Электрический конденсатор с высокой диэлектрической проницаемостью на основе сегнетоэлектрических нанокластеров

Предлагаемая полезная модель относится к устройствам для хранения электрического заряда - электрическим конденсаторам. За счет использования сегнетоэлектрических нанокластеров, внедренных в пористую диэлектрическую матрицу достигается значительное увеличение емкости конденсатора с одновременным уменьшением размеров устройства. Заполнение диэлектрической матрицы сегнетоэлектриком, за счет высокой подвижности атомов нанокластера в предплавильном состоянии, производится при температуре ниже температуры плавления как сегнетоэлектрика так и диэлектрической матрицы. Матрица имеет контролируемые топологию и расположение пор, за счет чего сегнетоэлектрик однородно распределяется в объеме матрицы.

Область техники:

Полезная модель относится к области электрических устройств, в частности, к устройствам для хранения электрического заряда - электрическим конденсаторам.

Уровень техники:

Известны следующие диэлектрические материалы для конденсаторов:

керамические, оксидные, органические (полимерные) и композитные, включающие полимер и керамику. Основные параметры и свойства конденсаторов определяются свойствами и параметрами этих материалов. Керамические диэлектрики имеют широкий диапазон диэлектрической проницаемости и рабочих частот. Диэлектрическая проницаемость материалов для изготовления высокочастотных керамических конденсаторов лежит в пределах от единиц до сотен (RU 2293717, US 7072170, JP 2048455, WO 2006137153). Недостатком керамических конденсаторов являются большие размеры. Недостатком органических и оксидных диэлектриков при малой толщине является низкие значения диэлектрической проницаемости (RU 2281540, US 4708989, US 6544651). Органические диэлектрики деградируют со временем с ухудшением диэлектрических свойств. Композитные диэлектрики имеют малую стабильность диэлектрических свойств при массовом выпуске (RU 2084036). Конденсаторы с сегнетоэлектриком в качестве диэлектрического материала лишены всех этих недостатков (SU 1829320, RU 1632254, RU 1767823). Основным недостатком сегнетоэлектриков является изменение диэлектрической проницаемости при воздействии таких внешних факторов как температура и давление. Уйти от этих недостатков позволяет переход к наноразмерам - используются сегнетоэлектрики, внедренные в пористую матрицу, играющую роль стабилизатора внешних воздействий на сегнетоэлектрик.

Раскрытие полезной модели:

Электрические конденсаторы состоят, как правило, из двух плоских электродов - обкладок конденсатора и помещенного между ними слоя диэлектрика. В качестве диэлектрических материалов для конденсаторов сегнетоэлектрики отличаются такими параметрами как высокая диэлектрическая проницаемость, низкий ток утечки, малый тангенс угла потерь.

Основной проблемой для использования сегнетоэлектриков в конденсаторах является доменная структура, чувствительность изменению температуры. Для уменьшения габаритов сегнетоэлектрических конденсаторов используют напыление сегнетоэлектриков в виде тонких пленок, но в этом случае получение однородных пленок, без кластерных включений, представляет собой определенную трудность.

Решением этих проблем является переход к нанокомпозитам, заключенным в пористую диэлектрическую матрицу, например, стеклянную, с контролируемыми размерами и топологией пор.

Нанокомпозиты имеют размеры порядка сотен нанометров, что предотвращает появление доменных и кластерных структур. Помимо этого нанокомпозиты в предплавильном состоянии обладают высокой текучестью за счет увеличения подвижности атомов, что позволяет заполнять матрицу при относительно низкой температуре, не допуская разрушения нанокомпозита при переходе в расплав. Матрица имеет контролируемые размер пор и топологию, что позволяет добиваться однородного распределения диэлектрика в объеме матрицы. Помимо этого, матрица играет роль стабилизатора внешних воздействий.

Описание чертежей:

1 - обкладки конденсатора, 2 - диэлектрик на основе нанокомпозитного сегнетоэлектрика, внедренного в диэлектрическую пористую матрицу.

Осуществление полезной модели:

Предлагаемое устройство конденсатора осуществляется следующим образом: для изготовления диэлектрика, помещаемого между обкладками конденсатора, используется внедренный в пористую диэлектрическую матрицу сегнетоэлектрический нанокомпозит на основе нитрита натрия (NaNO₂). Диэлектрическая пористая матрица имеет контролируемые размер пор и топологию. Внедрение нанокомпозита осуществляется из предплавительного

состояния. Отличительной чертой нанокомпозитов является большая подвижность атомов в предварительном состоянии, что позволяет заполнять поры матрицы при более низкой температуре, ниже температуры материала плавления матрицы, чем при использовании обычного сегнетоэлектрика.

Внедренное вещество при этом стабильно во времени, остается в твердом состоянии и сохраняет кристаллическую структуру. В качестве внедряемых веществ применяются сегнетоэлектрики типа порядок-беспорядок например, нитрит натрия. Вводимое вещество является экологически чистым и не содержит тяжелых металлов.

Электрический конденсатор, состоящий из двух плоских электродов - обкладок конденсатора и заключенного между ними слоя диэлектрика, отличающийся тем, что слой диэлектрика выполнен из материала на основе сегнетоэлектрических нанокластеров нитрита натрия (NaNO ₂), заключенных в пористую диэлектрическую матрицу с контролируемыми размерами и топологией, что позволяет им однородно распределяться в объеме матрицы.