由電介質物理教學與科研50年看電氣絕緣學科發展

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 電介質物理教學方面

(1)本科生教學

電介質物理學是隨著20世紀電氣工程事業的形成和發展而產生發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。它涉及的主要內容是電介質的組成、結構、雜質等微觀性質與其介電特性(極化、電導、損耗、擊穿等)的關系,以及光、電、熱、機械功能轉換和溫度、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,發現并建立了分子結構與極化介電參數ε的關系而獲得了諾貝爾物理學獎之后,電介質物理學發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專業之始就將此學科作為主要專業理論基礎。

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“電介質理論”課程和研究電介質介電特性的開創者。

“電介質物理”最早的教學大綱主要來自蘇聯列寧格勒莫洛托夫工學院電氣絕緣與電纜技術專業《電介質理論》教學大綱。當時的教學內容已比較完整地包括電介質的極化、電導和擊穿,另外課程內還包括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《電介質理論》課程還包括介電特性及其微觀參數測量的試驗內容,如硝基苯分子電矩的測量等,這些實驗內容也是由陳季丹教授等籌建開出的。這對培養學生對電介質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《電介質物理學》教材是根據陳季丹教授的講稿和講授內容,由徐傳驤、伍學正等執筆編寫的。這一時期還組織翻譯了斯卡那維著《電介質物理學》(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年代末工業出,由陳季丹、劉子玉教授任主編組織了《電介質物理學》全國通用教材的編寫,1982年由機械工業出版社出版了我國第一本《電介質物理學》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《電介質物理學》教科書進行了改編,新版《電介質物理學》于1997年由機械工業出版社出版。改編后的教材內容比較精練,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,數位教師各負責一部分內容。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物理概念的基礎上,加強了發展較快的強場電導與擊穿內容,并擴展了功能電介質和生物電介質方面內容。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,并各自結合科研,不斷補充新的內容,體現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、結合研究方向寫專題報告、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 電介質物理研究方面

(1)早期的基礎研究以及與結合應用的開始

電介質理論領域的早期研究工作是由陳季丹教授開始的。1956年結合指導副博士研究生徐傳驤的研究課題“液體電介質”,在上海電纜研究所的支持下,開展了液體介質的組成與其介質損耗的關系研究。由陳季丹教授負責的項目“電介質理論中心問題研究”列入了國家十二年科研發展規劃,同時于1963年在西安交通大學成立了專職研究機構“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。在國家科研經費支持下研究室以電介質理論為主要研究內容。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”等,陳季丹教授指導的多個研究生學位論文和本科畢業生的畢業論文均圍繞晶體電擊穿理論和實驗規律開展工作。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的研究工作,所做的工作都為當時我國電介質物理研究開拓了新的途徑。

(2)拓展研究領域和走向密切聯系生產實際

①在絕緣電介質領域

聚合物電介質材料的介電特性、破壞機理和界面效應及其復合結構性能的研究一直是電介質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的形成和發展過程,提出聚乙烯樹枝化的低密度區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。研究了樹枝通道發展過程中放電和通道電導率分布變化規律,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分布,解釋了樹枝發展過程難以解釋的諸多現象。研究了液體電介質中的空間電荷分布,發現液體介質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、熱激勵發光、熱激勵電流與聚合物電老化關系的研究,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,推導出基于新生陷阱密度、表面電位等參數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材料的電荷注入、低密度區、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結擊穿規律的研究及其在高壓硅器件設計中應用屬于拓展電介質物理研究領域的開始。高壓半導體PN結雪崩擊穿規律與堿鹵晶體電擊穿規律具有完美的一致性,這使研究與應用的結合幾乎可以同步進行。研究發現半導體PN結表面絕緣保護層的電荷對電場分布有明顯的影響。理論規律的研究對合理設計高耐壓和高溫穩定性優越的硅整流管和晶閘管起了關鍵作用。隨后研制出的表面保護高純電介質材料,在工業上得到了推廣應用。

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律的研究,把對介質擊穿的關注擴展到新型功能材料,研究了成分與結構對電子電導和隧道擊穿規律的影響。這項研究與產品技術轉化密切結合,取得了很好的經濟效益。

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光頻極化和損耗特性的研究。通過研究聚合物介質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分布的關系。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,規模不大但一直未曾中斷,先后與第四軍醫大學和交大醫學院合作,研究了生物材料在低溫下的極化損耗特性與其結構相變之間的關系,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在日本物質材料研究所的研究工作,開始了強電介質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)中由點缺陷引起的“奇異多尺度效應”及由此產生的新奇介電現象;測量相變溫度、疇結構、鐵電、壓電等特性隨時效的變化;探討利用這些新效應開發新功能材料及新型電子—磁性器件的可能性。

2 對學科發展的展望

電介質物理學學科本身的發展前景十分廣闊。它是凝聚態物理的一個學科分支,凝聚態物理在金屬、磁學、半導體、超導等分支方面均有深遠的發展,對促成今天的科學技術文明作出了巨大貢獻。相比起來,惟獨其電介質物理學分支發展相對緩慢,理論也不夠成熟,還停留在比較經典的水平上,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,應用領先于理論,必將推動在有關理論上取得突破,以產生更深刻的影響。因此,電介質理論本身是一門有待大力發展和推進的學科。

電介質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學科發展提供理論支持,而且為其他學科的發展提供理論與技術平臺。這是因為電介質物理學研究的電極化與松弛是物質結構中帶有根本性的問題。歷史上,電介質物理的發展對促進分子物理、固體物理的發展曾起過深刻的作用;現在對于促進非線性光學、固態光譜學的發展,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。本專業發展的50年,從電介質(堿鹵晶體、液體等)的電擊穿、聚合物電介質的長期擊穿、高介陶瓷、硅器件PN結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、電介質中點缺陷引起的“奇異多尺度效應”及新奇介電現象、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,電介質物理學越來越顯示其是一門覆蓋面很寬、發展前途廣闊的具有很強生命力的學科。可以說,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。

立足于電介質物理學這一學科沃土,本學科專業過去為我國電工材料的研究開發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做出過重要貢獻,今后將在這些領域繼續開拓前進。同時,新興技術的發展為電介質物理學提供了廣闊的用武之地,也為學科的發展創造了機遇。由于電介質材料品種繁多,分布極廣,而介電現象又豐富多彩,電介質物理學已成為當代材料科學的重要基礎學科,為發展多功能材料和復合功能器件窺探方向,因此在納米技術、機器人等可能影響人類生活方式的領域中電介質的機、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領域中所應用的電介質的性能和參數,為改進和提高提供方向。這些為電介質物理學的研究提供了有價值的空間,同時為本學科專業的發展提供了機遇和舞臺。

在人類科技發展的歷程中,任何真正意義上的技術突破,都是建立在人們對材料性質深刻認識的基礎上。電氣絕緣學科是一個由多學科交叉融合的邊緣學科,她以電介質物理與電介質化學為基礎,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律、控制理論和實驗檢測技術;研究電場自適應智能材料和技術;減薄絕緣厚度,提高絕緣長期工作場強和壽命;研究開發電氣功能材料和特種絕緣技術。

(2)研究環境友好的絕緣材料和絕緣技術。

(3)研究微電子系統和器件的絕緣材料和絕緣技術。

(4)研究光電子技術中的介質損耗機制,開發光介質材料和器件。

(5)研究生物體中的介電現象及其應用。

(6)研究電介質分子模擬和材料設計技術。

50年來都是以電介質物理為學科基礎的我們這支教學與科研隊伍,現在是更加壯大了。目前我們擁有16名博士的新生力量,與國內外學者間建立有廣泛的交流渠道,得到國內工程技術界、尤其是數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。與時俱進地發展我們的學科,前途應該是非常光明的。