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Ingenieure entwickeln Verfahren zur Verbesserung der Effizienz und Wärme-Toleranz-Geräte

2020-05-29


Xin Chen, einen Doktoranden in der Abteilung für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen an der Penn State, und Qiming

Zhang,distinguished professor of electrical engineering -, test-film-Kondensator in diesem Foto, aufgenommen im Januar.

BILD: PENN STATE COLLEGE OF ENGINEERING


UNIVERSITY PARK, Pa. — Wenn es um die Steigerung electric storage-Effizienz und die elektrische Durchschlagsfestigkeit — die Fähigkeit eines elektrischen Systems für den Betrieb bei höheren Spannungen und Temperaturen mit hoher Effizienz — Steigerung traditionell führte zu einer Abnahme in der anderen. Penn State Forscher, geführt von Qiming Zhang, distinguished professor of electrical engineering, die vor kurzem entwickelt eine skalierbare Methode, die basiert auf engineered materials zu erhöhen, die beide Eigenschaften.


Die Wissenschaftler veränderten ein Dielektrikum, Kondensator, ein Gerät, speichert und reguliert die Energie und wird Häufig verwendet, in der Elektronik und elektrischen Systemen. Über die dotierungen —klein, engineered materials auch die so genannten "Metamaterialien" — der Forscher verändert die dielektrische Kondensator, Speicherkapazität zu erhöhen, während auch die Erhöhung der elektrischen Ladung Effizienz, wodurch der Kondensator standhalten kann, die größer die Spannung mit sehr wenig Verlust von Energie bei Temperaturen über 300 Grad Fahrenheit.


Während andere Forscher in der Lage gewesen, dies zu tun für die dielektrische kondensatoren, die Methoden zu teuer gewesen wäre-Skala für die Verwendung mit echten Produkten. Zhang und die anderen Penn State Forscher berichten über Ihre Ergebnisse in der jüngsten Ausgabe der Wissenschaft Fortschritte.


"Was wir getan haben, ist die Verwendung von interface effects in nano-die dotierungen zur Steigerung der storage-Effizienz und elektrische Durchschlagsfestigkeit mit einer sehr geringen Menge besitzen und zu einem niedrigen Kosten," sagte Zhang. “Eine Menge Leute denken, Sie brauchen, um füllen Sie den Kondensator mit einer Menge von Füllstoffen zu erreichen, die eine Steigerung der storage-Effizienz, aber wir zeigten Sie erreichen es in die entgegengesetzte Richtung, das heißt, durch die Verwendung von sehr low-volume-content-Füller mit sehr low-cost-Materialien, die können auch führen zu einer höheren Durchschlagsfestigkeit. Dies hält die Kosten niedrig und macht diese hochgradig skalierbar."


Die Erhöhung der elektrischen Durchschlagsfestigkeit in einem Kondensator wird das Gerät aktivieren, um mit höheren Temperaturen, ohne einen Fehler im system. Dies ist ein wichtiges Merkmal in vielen Elektronik und elektrische Systeme, einschließlich elektrische Autos, Industrie Bohrmaschinen und elektrische Netze.


"Hybrid-Elektro-Fahrzeuge jetzt mit einem Kondensator aus einem material bekannt als BOPP," sagte Zhang. “Sie funktionieren gut bis zu 80 Grad Celsius (176 Grad F). Jedoch, da die Fahrzeuge können sehr heiß werden, so müssen Sie verwenden ein Kühlmittel. Es erhöht die Kosten und fügt auch Volumen. Sie können nun mit thisnew capacitorwith Metamaterialien, die kleiner sind, ersetzen Sie die vorhandenen Kondensator und sich keine sorgen über den Kühlkreislauf, da es mit höheren Temperaturen."


Ausrüstung für Tiefe Bohrungen auch potenziell profitieren so von einem erhöhten Temperatur-Schwellenwert, und eine kleinere, weniger teure Kondensator. Das elektrische Netz wird möglicherweise profitieren von dieser neuen technologischen Entwicklung, insbesondere im Hinblick auf die verbesserte Energieeffizienz und höhere elektrische Durchschlagsfestigkeit.


"Wir haben Sie nicht erstellen Sie ein neues material, aber durch die Verwendung von Metamaterialien auf diese Weise, wir können erheblich verbessern die Leistung des vorhandenen materials, ohne zusätzliche Kosten," sagte Zhang.


Andere der Penn State Forscher, die an diesem Projekt Tian Zhang, Doktorand in Elektrotechnik und informatik, und Xin Chen, Doktorand in Materialwissenschaft und Werkstofftechnik, die beiden ersten Autoren; Yash Thakur, Doktorand in Elektrotechnik und informatik; Blao Lu und Qlyan Zhang, post-Doktoranden der Elektrotechnik und computer-Wissenschaft; und James Runt, professor emeritus of polymer science.

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