由電介質(zhì)物理教學與科研50年看電氣絕緣學科發(fā)展

李盛濤,鐘力生,劉輔宜,徐傳驤,李建英

(西安交通大學電氣絕緣研究中心,陜西西安 710049)

1 教學與科研走過的歷程

1.1 電介質(zhì)物理教學方面

(1)本科生教學

電介質(zhì)物理學是隨著20世紀電氣工程事業(yè)的形成和發(fā)展而產(chǎn)生發(fā)展起來的一門物理學分支。它是與金屬物理學、半導體物理學等并列的應用物理學科。它涉及的主要內(nèi)容是電介質(zhì)的組成、結(jié)構(gòu)、雜質(zhì)等微觀性質(zhì)與其介電特性(極化、電導、損耗、擊穿等)的關(guān)系,以及光、電、熱、機械功能轉(zhuǎn)換和溫度、壓力、電頻率等物理條件的影響。

自1930年德拜研究了極性分子的極化特性,發(fā)現(xiàn)并建立了分子結(jié)構(gòu)與極化介電參數(shù)ε的關(guān)系而獲得了諾貝爾物理學獎之后,電介質(zhì)物理學發(fā)展形成了一門獨立的新興學科,并首先成為電氣絕緣研究與工程技術(shù)人員的主要知識基礎。我國在1953年建立電氣絕緣與電纜技術(shù)專業(yè)之始就將此學科作為主要專業(yè)理論基礎。

1953年交通大學建立絕緣教研室,在教學大綱中就列出“電介質(zhì)物理”課程,于1954年9月4日開始授課,由陳季丹教授主講。應該說陳季丹教授是我國講授“電介質(zhì)理論”課程和研究電介質(zhì)介電特性的開創(chuàng)者。

“電介質(zhì)物理”最早的教學大綱主要來自蘇聯(lián)列寧格勒莫洛托夫工學院電氣絕緣與電纜技術(shù)專業(yè)《電介質(zhì)理論》教學大綱。當時的教學內(nèi)容已比較完整地包括電介質(zhì)的極化、電導和擊穿,另外課程內(nèi)還包括ε、tgδ及擊穿測試方法的討論(當時還未設立絕緣測試課)。尤其值得注意的是,當時《電介質(zhì)理論》課程還包括介電特性及其微觀參數(shù)測量的試驗內(nèi)容,如硝基苯分子電矩的測量等,這些實驗內(nèi)容也是由陳季丹教授等籌建開出的。這對培養(yǎng)學生對電介質(zhì)理論的理解和試驗研究能力的提高很有好處。學生主要參考書有:斯卡那維著《電介質(zhì)物理學》(弱電場部分)中譯本,陳以鴻譯、陳季丹校,1958年高等教育出版社出版,以及華耳特爾主編,張和康、劉耀南等譯《電介質(zhì)物理學》,1957年高等教育出版社出版。

1962年起,開始自編教材。第一本《電介質(zhì)物理學》教材是根據(jù)陳季丹教授的講稿和講授內(nèi)容,由徐傳驤、伍學正等執(zhí)筆編寫的。這一時期還組織翻譯了斯卡那維著《電介質(zhì)物理學》(強電場部分)。一場文革浩劫,使這兩本書稿都沒有得到正式出版的機會。70年代末工業(yè)出,由陳季丹、劉子玉教授任主編組織了《電介質(zhì)物理學》全國通用教材的編寫,1982年由機械工業(yè)出版社出版了我國第一本《電介質(zhì)物理學》全國通用教材。這本書是以陳季丹先生為首的《電介質(zhì)物理學》教學組多年教學心得的積累。1996由金維芳教授任主編對《電介質(zhì)物理學》教科書進行了改編,新版《電介質(zhì)物理學》于1997年由機械工業(yè)出版社出版。改編后的教材內(nèi)容比較精練,更加適合于減少課時后的本科生教學用。

(2)研究生教學

對研究生開設《電介質(zhì)物理專題》課程始自1983年,由劉子玉教授負責,課程一開始就以講座方式進行,數(shù)位教師各負責一部分內(nèi)容。1995由徐傳驤、劉輔宜為主,江平開、李盛濤、鐘力生合力編寫了《工程電介質(zhì)物理基礎與進展》研究生教材講義初稿。該講義在鞏固本科電介質(zhì)物理概念的基礎上,加強了發(fā)展較快的強場電導與擊穿內(nèi)容,并擴展了功能電介質(zhì)和生物電介質(zhì)方面內(nèi)容。以這份講義為主,課程仍采用幾位老師分別講座的授課方法,并各自結(jié)合科研,不斷補充新的內(nèi)容,體現(xiàn)了科研對教學的促進作用。

1994年起由徐傳驤教授負責,首開博士研究生課程《電介質(zhì)物理進展》,劉輔宜等老師也參加該課程的部分教學工作。課程的教學以自學、結(jié)合研究方向?qū)憣ｎ}報告、學生課堂報告與討論的方式進行,教學方式比較活躍,適合于促進博士研究生主動學習、獨立研究的精神。

1.2 電介質(zhì)物理研究方面

(1)早期的基礎研究以及與結(jié)合應用的開始

電介質(zhì)理論領域的早期研究工作是由陳季丹教授開始的。1956年結(jié)合指導副博士研究生徐傳驤的研究課題“液體電介質(zhì)”,在上海電纜研究所的支持下,開展了液體介質(zhì)的組成與其介質(zhì)損耗的關(guān)系研究。由陳季丹教授負責的項目“電介質(zhì)理論中心問題研究”列入了國家十二年科研發(fā)展規(guī)劃,同時于1963年在西安交通大學成立了專職研究機構(gòu)“電氣絕緣研究室”,該研究室為當時高教部18個直屬研究室之一。在國家科研經(jīng)費支持下研究室以電介質(zhì)理論為主要研究內(nèi)容。最早的研究課題為“堿鹵晶體的電擊穿”、“絕緣電老化”、“組合絕緣”、“液體電介質(zhì)”等,陳季丹教授指導的多個研究生學位論文和本科畢業(yè)生的畢業(yè)論文均圍繞晶體電擊穿理論和實驗規(guī)律開展工作。這項研究屬理論基礎研究,它奠定了其后在多個方面的固體擊穿與應用研究的基礎。劉子玉、劉耀南、劉其昶老師各自指導多位研究生開始在組合絕緣電強度、絕緣電老化等方面開展系統(tǒng)的研究工作,所做的工作都為當時我國電介質(zhì)物理研究開拓了新的途徑。

(2)拓展研究領域和走向密切聯(lián)系生產(chǎn)實際

①在絕緣電介質(zhì)領域

聚合物電介質(zhì)材料的介電特性、破壞機理和界面效應及其復合結(jié)構(gòu)性能的研究一直是電介質(zhì)物理學研究的重點課題,從80年代起圍繞著聚合物材料電老化、樹枝化、界面效應及空間電荷注入、積累等關(guān)鍵問題展開了深入細致的研究工作。

通過電光測量實驗觀察到高電場下聚乙烯中低密度區(qū)的形成和發(fā)展過程,提出聚乙烯樹枝化的低密度區(qū)理論和聚合物絕緣樹枝化的活性氧化理論和抑制樹枝化的新方法。研究了樹枝通道發(fā)展過程中放電和通道電導率分布變化規(guī)律,提出聚合物絕緣材料樹枝化通道中的放電模型,并證實了樹枝通道的電導率沿樹枝通道長度按一定的函數(shù)分布,解釋了樹枝發(fā)展過程難以解釋的諸多現(xiàn)象。研究了液體電介質(zhì)中的空間電荷分布,發(fā)現(xiàn)液體介質(zhì)中空間電荷分布的電極材料效應和界面效應,提出有效抑制載流子的注入和輸運的新方法。

通過對空間電荷、熱激勵發(fā)光、熱激勵電流與聚合物電老化關(guān)系的研究,提出陷阱密度可以作為表征聚合物絕緣電老化程度的參數(shù),推導出基于新生陷阱密度、表面電位等參數(shù)的聚合物電老化壽命公式;提出了增加淺能級陷阱的密度、捕捉注入電荷、均勻空間電荷分布以提高聚合物絕緣電老化壽命的新觀點,進而通過添加可提高聚合物淺能級陷阱密度的組份,有效抑制了聚合物絕緣的電老化。這些成果形成了聚合物電介質(zhì)材料的電荷注入、低密度區(qū)、電離、樹枝化、聚合物擊穿的理論體系。

上述研究工作得到加拿大曼尼托巴大學高觀志教授的長期大力幫助,以劉子玉、屠德民、謝恒堃教授為首,先后有數(shù)十名研究生參加。

②拓展領域的研究工作

70年代中期的高壓硅半導體PN結(jié)擊穿規(guī)律的研究及其在高壓硅器件設計中應用屬于拓展電介質(zhì)物理研究領域的開始。高壓半導體PN結(jié)雪崩擊穿規(guī)律與堿鹵晶體電擊穿規(guī)律具有完美的一致性,這使研究與應用的結(jié)合幾乎可以同步進行。研究發(fā)現(xiàn)半導體PN結(jié)表面絕緣保護層的電荷對電場分布有明顯的影響。理論規(guī)律的研究對合理設計高耐壓和高溫穩(wěn)定性優(yōu)越的硅整流管和晶閘管起了關(guān)鍵作用。隨后研制出的表面保護高純電介質(zhì)材料,在工業(yè)上得到了推廣應用。

80年代初開始的對電壓敏陶瓷的強場電子電導和晶界層隧道擊穿規(guī)律的研究,把對介質(zhì)擊穿的關(guān)注擴展到新型功能材料,研究了成分與結(jié)構(gòu)對電子電導和隧道擊穿規(guī)律的影響。這項研究與產(chǎn)品技術(shù)轉(zhuǎn)化密切結(jié)合,取得了很好的經(jīng)濟效益。

自90年代末開始,以聚合物光纖為應用背景,開展了導光聚合物介質(zhì)光頻極化和損耗特性的研究。通過研究聚合物介質(zhì)的光損耗頻譜和機理,來探索降低光損耗的途徑;通過控制摻雜形成折射率某種分布梯度,研究折射率分布與雜質(zhì)分布的關(guān)系。該課題最初得到上海交大局域光纖通信國家重點實驗室的支持,進而與西安光機所合作,得到陜西省科委的資助。2002年課題成為西安交通大學行動計劃的子項目)明確的應用背景,使研究迅速得到了成都匯源光纜公司的大力支持。

80年代中期起的十多年間,開展了對生物材料介電特性及其應用的研究,規(guī)模不大但一直未曾中斷,先后與第四軍醫(yī)大學和交大醫(yī)學院合作,研究了生物材料在低溫下的極化損耗特性與其結(jié)構(gòu)相變之間的關(guān)系,研究了脈沖電磁場對生物體及細胞特性的影響及其應用。

進入21世紀后,介質(zhì)物理研究的新生力量突起,研究領域進一步擴展。2002年學校長江講座教授任曉兵研究員加入本學科的研究隊伍,以他和李盛濤為首的科研組延續(xù)在日本物質(zhì)材料研究所的研究工作,開始了強電介質(zhì)晶格缺陷對其介電特性影響的研究:探索鐵電體(BaTiO3,PbTiO3等為基的摻雜系統(tǒng))中由點缺陷引起的“奇異多尺度效應”及由此產(chǎn)生的新奇介電現(xiàn)象;測量相變溫度、疇結(jié)構(gòu)、鐵電、壓電等特性隨時效的變化;探討利用這些新效應開發(fā)新功能材料及新型電子—磁性器件的可能性。

2 對學科發(fā)展的展望

電介質(zhì)物理學學科本身的發(fā)展前景十分廣闊。它是凝聚態(tài)物理的一個學科分支,凝聚態(tài)物理在金屬、磁學、半導體、超導等分支方面均有深遠的發(fā)展,對促成今天的科學技術(shù)文明作出了巨大貢獻。相比起來,惟獨其電介質(zhì)物理學分支發(fā)展相對緩慢,理論也不夠成熟,還停留在比較經(jīng)典的水平上,許多問題有待解決。但更為重要的是,當代許多新興材料與器件都屬于電介質(zhì),應用領先于理論,必將推動在有關(guān)理論上取得突破,以產(chǎn)生更深刻的影響。因此,電介質(zhì)理論本身是一門有待大力發(fā)展和推進的學科。

電介質(zhì)物理學具有非常明顯的學科包容性和可拓展性,不僅可以為電工材料與絕緣技術(shù)學科發(fā)展提供理論支持,而且為其他學科的發(fā)展提供理論與技術(shù)平臺。這是因為電介質(zhì)物理學研究的電極化與松弛是物質(zhì)結(jié)構(gòu)中帶有根本性的問題。歷史上,電介質(zhì)物理的發(fā)展對促進分子物理、固體物理的發(fā)展曾起過深刻的作用;現(xiàn)在對于促進非線性光學、固態(tài)光譜學的發(fā)展,也有重大貢獻;在一定意義上成為了這些學科分支的奠基石,也是這些學科登堂入室的必由之路。本專業(yè)發(fā)展的50年,從電介質(zhì)(堿鹵晶體、液體等)的電擊穿、聚合物電介質(zhì)的長期擊穿、高介陶瓷、硅器件PN結(jié)和電子陶瓷的晶界擊穿等的研究,到聚合物光信息材料的損耗理論、生物材料的損耗和電磁破壞、電介質(zhì)中點缺陷引起的“奇異多尺度效應”及新奇介電現(xiàn)象、納米材料的損耗和擊穿理論等的研究,同樣可以得到印證。因此,電介質(zhì)物理學越來越顯示其是一門覆蓋面很寬、發(fā)展前途廣闊的具有很強生命力的學科?？梢哉f,它是一塊非常肥沃的土地,或者說是一個四通八達的交匯高地,通過它可以看見和通向許多新的高點。

立足于電介質(zhì)物理學這一學科沃土,本學科專業(yè)過去為我國電工材料的研究開發(fā)和電力設備電氣絕緣的科學研究,電氣功能材料和器件的研究開發(fā)做出過重要貢獻,今后將在這些領域繼續(xù)開拓前進。同時,新興技術(shù)的發(fā)展為電介質(zhì)物理學提供了廣闊的用武之地,也為學科的發(fā)展創(chuàng)造了機遇。由于電介質(zhì)材料品種繁多,分布極廣,而介電現(xiàn)象又豐富多彩,電介質(zhì)物理學已成為當代材料科學的重要基礎學科,為發(fā)展多功能材料和復合功能器件窺探方向,因此在納米技術(shù)、機器人等可能影響人類生活方式的領域中電介質(zhì)的機、電、光、熱、聲之間的耦合效應將會得到充分的利用;光信息處理領域中介電非線性、機電耦合等原理可望得到廣泛的應用;如何更深刻地理解新興技術(shù)領域中所應用的電介質(zhì)的性能和參數(shù),為改進和提高提供方向。這些為電介質(zhì)物理學的研究提供了有價值的空間,同時為本學科專業(yè)的發(fā)展提供了機遇和舞臺。

在人類科技發(fā)展的歷程中,任何真正意義上的技術(shù)突破,都是建立在人們對材料性質(zhì)深刻認識的基礎上。電氣絕緣學科是一個由多學科交叉融合的邊緣學科,她以電介質(zhì)物理與電介質(zhì)化學為基礎,涉及電氣電子工程、材料科學與工程和計算機科學與技術(shù)等領域,充滿復雜性和活力,具有很強的生命力。展望未來,在以下幾個方面取進行研究應該是大有可為的。

(1)在電工材料和電氣工程領域,研究絕緣體中束縛電荷的運動規(guī)律、控制理論和實驗檢測技術(shù);研究電場自適應智能材料和技術(shù);減薄絕緣厚度,提高絕緣長期工作場強和壽命;研究開發(fā)電氣功能材料和特種絕緣技術(shù)。

(2)研究環(huán)境友好的絕緣材料和絕緣技術(shù)。

(3)研究微電子系統(tǒng)和器件的絕緣材料和絕緣技術(shù)。

(4)研究光電子技術(shù)中的介質(zhì)損耗機制,開發(fā)光介質(zhì)材料和器件。

(5)研究生物體中的介電現(xiàn)象及其應用。

(6)研究電介質(zhì)分子模擬和材料設計技術(shù)。

50年來都是以電介質(zhì)物理為學科基礎的我們這支教學與科研隊伍,現(xiàn)在是更加壯大了。目前我們擁有16名博士的新生力量,與國內(nèi)外學者間建立有廣泛的交流渠道,得到國內(nèi)工程技術(shù)界、尤其是數(shù)以千計的校友的廣泛的支持,有兩次世行貸款和國家“211工程”計劃、教育部“行動計劃”資助建立的實驗室條件。與時俱進地發(fā)展我們的學科,前途應該是非常光明的。