in de Sensitive Instrument Facility van het Ames Laboratory ten westen van de campus.

Het instrument moet zo gevoelig zijn omdat men denkt dat de elektrische storingen die Tan bestudeert beginnen met defecten op nanoschaal in isolatiematerialen. defecten van slechts een miljardste van een meter breed. De storingen gebeuren ook in microseconden, slechts een miljoenste van een seconde.

En dus, "niemand heeft deze storingen ooit rechtstreeks gezien, ' zei Tan.

Zelfs vijf of tien jaar geleden, Tan zei dat wetenschappelijke instrumenten niet snel of gevoelig genoeg waren om deze storingen op te vangen.

De experimenten zullen vastleggen hoe dunne films (ze zijn minder dan 100 miljardste van een meter dik) van drie isolatiematerialen uit het laboratorium van Brennecka in Colorado (titaniumdioxide, loodzirkonaattitanaat en loodzirkoniumoxide) breken af ​​wanneer ze worden blootgesteld aan elektrische pulsen tot 110 volt.

Na elke puls, de nanostructuur van het testmateriaal, symmetrie en chemie worden geanalyseerd, zei Tan. Dat zal de onderzoekers in staat stellen om de evolutie van de afbraak van het materiaal te zien en vast te leggen.

Het experiment omvat ook het testen en mogelijk valideren van een taaiheidsmechanisme voor loodzirkoniumoxide.

Het uiteindelijke doel van alle tests is om de ontbrekende schakels te vinden tussen defecten op nanoschaal en vroegtijdig falen van elektrische isolatiematerialen, zei Tan. Dat zou kunnen leiden tot de volgende generatie, transformationele materialen die tot hun theoretische limieten kunnen presteren. En dat zou kunnen helpen bij het produceren van betere energiesystemen en kleinere, lichtere apparaten voor ons allemaal.