Durchschlagsfestigkeit unterschiedlicher Materialien als Funktion der Pulsanstiegszeit

Wirkungsweise von selFrag

In wenigen Mikrosekunden wird eine HV-Entladung (bis

zu ca. 400 kV, mit einer Energie von 10 – 300 J pro cm) im Entladungs-Plasmakanal angelegt, der anfangs nur einige μm misst. In diesem Verfahren werden Drücke bis 10¹⁰ Pa erzeugt.

Der Effekt ähnelt dem von chemischen Sprengmitteln (z.B. TNT), die in einem Bohrloch gezündet werden. Die Entladung hat zur Folge, dass sich in den Feststoffen Schockwellen ausbreiten und diese infolge der mechanischen Beanspruchung zerlegen (Fig.1). Die Reflektionen an akustischen Inhomogenitäten bewirken an den Korngrenzen, Einschlüssen oder Materialgrenzen der Verbundmaterialien Zugspannungen, die dazu führen, dass das Material hauptsächlich an diesen Inhomogenitäten bricht. Die Folge ist, dass Verbundmaterialien mit einem hohen Grad an Selektivität in ihre Bestandteile fragmentiert werden. In allen Anwendungen müssen die Feststoffe in eine dielektrische Flüssigkeit eingetaucht sein, wie beispielsweise Wasser, Öl oder andere organische Flüssigkeiten.

In den meisten Anwendungen wird, aus praktischen Gründen, Wasser als Flüssigkeit gewählt. Materialien, die einer elektrischen Spannung ausgesetzt werden, zeigen unterschiedliche Spannungsfestigkeiten in Abhängigkeit der Pulsanstiegszeit, also der Zeit, welche die Hochspannung benötigt, bis sie ihre Spitze erreicht. Eine Hochspannungsentladung findet zuerst in dem Material mit den geringsten Spannungsfestigkeiten statt. Wenn die Pulsanstiegszeit, beispielsweise kürzer als 500 ns ist, überschreitet die Spannungsfestigkeit des Wassers jene der meisten nichtleitenden Feststoffe wie Keramik, Glas und viele Mineralien. Folglich findet die Entladung zuerst in den Feststoffen statt.

Die Selektive Fragmentierung zeichnet sich im Vergleich zu mechanischen Verfahren durch entscheidende Vorteile aus:

• Vorwiegend Brüche entlang Korngrenzen
• Liberierung von morphologisch intakten Mineralien oder Mikrofossilien
• Gewinnung von Mono-Mineralfragmenten
• Sehr saubere Oberflächen der liberierten Mineralien
• Minimale Beschädigung der liberierten Zielkörner
• Hohe Ausbeute an verfügbaren Zielkörner
• Erhaltung der natürlichen Korngrössenverteilung
• Enge Korngrössenverteilung und Bestimmung des Mittelwertes
• Einschritt-Aufbereitung – vom Stein zum Mikrokorn
• Aufbereitung eines Kilogramms einer Probe in nur wenigen Minuten
• Halbautomatische programmierbare Aufbereitung
• Sehr geringe Produktion von unerwünschtem Feinkorn unter 50 μm
• Keine Staubproduktion
• Praktische keine (Quer-) Kontamination der Proben
• Keine beweglichen Teile und deshalb praktisch kein Verschleiss
• Einfache Reinigung durch blosses Abreiben und Spülen
• Höhere Geschwindigkeit und Qualität der darauffolgenden analytischen Verfahrensschritte

Das selFrag-Verfahren eröffnet neue Möglichkeiten zur Analyse von Mineralproben für Wissenschaft und Materialtests.

Fragmentierung durch Hochspannungsentladung

Historischer Hintergrund

Die Anwendung der HV-Impulstechnologie zur Fragmentierung reicht 30 bis 40 Jahre zurück. Russische Wissenschaftler waren die Ersten, die auf diesem Gebiet systematische Forschung betrieben. Im Jahr 1995 startete das Forschungszentrum Karlsruhe (FZK) ein umfassendes F&E-Programm zur Entwicklung industrieller Anwendungsmöglichkeiten der Selektiven Fragmentierung.

Seither hat das FZK mehrere spezielle Pilotanlagen gebaut und die Fragmentierung vieler unterschiedlicher Materialien in den Bereichen Mineralogie, Rohmaterialien und Verbundstoffe untersucht. Das FZK hat dabei die Vorteile dieses Verfahrens im Vergleich zur mechanischen Fragmentierung und das grosse Potenzial für die Kommerzialisierung dieser Technologie aufgezeigt. selFrag macht diese patentierte Technologien unter einer weltweiten Lizenz vom FZK kommerziell verfügbar.