Elektrische schakelingen leiden onder een kleine maar hete vonk die overspringt bij elk in- en uitschakelen, zoals bliksem bij een onweer. Men wist lange tijd niet precies wat deze kleine vonken in het inwendige van de contacten veroorzaken. Nanotomografiemaakte het onderzoekers aan de Universität des Saarlandes mogelijk om nauwkeurig inzage te krijgen in het inwendige van materialen.
Elektrische schakelsystemen zijn te vinden zijn in elk gebouw, machine en auto. Ze lijden niet onder de hitte vonkoverslag bij het in- en uitschakelen, corrosie, mechanische slijtage en temperatuurswisselingen. Uitval van apparatuur heeft vaak te maken met problemen aan de elektrische contacten.
De afbeelding boven toont, hoe zich in het zilveren contactmateriaal na het vonken nanoporiën (geel) vormen en de oxidedeeltjes (oranje) samenklonteren. Beide zorgen dat de elektrische en warmtegeleiding bijna wordt gehalveerd.Het beschadigingsproces wordt zo versterkt.
Prof. Frank Mücklich maakt het inwendige van materialen zichtbaar.
Onderzoek
In een onderzoeksproject met Bosch, Siemens, de Duitse edelmetaal industrie en een aantal andere instituten onderzochten de Saarlandse wetenschappers met behulp van de nanotomografie hoe de beschadiging van elektrische schakelcontacten precies verloopt. Men wilde begrijpen hoe de uitwerking is bij de tijdens het in- en uitschakelen optredende energieschok op een paar duizendste millimeter die een kleine krater vormt in het contactoppervlak. Ze konden aantonen hoe deze microbliksems in nanodimensies het inwendige van de contactmaterialen veranderde en, afhankelijk van de belasting, de levensduur van het onderdeel beïnvloedde.
Met deze kennis moeten nieuwe materialen worden ontwikkeld, waarbij de kortstondige extreme hitte van de vonk tot 6000°C niet uitmaakt. Met robuuster materiaal en op maat gemaakte materiaalsamenstellingen kunnen fabrikanten de houdbaarheid van elektrische schakelsystemen belangrijk verbeteren en zo mogelijk minder kostbaar edelmetaal gebruiken dan op dit moment.
Nanotomografie
De nanotomografie functioneert ongeveer hetzelfde als de computertomografie bij een medisch onderzoek. Het verschil is, dat het lichaam niet in schijven wordt doorgelicht, maar door een nauwkeurige ionenstraal systematisch in schijven met een dikte van enkele nanometers wordt verdeeld. De daarbij verkregen series afbeeldingen worden in de computer samengevoegd tot een exacte ruimtelijke afbeelding.
Door de hoge resolutie van de nanotomografie en de grote verschillen in contrast kunnen materiaalonderzoekers niet alleen de chemische samenstelling analyseren (welk atoom zit waar). Ze kunnen ook zichtbaar maken welke kristalstructuur en oriëntatie van de kristallen in het materiaal aanwezig zijn en welke nanostructuren daaruit werden gevormd. Ze kunnen uit de 3D afbeelding op elke plaats de gevolgen van kleinste materiaalveranderingen met betrekking tot de belangrijkste eigenschappen berekenen, de geleiding voor stroom en warmte bij het optreden van de onvermijdbare microbliksem.
