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米测MeLab

2024-07-27

编辑总结

电介质材料在许多应用中扮演着重要角色，它们可以积累足够的电荷以发生灾难性的放电。尽管以前对这些电气树放电的形态进行了研究，但本研究发现了一种全新的放电类型——常春藤型，这在之前尚未被描述。并且这种放电的速度非常高，因此呢，理解其形成机制对于设计更不易发生静电放电故障的材料至关重要。—Brent Grocholski

研究背景

随着现代电子系统在通信、国防和商业领域的广泛应用，电介质材料的重要性日益引起关注。电介质材料，如聚合物或其他绝缘材料，是从变压器到输电线路再到卫星上的关键部件。这些材料在高电场下突然变得导电，导致静电放电（ESD）事件，从而引发系统的破坏性故障。然而，我们对这一过程的理解还不完全，尤其是在厚电介质（厚度≳25毫米）中的ESD细节仍然了解甚少。

静电放电是导致电介质材料失效的主要原因之一。当ESD事件发生时，会在材料中留下类似于闪电的树状损伤模式，即莱顿图（LFs）。尽管这些图案在视觉上与空气中的闪电相似，但由于材料密度的差异，其表现形式与云地闪电有很大不同。电介质击穿不仅仅是电场强度超过电介质击穿强度的问题，还包括空间电荷引起的电场，尤其是在航天器充电的情况下。这些充电现象可能由太阳耀斑和地磁暴或长期暴露于太阳能粒子导致，严重影响航天器的正常运行，甚至导致卫星故障。因此，深入了解ESD故障的驱动机制对于确保这些系统的持续功能至关重要。

尽管电介质材料在现代电子系统中具有重要作用，但电介质击穿的实际过程仍存在显著的研究空白。几十年来，人们已经知道电气放电在百纳秒的尺度上发生，但之前的研究对于材料损伤发生的实际速度缺乏准确的测量和约束。此外，以往的理论和模拟主要关注“分支型”LF通道的形成，而忽略了其他可能的通道形成模式。

为此，马里兰大学Timothy W. Koeth教授团队在“Science”期刊上发表了题为“Dynamics of high-speed electrical tree growth in electron-irradiated polymethyl methacrylate”的最新论文。他们通过千兆赫帧率高速成像技术，详细分析了电介质击穿通道的传播动态。研究发现，除了传统的分支型LF通道外，还存在一种新的“常春藤型”通道。这种新模式不符合典型的分支型LFs的特征和行为，其传播速度甚至超过了每秒一千万米，接近材料中光速的5％。这种现象是固态材料中直接视觉观察到的最快物理现象之一。

科学亮点

（1）实验首次在空间电荷加载的PMMA中观察到了常春藤型静电放电（ESD）模式。这种新模式与传统的分支型模式有显著不同，揭示了电介质击穿理论中的重要差距。

（2）实验通过高速成像技术详细记录了放电事件的全过程。通过对静电放电过程的光学成像，研究人员发现了在空间电荷加载的PMMA中存在一种新的ESD模式，即常春藤型放电模式。该模式的传播速度超过了每秒一千万米，这一发现证实了电介质击穿过程中存在未解之谜。

（3）尽管电介质材料在现代电子、通信和国防系统中起着至关重要的作用，但对于厚电介质中的ESD过程，我们的理解仍然非常有限。本实验的发现表明，现有的理论和模拟主要集中在分支型LF通道的形成，而忽略了常春藤型通道的存在。

（4）实验进一步揭示了电介质击穿对材料物理和化学结构的敏感性。通过对不同电介质材料的研究，可以更好地理解每种机制在击穿过程中的作用。这将有助于材料工程师预测材料行为，优化电介质的设计，使其不易受静电放电的影响。

（5）此外，由于材料充电和参数的可调性，本实验结果表明常春藤型放电模式可以在实验室规模上用于研究云内闪电放电。这为未来的研究提供了新的方向，也为设计更可靠的电介质材料提供了重要的理论依据。   

图文解读

图1：两个LF最终形式的图像。

图2. 分支型LF引发状态的高速图像。

图3. 常春藤型LF引发状态的高速图像。 

图4：随时间变化的平均通道长度。

总结展望

本文的研究揭示了电介质材料中一种全新的电气树放电模式——常春藤型电气树，这一发现对电介质击穿理论和实际应用具有深远的意义。首先，常春藤型电气树的发现表明，电介质击穿过程远比我们之前认知的复杂。传统理论主要集中于分支型电气树的形成机制，但我们的研究显示，常春藤型电气树具有不同的传播特性和结构，这提示我们现有的理论模型可能需要更新和扩展。这一新发现挑战了传统的电介质击穿理论，促使科学家重新审视电介质中电击穿的物理机制。

其次，实验结果表明，常春藤型电气树的传播速度接近材料中光速的5%，这是迄今为止在固态材料中观察到的最快物理现象之一。这种高速的电气树传播不仅提供了关于电击穿速度的新数据，还可能揭示了电介质材料在高电场条件下的新的物理行为。这一发现对研究电介质材料在极端条件下的行为具有重要的启示，可能会影响未来的材料设计和工程应用。   

最后，对电介质击穿机制的深入理解对于实际应用至关重要。电介质材料在航天器、电子设备以及通信系统中广泛应用，理解其击穿过程有助于提高这些系统的可靠性和稳定性。特别是在航天器充电和静电放电故障频发的情况下，更好地预测和控制电介质的击穿行为，将对提升设备的抗击穿能力和性能起到关键作用。

原文详情：

Kathryn M. Sturge et al. , Dynamics of high-speed electrical tree growth in electron-irradiated polymethyl methacrylate.Science 385,300-304 (2024).

DOI:10.1126/science.ado5943

https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado5943