編輯總結(jié)
電介質(zhì)材料在許多應用中扮演著重要角色，它們可以積累足夠的電荷以發(fā)生災難性的放電。盡管以前對這些電氣樹放電的形態(tài)進行了研究，但本研究發(fā)現(xiàn)了一種全新的放電類型——常春藤型，這在之前尚未被描述。并且這種放電的速度非常高，因此呢，理解其形成機制對于設計更不易發(fā)生靜電放電故障的材料至關(guān)重要。—Brent Grocholski
研究背景
隨著現(xiàn)代電子系統(tǒng)在通信、國防和商業(yè)領(lǐng)域的廣泛應用，電介質(zhì)材料的重要性日益引起關(guān)注。電介質(zhì)材料，如聚合物或其他絕緣材料，是從變壓器到輸電線路再到衛(wèi)星上的關(guān)鍵部件。這些材料在高電場下突然變得導電，導致靜電放電（ESD）事件，從而引發(fā)系統(tǒng)的破壞性故障。然而，我們對這一過程的理解還不完全，尤其是在厚電介質(zhì)（厚度?25毫米）中的ESD細節(jié)仍然了解甚少。
靜電放電是導致電介質(zhì)材料失效的主要原因之一。當ESD事件發(fā)生時，會在材料中留下類似于閃電的樹狀損傷模式，即萊頓圖（LFs）。盡管這些圖案在視覺上與空氣中的閃電相似，但由于材料密度的差異，其表現(xiàn)形式與云地閃電有很大不同。電介質(zhì)擊穿不僅僅是電場強度超過電介質(zhì)擊穿強度的問題，還包括空間電荷引起的電場，尤其是在航天器充電的情況下。這些充電現(xiàn)象可能由太陽耀斑和地磁暴或長期暴露于太陽能粒子導致，嚴重影響航天器的正常運行，甚至導致衛(wèi)星故障。因此，深入了解ESD故障的驅(qū)動機制對于確保這些系統(tǒng)的持續(xù)功能至關(guān)重要。
盡管電介質(zhì)材料在現(xiàn)代電子系統(tǒng)中具有重要作用，但電介質(zhì)擊穿的實際過程仍存在顯著的研究空白。幾十年來，人們已經(jīng)知道電氣放電在百納秒的尺度上發(fā)生，但之前的研究對于材料損傷發(fā)生的實際速度缺乏準確的測量和約束。此外，以往的理論和模擬主要關(guān)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。
為此，馬里蘭大學Timothy W. Koeth教授團隊在“Science”期刊上發(fā)表了題為“Dynamics of high-speed electrical tree growth in electron-irradiated polymethyl methacrylate”的最新論文。他們通過千兆赫幀率高速成像技術(shù)，詳細分析了電介質(zhì)擊穿通道的傳播動態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)，除了傳統(tǒng)的分支型LF通道外，還存在一種新的“常春藤型”通道。這種新模式不符合典型的分支型LFs的特征和行為，其傳播速度甚至超過了每秒一千萬米，接近材料中光速的5％。這種現(xiàn)象是固態(tài)材料中直接視覺觀察到的最快物理現(xiàn)象之一。
科學亮點
（1）實驗首次在空間電荷加載的PMMA中觀察到了常春藤型靜電放電（ESD）模式。這種新模式與傳統(tǒng)的分支型模式有顯著不同，揭示了電介質(zhì)擊穿理論中的重要差距。
（2）實驗通過高速成像技術(shù)詳細記錄了放電事件的全過程。通過對靜電放電過程的光學成像，研究人員發(fā)現(xiàn)了在空間電荷加載的PMMA中存在一種新的ESD模式，即常春藤型放電模式。該模式的傳播速度超過了每秒一千萬米，這一發(fā)現(xiàn)證實了電介質(zhì)擊穿過程中存在未解之謎。
（3）盡管電介質(zhì)材料在現(xiàn)代電子、通信和國防系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，但對于厚電介質(zhì)中的ESD過程，我們的理解仍然非常有限。本實驗的發(fā)現(xiàn)表明，現(xiàn)有的理論和模擬主要集中在分支型LF通道的形成，而忽略了常春藤型通道的存在。
（4）實驗進一步揭示了電介質(zhì)擊穿對材料物理和化學結(jié)構(gòu)的敏感性。通過對不同電介質(zhì)材料的研究，可以更好地理解每種機制在擊穿過程中的作用。這將有助于材料工程師預測材料行為，優(yōu)化電介質(zhì)的設計，使其不易受靜電放電的影響。
（5）此外，由于材料充電和參數(shù)的可調(diào)性，本實驗結(jié)果表明常春藤型放電模式可以在實驗室規(guī)模上用于研究云內(nèi)閃電放電。這為未來的研究提供了新的方向，也為設計更可靠的電介質(zhì)材料提供了重要的理論依據(jù)。
圖文解讀
圖1：兩個LF最終形式的圖像。
圖2. 分支型LF引發(fā)狀態(tài)的高速圖像。
圖3. 常春藤型LF引發(fā)狀態(tài)的高速圖像。
圖4：隨時間變化的平均通道長度。
總結(jié)展望
本文的研究揭示了電介質(zhì)材料中一種全新的電氣樹放電模式——常春藤型電氣樹，這一發(fā)現(xiàn)對電介質(zhì)擊穿理論和實際應用具有深遠的意義。首先，常春藤型電氣樹的發(fā)現(xiàn)表明，電介質(zhì)擊穿過程遠比我們之前認知的復雜。傳統(tǒng)理論主要集中于分支型電氣樹的形成機制，但我們的研究顯示，常春藤型電氣樹具有不同的傳播特性和結(jié)構(gòu)，這提示我們現(xiàn)有的理論模型可能需要更新和擴展。這一新發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)的電介質(zhì)擊穿理論，促使科學家重新審視電介質(zhì)中電擊穿的物理機制。
其次，實驗結(jié)果表明，常春藤型電氣樹的傳播速度接近材料中光速的5%，這是迄今為止在固態(tài)材料中觀察到的最快物理現(xiàn)象之一。這種高速的電氣樹傳播不僅提供了關(guān)于電擊穿速度的新數(shù)據(jù)，還可能揭示了電介質(zhì)材料在高電場條件下的新的物理行為。這一發(fā)現(xiàn)對研究電介質(zhì)材料在極端條件下的行為具有重要的啟示，可能會影響未來的材料設計和工程應用。
最后，對電介質(zhì)擊穿機制的深入理解對于實際應用至關(guān)重要。電介質(zhì)材料在航天器、電子設備以及通信系統(tǒng)中廣泛應用，理解其擊穿過程有助于提高這些系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。特別是在航天器充電和靜電放電故障頻發(fā)的情況下，更好地預測和控制電介質(zhì)的擊穿行為，將對提升設備的抗擊穿能力和性能起到關(guān)鍵作用。
原文詳情：
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
