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介質材料之聚合物電樹枝化

2024-07-11科學

江湖上流傳著一門絕技,名為「聚合物電樹枝化」。此技在交流電壓下,電極仿佛有靈性般,半周之內先後註入了電子和電洞。這些「載流子」掉入陷阱後,便與反極性電荷復合,復合過程中釋放的能量,轉化為斷裂聚合物鏈的力量。

在更為復雜的單極性電壓下,註入陷阱的電子或電洞,釋放出的能量透過共振機理傳遞,最終熱電子如同劈開鐵鏈的利刃,斬斷了聚合物鏈。大分子的斷裂生成了大量自由基和小分子產物,這些自由基對聚合物的降解如同火上澆油。再加上空氣中的氧的參與,導致更大範圍的降解,形成了低密度區。

聚合物中的電樹枝化過程實際上是一種電擊穿現象。電擊穿現象是指絕緣材料在強電場作用下,內部結構發生破壞,從而失去絕緣效能的過程。聚合物電樹枝化就是這種電擊穿現象的一種具體表現形式。

當電極在交流電壓下工作時,電極在正半周期和負半周期內,分別註入電子和電洞(載流子)。這些載流子在材料內部運動時,會遇到聚合物鏈上的陷阱,形成陷阱態。正負載流子在這些陷阱態中相遇並復合,復合過程釋放出能量,這些能量足以打斷聚合物鏈。

單極性電壓下,註入的載流子在聚合物內部透過共振機理將能量傳遞給其他電子,使其成為高能態的熱電子。這些熱電子擁有足夠的能量打斷聚合物鏈,產生自由基和小分子產物。這些自由基進一步催化聚合物的降解,加上氧的參與,導致更大範圍的降解,形成低密度區。

在低密度區中,載流子之間的碰撞游離會產生局部放電,部份能量轉化為光,部份能量使更多的聚合物分子斷裂,形成空心的電樹枝通道。這種局部放電現象,加速了電樹枝的生長,最終導致聚合物的擊穿,如下圖所示。

這一理論解釋了許多現象,例如正極性直流預壓短路電樹枝的起始電壓高於負極性直流預壓短路電樹枝的原因。諸多電樹枝引發理論模型可用於解釋以下武林奇觀:

  1. 電樹枝發生時的電發光現象 :如同高手出招,光華四溢。這是由於載流子在低密度區中發生碰撞游離時釋放的能量部份轉化為光。
  2. 電壓波形對電樹枝引發的影響 :宛如內力運轉不同,招式威力各異。交流電壓和單極性電壓在電樹枝引發過程中起到了不同的作用,影響了電樹枝的形成和發展。
  3. 直流預壓短路電樹枝的產生 :仿佛高手閉關修煉,內功突飛猛進。在直流電壓下,載流子的註入和陷阱復合過程更加顯著,導致電樹枝的快速形成。
  4. 輻照接地電樹枝的產生 :猶如武林秘藥,助力大增。輻照過程會在聚合物中產生更多的陷阱態,從而加速電樹枝的形成。
  5. 機械應力的影響 :好比招式的剛柔變化。機械應力會導致聚合物結構發生變化,從而影響電樹枝的形成和發展。
  6. 熱處理對電樹枝起始電壓的影響 :猶如丹爐煉藥,藥性變化無常。熱處理可以改變聚合物的內部結構,影響陷阱態的分布,從而影響電樹枝的起始電壓。
  7. 不同瓦斯的作用 :宛若各派武學,各具奇效。不同瓦斯環境下,聚合物中的自由基和降解產物的生成和反應會有所不同,從而影響電樹枝的形成。
  8. 電樹枝化區域自由基的出現 :仿佛內力爆發,奇招頻出。自由基的生成和反應是電樹枝化過程中非常重要的環節,它們的存在加速了聚合物的降解過程。

理解電樹枝化的過程不僅有助於在電氣絕緣材料的研究和套用中取得進展,同時也為材料科學和工程提供了新的思路和方法。透過控制電樹枝的形成和發展,可以提高聚合物材料的絕緣效能,延長其使用壽命,甚至開發出具有特定功能的新型材料。