Учёные НовГУ создали керамику с дефектами для сверхмощных импульсных конденсаторов

18 сентября 2026, 15:04   35

Учёные НовГУ в составе международной группы разработали керамический материал для высокомощных конденсаторов и предложили способ усилить его поляризационный отклик без существенного снижения электрической прочности. Для этого исследователи сформировали в кристаллической структуре контролируемые дефекты. Главным преимуществом материала стала способность выдавать колоссальную пиковую мощность (171,97 МВт/см³) за доли микро- и наносекунд, сохраняя высокий КПД (86,23%) и не требуя экстремальных электрических полей для работы. Новый керамический материал найдет применение в портативных дефибрилляторах, электромагнитном оружии, космических двигателях и мощных лазерах.

В исследовании принимали участие учёные из научных центров Китая, Словении, Турции, Беларуси и России. Соавтором от Новгородского университета выступил директор научно-исследовательского центра полупроводникового материаловедения Виктор Леонтьев.

Почему приходится искать компромисс

Конденсатор — это устройство для накопления энергии электрического поля. В электронике конденсаторы сглаживают пульсации напряжения, фильтруют помехи, разделяют сигналы и участвуют в формировании электрических импульсов. Плотность энергии, которое может запасать диэлектрический материал, зависит от его поляризационного отклика и напряжённости поля, которую он выдерживает без пробоя. Одновременно повысить оба показателя бывает сложно.

— В керамическом диэлектрике атомы занимают определённые положения в кристаллической решётке, — пояснил Виктор Леонтьев. — Под действием внешнего электрического поля положительные и отрицательные заряды немного смещаются относительно друг друга, в результате чего возникает поляризация. Чем сильнее поляризационный отклик и чем более сильное поле выдерживает материал без пробоя, тем больше энергии он способен запасать.

В диэлектрических материалах усиление поляризации нередко сопровождается ростом электрических потерь, токов утечки или снижением напряжённости пробоя. Поэтому высокая поляризация сама по себе ещё не гарантирует высокой плотности извлекаемой энергии.

Как дефекты изменили свойства материала

Исследователи работали с керамикой со структурой тетрагональной вольфрамовой бронзы на основе кальция, бария, лантана и ниобия. Часть ионов ниобия в ней заместили ионами железа. Такое легирование использовали не для повышения механической прочности, а для целенаправленного формирования дефектных комплексов и изменения электрических свойств материала.

— Ионы железа и ниобия имеют близкие размеры, поэтому железо может занимать позиции ниобия, не разрушая основную кристаллическую структуру, — рассказал Виктор Леонтьев. — При этом различаются их степени окисления: железо в данном случае преимущественно имеет степень окисления +3, а ниобий — +5. Для сохранения электронейтральности в решётке образуются кислородные вакансии — незаполненные позиции, которые обычно должны занимать ионы кислорода.

Заряженные дефекты могут объединяться в дефектные комплексы, обладающие собственным дипольным моментом. По выводам авторов, такие дефектные диполи создают локальные электрические поля и вносят дополнительный вклад в поляризационный отклик материала.

— Дефектные диполи и создаваемые ими локальные поля усиливают поляризационный отклик материала, — отметил Виктор Леонтьев. — Одновременно дефектные комплексы способны захватывать подвижные носители заряда, уменьшая токи утечки и вероятность преждевременного электрического пробоя. Благодаря этому удалось улучшить плотность запасаемой энергии без существенного снижения электрической прочности.

Результаты испытаний

Оптимальный состав продемонстрировал плотность извлекаемой энергии 3,42 Дж/см³ при эффективности 86,23 %. Показатели получены при напряжённости электрического поля 45 кВ/мм. Для подобных керамических материалов это сравнительно умеренное поле.

— Одно из ключевых преимуществ диэлектрических конденсаторов — способность отдавать энергию за короткое время, — пояснил Виктор Леонтьев. — В импульсном испытании плотность энергии разряда составила 2,24 Дж/см³, а плотность мощности — 171,97 МВт/см³.

Эффективность 86,23 % означает, что большая часть запасённой энергии может быть возвращена при разряде, а потери остаются сравнительно небольшими. Авторы считают материал перспективным для высокомощных импульсных конденсаторов. Для практического применения необходимо создать и испытать полноценные конденсаторные элементы на его основе.

Разработка международной группы учёных найдёт применение в медицинской технике для компактных дефибрилляторов и литотрипторов, в аэрокосмической отрасли для импульсных двигателей и бортовых локаторов, в военных технологиях для рельсотронов и систем СВЧ-защиты, а также в импульсных лазерах и портативной электронике, где требуются мгновенная отдача высокой мощности и надежность при разумном рабочем напряжении.

Эту и другие новости читайте в официальном МАХ-канале Новгородского университета.