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介质材料之聚合物电树枝化

2024-07-11科学

江湖上流传着一门绝技,名为「聚合物电树枝化」。此技在交流电压下,电极仿佛有灵性般,半周之内先后注入了电子和空穴。这些「载流子」掉入陷阱后,便与反极性电荷复合,复合过程中释放的能量,转化为断裂聚合物链的力量。

在更为复杂的单极性电压下,注入陷阱的电子或空穴,释放出的能量通过共振机理传递,最终热电子如同劈开铁链的利刃,斩断了聚合物链。大分子的断裂生成了大量自由基和小分子产物,这些自由基对聚合物的降解如同火上浇油。再加上空气中的氧的参与,导致更大范围的降解,形成了低密度区。

聚合物中的电树枝化过程实际上是一种电击穿现象。电击穿现象是指绝缘材料在强电场作用下,内部结构发生破坏,从而失去绝缘性能的过程。聚合物电树枝化就是这种电击穿现象的一种具体表现形式。

当电极在交流电压下工作时,电极在正半周期和负半周期内,分别注入电子和空穴(载流子)。这些载流子在材料内部运动时,会遇到聚合物链上的陷阱,形成陷阱态。正负载流子在这些陷阱态中相遇并复合,复合过程释放出能量,这些能量足以打断聚合物链。

单极性电压下,注入的载流子在聚合物内部通过共振机理将能量传递给其他电子,使其成为高能态的热电子。这些热电子拥有足够的能量打断聚合物链,产生自由基和小分子产物。这些自由基进一步催化聚合物的降解,加上氧的参与,导致更大范围的降解,形成低密度区。

在低密度区中,载流子之间的碰撞电离会产生局部放电,部分能量转化为光,部分能量使更多的聚合物分子断裂,形成空心的电树枝通道。这种局部放电现象,加速了电树枝的生长,最终导致聚合物的击穿,如下图所示。

这一理论解释了许多现象,例如正极性直流预压短路电树枝的起始电压高于负极性直流预压短路电树枝的原因。诸多电树枝引发理论模型可用于解释以下武林奇观:

  1. 电树枝发生时的电发光现象 :如同高手出招,光华四溢。这是由于载流子在低密度区中发生碰撞电离时释放的能量部分转化为光。
  2. 电压波形对电树枝引发的影响 :宛如内力运转不同,招式威力各异。交流电压和单极性电压在电树枝引发过程中起到了不同的作用,影响了电树枝的形成和发展。
  3. 直流预压短路电树枝的产生 :仿佛高手闭关修炼,内功突飞猛进。在直流电压下,载流子的注入和陷阱复合过程更加显著,导致电树枝的快速形成。
  4. 辐照接地电树枝的产生 :犹如武林秘药,助力大增。辐照过程会在聚合物中产生更多的陷阱态,从而加速电树枝的形成。
  5. 机械应力的影响 :好比招式的刚柔变化。机械应力会导致聚合物结构发生变化,从而影响电树枝的形成和发展。
  6. 热处理对电树枝起始电压的影响 :犹如丹炉炼药,药性变化无常。热处理可以改变聚合物的内部结构,影响陷阱态的分布,从而影响电树枝的起始电压。
  7. 不同气体的作用 :宛若各派武学,各具奇效。不同气体环境下,聚合物中的自由基和降解产物的生成和反应会有所不同,从而影响电树枝的形成。
  8. 电树枝化区域自由基的出现 :仿佛内力爆发,奇招频出。自由基的生成和反应是电树枝化过程中非常重要的环节,它们的存在加速了聚合物的降解过程。

理解电树枝化的过程不仅有助于在电气绝缘材料的研究和应用中取得进展,同时也为材料科学和工程提供了新的思路和方法。通过控制电树枝的形成和发展,可以提高聚合物材料的绝缘性能,延长其使用寿命,甚至开发出具有特定功能的新型材料。