【科学背景】
随着电子设备和系统在现代社会中的广泛应用，电介质材料的重要性日益凸显。电介质材料是从变压器、输电线路到卫星关键组件的基础材料，其稳定性和可靠性直接关系到通信、国防和商业系统的正常运行。然而，电介质击穿是导致这些系统失效的主要原因之一，但科学界对这一过程的理解还不完全。
电介质击穿（ESD）是指电介质材料在受到足够高的电场时突然变得导电，导致破坏性的静电放电事件。ESD会在材料中留下类似闪电的树状损伤模式，这些永久性损伤痕迹被称为莱顿图（LFs）。尽管科学家已经对玻璃、环氧树脂、聚酰亚胺和聚乙烯等材料中的分支型LF进行了识别和研究，但对某些材料中常春藤型LF的存在和形成机制知之甚少。此外，虽然电气放电在纳秒尺度上发生已被广泛认可，但在较厚电介质材料中ESD的实际速度和通道形成机制仍未得到充分研究。
有鉴于此，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。他们通过对两种不同类型的电气树的电介质击穿通道传播动态进行分析，进一步揭示了电介质击穿过程中的关键机制。研究发现，常春藤型放电模式的传播速度接近材料中光速的5%，这是固态材料中直接视觉观察到的最快物理现象之一。这一发现不仅揭示了电介质击穿理论中的空白，还为材料工程师提供了新的思路，以设计和制造更不易受静电放电影响的电介质材料，从而提高现代电子、通信和国防系统的可靠性。
【科学亮点】
1. 实验首次发现并揭示新型ESD模式
本实验通过对空间电荷加载的PMMA进行高精度高速成像，首次揭示了全新的静电放电（ESD）模式——常春藤型放电模式。该模式的发现填补了现有电介质击穿理论中的空白。
2. 新型放电模式及其区别
常春藤型放电模式与传统的分支型放电模式存在显著差异。通过实验观察，发现常春藤型放电的通道形成速度超过107米/秒，而分支型放电通道的形成速度为106米/秒。这一发现表明了电介质击穿过程中的不同机制及其复杂性。
3. 空间电荷引起的ESD及其影响
航天器充电导致的ESD可造成严重损害，占所有卫星故障的一半以上。研究表明，这类ESD事件可由太阳耀斑、地磁暴以及长期暴露于太阳能粒子引起。理解这些机制对于保障作者日常依赖的通信、国防和商业系统的持续功能至关重要。
4. 高速成像技术在电介质研究中的应用
通过使用千兆赫的帧率的高速成像技术，本实验不仅精确测量了电气树通道的形成速度，还证实了现有LF通道形成理论中的重大缺陷。该技术的应用为进一步探索电介质击穿现象提供了强有力的工具。
5. 未来研究方向
鉴于常春藤型放电模式的发现，本实验提出了新假设，即如果该击穿模式纯粹由电磁驱动，那么在任何具有足够高空间电荷密度的聚合物中都应能观察到。未来的研究将进一步探讨材料的物理和化学结构对电介质击穿过程的影响，为更好地预测和设计抗冲击材料奠定基础。
【科学图文】
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。
【科学启迪】
本文的研究成果为电介质材料的电击穿现象提供了新的视角，揭示了电介质击穿过程中存在的常春藤型电气树这一新模式。这一发现不仅填补了现有理论中的重要空白，还对电介质材料的设计和应用具有深远的影响。通过高速度成像技术，作者首次观察到常春藤型电气树的传播速度超过107米/秒，几乎达到材料中光速的5%。这一现象的发现挑战了传统的分支型电气树理论，表明电介质击穿的机制可能更加复杂，需要新的理论框架来解释。
在以前，作者对电介质材料的击穿行为的理解仍然存在很大的未知领域。常春藤型电气树的存在表明，电介质击穿不仅仅是由电场强度决定的，还可能受到材料内部空间电荷、电磁效应以及材料的电化学结构等多种因素的影响。因此，未来的研究需要更全面地考虑这些因素的交互作用，以构建更加精确的理论模型。
文献信息：Kathryn M. Sturge et al. , Dynamics of high-speed electrical tree growth in electron-irradiated polymethyl methacrylate.Science 385,300-304 (2024).https://www.science.org/doi/10.1126/science.ado5943
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