Создано стекло с рекордной электрической прочностью

Группа ученых из Института материаловедения при Университете штата Пенсильвания (США) разработала технологию получения тонких стеклянных пленок, которые сочетают высокую электрическую прочность со сравнительно большой диэлектрической проницаемостью. 

По мнению исследователей, такие пленки должны идеально подойти для конструирования малогабаритных конденсаторов высокой емкости. 

Величины электрической прочности существующих образцов стекол лежат в диапазоне 4–9 МВ/см; новый диэлектрик демонстрирует значение около 12 МВ/см. В сочетании с достаточно высокой диэлектрической проницаемостью (~ 6) это дает плотность энергии в 35 Дж/см3 (широко применяемый полипропилен, напомним, может обеспечить «всего» 10 Дж/см3). 

«Для стекла такие показатели можно считать выдающимися», — резюмирует ведущий автор работы Николас Смит (Nicholas J. Smith). Для изготовления пленок г-н Смит использовал промышленные образцы бесщелочного бариевого бороалюмосиликатного стекла толщиной 50 мкм, которые применяются в производстве плоских дисплеев. Выдающиеся качества материала объясняются наличием поляризуемых ионов бария (увеличивается действительная часть комплексной диэлектрической проницаемости) и отсутствием щелочных элементов (снижаются потери энергии). Одним из существенных факторов Николас Смит также считает высокое качество поверхности стекла и отсутствие дефектов. 

Опытные образцы пленок проходили предварительную обработку плавиковой кислотой и утончались до 10–20 мкм, приобретая эластичность. Затем пленка помещалась в сосуд с полимерной жидкостью и подвергалась воздействию напряжения (до 30 кВ). Пробой, сопровождавшийся резким звуком и вспышкой, наблюдался через 40–80 секунд. 

Как отмечают авторы, стеклянные пластинки толщиной 30 мкм, производство которых должно начаться в ближайшем будущем, смогут обеспечить еще бόльшую электрическую прочность за счет повышения качества поверхности. Для того чтобы перейти к изготовлению коммерческих образцов конденсаторов на основе пленок, необходимо решить несколько чисто инженерных проблем. «Увеличив размеры, мы потеряем в плотности энергии, — говорит один из участников исследования Майкл Лэнаган. — Однако емкость все равно должна сохраниться на высочайшем уровне».