Glaskeramiken – neuartige Klasse dielektrischer Werkstoffe für Hochspannungskondensatoren

OWERAMIC™: Glaskeramiken für Dielektrika bietet eine außergewöhnlich hohe Energiespeicherdichte in Kombination mit herausragenden Temperatureigenschaften für kleinere und leichtere Hochspannungskondensatoren / Bildquelle: Schott

Der internationale Technologiekonzern Schott hat einen neuen dielektrischen Werkstoff entwickelt. POWERAMIC™ umfasst eine Familie extrem homogener, porenfreier Glaskeramiken. Diese Materialien bieten eine sehr hohe Energiespeicherdichte und auch bei hohen Temperaturen exzellente dielektrische Eigenschaften. So ermöglichen sie im Hochspannungsbereich in Anwendungen als passive Komponenten wie Kondensatoren signifikant kleinere und leichtere Bauweise bei gleichzeitig hoher Leistungsdichte.

Kondensatoren sind passive elektrische Komponenten, die Energie in Form eines elektrostatischen Feldes im Dielektrikum zwischen Metallkontakten speichern. Sie werden häufig in Stromversorgungssystemen genutzt, die Frequenz oder Spannungsniveau umwandeln, um die Spannung und den Stromfluss zu puffern, zu stabilisieren oder zu koppeln. Hierbei steigt vor allem der Bedarf an Hochspannungskondensatoren, zum Beispiel für Excimer Laser in industriellen oder medizinischen Anwendungen, für medizinische Röntgengeräte, für die Hochspannungsversorgung bei industriellen Anwendungen oder in Stromnetzen für erneuerbare Energie.

Höhere Spannungen und Stromdichten führen jedoch zu einer steigenden thermischen Belastung. Heutige Kondensatortechnologien für Hochspannungsanwendungen basieren meist auf Polypropylen (PP) oder N4700 Keramiken. Beide sind auf Betriebstemperaturen unter 90 °C limitiert, entweder aufgrund ihres Verlustes an Kapazität (N4700) oder an Zuverlässigkeit (PP) bei zunehmender Wärme. Die neu eingeführte Werkstoffklasse zeigt eine höhere Leistungsfähigkeit in Bezug auf die Energiespeicherdichte und die dielektrischen Eigenschaften in einem erweiterten Temperaturbereich.

POWERAMIC™ Glaskeramiken sind porenfrei und extrem homogen, was ihre hohe elektrische Durchschlagsfestigkeit unterstützt. Ihre Energiespeicherdichte übersteigt diejenige heutiger Kondensatorlösungen bis zu zehnfach. So ist es möglich, kleinere und leichtere Kondensatoren zu bauen, so Dr. Martin Letz, Senior Principal Scientist bei Schott Research & Technology Development. Die Nano-Struktur der Kristalle, die unter eng kontrollierten Bedingungen aus der vollständig amorphen Glasphase auskristallisiert werden, verbessert die dielektrischen Eigenschaften bei höheren Feldstärken und vergrößert den Temperatureinsatzbereich im Vergleich zu Keramikkondensatoren.

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