由电介质物理教学与科研50年看电气绝缘学科发展

李盛涛,钟力生,刘辅宜,徐传骧,李建英

(西安交通大学电气绝缘研究中心,陕西西安 710049)

1 教学与科研走过的历程

1.1 电介质物理教学方面

(1)本科生教学

电介质物理学是随着20世纪电气工程事业的形成和发展而产生发展起来的一门物理学分支。它是与金属物理学、半导体物理学等并列的应用物理学科。它涉及的主要内容是电介质的组成、结构、杂质等微观性质与其介电特性(极化、电导、损耗、击穿等)的关系,以及光、电、热、机械功能转换和温度、压力、电频率等物理条件的影响。

自1930年德拜研究了极性分子的极化特性,发现并建立了分子结构与极化介电参数ε的关系而获得了诺贝尔物理学奖之后,电介质物理学发展形成了一门独立的新兴学科,并首先成为电气绝缘研究与工程技术人员的主要知识基础。我国在1953年建立电气绝缘与电缆技术专业之始就将此学科作为主要专业理论基础。

1953年交通大学建立绝缘教研室,在教学大纲中就列出“电介质物理”课程,于1954年9月4日开始授课,由陈季丹教授主讲。应该说陈季丹教授是我国讲授“电介质理论”课程和研究电介质介电特性的开创者。

“电介质物理”最早的教学大纲主要来自苏联列宁格勒莫洛托夫工学院电气绝缘与电缆技术专业《电介质理论》教学大纲。当时的教学内容已比较完整地包括电介质的极化、电导和击穿,另外课程内还包括ε、tgδ及击穿测试方法的讨论(当时还未设立绝缘测试课)。尤其值得注意的是,当时《电介质理论》课程还包括介电特性及其微观参数测量的试验内容,如硝基苯分子电矩的测量等,这些实验内容也是由陈季丹教授等筹建开出的。这对培养学生对电介质理论的理解和试验研究能力的提高很有好处。学生主要参考书有:斯卡那维著《电介质物理学》(弱电场部分)中译本,陈以鸿译、陈季丹校,1958年高等教育出版社出版,以及华耳特尔主编,张和康、刘耀南等译《电介质物理学》,1957年高等教育出版社出版。

1962年起,开始自编教材。第一本《电介质物理学》教材是根据陈季丹教授的讲稿和讲授内容,由徐传骧、伍学正等执笔编写的。这一时期还组织翻译了斯卡那维著《电介质物理学》(强电场部分)。一场文革浩劫,使这两本书稿都没有得到正式出版的机会。70年代末工业出,由陈季丹、刘子玉教授任主编组织了《电介质物理学》全国通用教材的编写,1982年由机械工业出版社出版了我国第一本《电介质物理学》全国通用教材。这本书是以陈季丹先生为首的《电介质物理学》教学组多年教学心得的积累。1996由金维芳教授任主编对《电介质物理学》教科书进行了改编,新版《电介质物理学》于1997年由机械工业出版社出版。改编后的教材内容比较精练,更加适合于减少课时后的本科生教学用。

(2)研究生教学

对研究生开设《电介质物理专题》课程始自1983年,由刘子玉教授负责,课程一开始就以讲座方式进行,数位教师各负责一部分内容。1995由徐传骧、刘辅宜为主,江平开、李盛涛、钟力生合力编写了《工程电介质物理基础与进展》研究生教材讲义初稿。该讲义在巩固本科电介质物理概念的基础上,加强了发展较快的强场电导与击穿内容,并扩展了功能电介质和生物电介质方面内容。以这份讲义为主,课程仍采用几位老师分别讲座的授课方法,并各自结合科研,不断补充新的内容,体现了科研对教学的促进作用。

1994年起由徐传骧教授负责,首开博士研究生课程《电介质物理进展》,刘辅宜等老师也参加该课程的部分教学工作。课程的教学以自学、结合研究方向写专题报告、学生课堂报告与讨论的方式进行,教学方式比较活跃,适合于促进博士研究生主动学习、独立研究的精神。

1.2 电介质物理研究方面

(1)早期的基础研究以及与结合应用的开始

电介质理论领域的早期研究工作是由陈季丹教授开始的。1956年结合指导副博士研究生徐传骧的研究课题“液体电介质”,在上海电缆研究所的支持下,开展了液体介质的组成与其介质损耗的关系研究。由陈季丹教授负责的项目“电介质理论中心问题研究”列入了国家十二年科研发展规划,同时于1963年在西安交通大学成立了专职研究机构“电气绝缘研究室”,该研究室为当时高教部18个直属研究室之一。在国家科研经费支持下研究室以电介质理论为主要研究内容。最早的研究课题为“碱卤晶体的电击穿”、“绝缘电老化”、“组合绝缘”、“液体电介质”等,陈季丹教授指导的多个研究生学位论文和本科毕业生的毕业论文均围绕晶体电击穿理论和实验规律开展工作。这项研究属理论基础研究,它奠定了其后在多个方面的固体击穿与应用研究的基础。刘子玉、刘耀南、刘其昶老师各自指导多位研究生开始在组合绝缘电强度、绝缘电老化等方面开展系统的研究工作,所做的工作都为当时我国电介质物理研究开拓了新的途径。

(2)拓展研究领域和走向密切联系生产实际

①在绝缘电介质领域

聚合物电介质材料的介电特性、破坏机理和界面效应及其复合结构性能的研究一直是电介质物理学研究的重点课题,从80年代起围绕着聚合物材料电老化、树枝化、界面效应及空间电荷注入、积累等关键问题展开了深入细致的研究工作。

通过电光测量实验观察到高电场下聚乙烯中低密度区的形成和发展过程,提出聚乙烯树枝化的低密度区理论和聚合物绝缘树枝化的活性氧化理论和抑制树枝化的新方法。研究了树枝通道发展过程中放电和通道电导率分布变化规律,提出聚合物绝缘材料树枝化通道中的放电模型,并证实了树枝通道的电导率沿树枝通道长度按一定的函数分布,解释了树枝发展过程难以解释的诸多现象。研究了液体电介质中的空间电荷分布,发现液体介质中空间电荷分布的电极材料效应和界面效应,提出有效抑制载流子的注入和输运的新方法。

通过对空间电荷、热激励发光、热激励电流与聚合物电老化关系的研究,提出陷阱密度可以作为表征聚合物绝缘电老化程度的参数,推导出基于新生陷阱密度、表面电位等参数的聚合物电老化寿命公式;提出了增加浅能级陷阱的密度、捕捉注入电荷、均匀空间电荷分布以提高聚合物绝缘电老化寿命的新观点,进而通过添加可提高聚合物浅能级陷阱密度的组份,有效抑制了聚合物绝缘的电老化。这些成果形成了聚合物电介质材料的电荷注入、低密度区、电离、树枝化、聚合物击穿的理论体系。

上述研究工作得到加拿大曼尼托巴大学高观志教授的长期大力帮助,以刘子玉、屠德民、谢恒堃教授为首,先后有数十名研究生参加。

②拓展领域的研究工作

70年代中期的高压硅半导体PN结击穿规律的研究及其在高压硅器件设计中应用属于拓展电介质物理研究领域的开始。高压半导体PN结雪崩击穿规律与碱卤晶体电击穿规律具有完美的一致性,这使研究与应用的结合几乎可以同步进行。研究发现半导体PN结表面绝缘保护层的电荷对电场分布有明显的影响。理论规律的研究对合理设计高耐压和高温稳定性优越的硅整流管和晶闸管起了关键作用。随后研制出的表面保护高纯电介质材料,在工业上得到了推广应用。

80年代初开始的对电压敏陶瓷的强场电子电导和晶界层隧道击穿规律的研究,把对介质击穿的关注扩展到新型功能材料,研究了成分与结构对电子电导和隧道击穿规律的影响。这项研究与产品技术转化密切结合,取得了很好的经济效益。

自90年代末开始,以聚合物光纤为应用背景,开展了导光聚合物介质光频极化和损耗特性的研究。通过研究聚合物介质的光损耗频谱和机理,来探索降低光损耗的途径;通过控制掺杂形成折射率某种分布梯度,研究折射率分布与杂质分布的关系。该课题最初得到上海交大局域光纤通信国家重点实验室的支持,进而与西安光机所合作,得到陕西省科委的资助。2002年课题成为西安交通大学行动计划的子项目)明确的应用背景,使研究迅速得到了成都汇源光缆公司的大力支持。

80年代中期起的十多年间,开展了对生物材料介电特性及其应用的研究,规模不大但一直未曾中断,先后与第四军医大学和交大医学院合作,研究了生物材料在低温下的极化损耗特性与其结构相变之间的关系,研究了脉冲电磁场对生物体及细胞特性的影响及其应用。

进入21世纪后,介质物理研究的新生力量突起,研究领域进一步扩展。2002年学校长江讲座教授任晓兵研究员加入本学科的研究队伍,以他和李盛涛为首的科研组延续在日本物质材料研究所的研究工作,开始了强电介质晶格缺陷对其介电特性影响的研究:探索铁电体(BaTiO3,PbTiO3等为基的掺杂系统)中由点缺陷引起的“奇异多尺度效应”及由此产生的新奇介电现象;测量相变温度、畴结构、铁电、压电等特性随时效的变化;探讨利用这些新效应开发新功能材料及新型电子—磁性器件的可能性。

2 对学科发展的展望

电介质物理学学科本身的发展前景十分广阔。它是凝聚态物理的一个学科分支,凝聚态物理在金属、磁学、半导体、超导等分支方面均有深远的发展,对促成今天的科学技术文明作出了巨大贡献。相比起来,惟独其电介质物理学分支发展相对缓慢,理论也不够成熟,还停留在比较经典的水平上,许多问题有待解决。但更为重要的是,当代许多新兴材料与器件都属于电介质,应用领先于理论,必将推动在有关理论上取得突破,以产生更深刻的影响。因此,电介质理论本身是一门有待大力发展和推进的学科。

电介质物理学具有非常明显的学科包容性和可拓展性,不仅可以为电工材料与绝缘技术学科发展提供理论支持,而且为其他学科的发展提供理论与技术平台。这是因为电介质物理学研究的电极化与松弛是物质结构中带有根本性的问题。历史上,电介质物理的发展对促进分子物理、固体物理的发展曾起过深刻的作用;现在对于促进非线性光学、固态光谱学的发展,也有重大贡献;在一定意义上成为了这些学科分支的奠基石,也是这些学科登堂入室的必由之路。本专业发展的50年,从电介质(碱卤晶体、液体等)的电击穿、聚合物电介质的长期击穿、高介陶瓷、硅器件PN结和电子陶瓷的晶界击穿等的研究,到聚合物光信息材料的损耗理论、生物材料的损耗和电磁破坏、电介质中点缺陷引起的“奇异多尺度效应”及新奇介电现象、纳米材料的损耗和击穿理论等的研究,同样可以得到印证。因此,电介质物理学越来越显示其是一门覆盖面很宽、发展前途广阔的具有很强生命力的学科。可以说,它是一块非常肥沃的土地,或者说是一个四通八达的交汇高地,通过它可以看见和通向许多新的高点。

立足于电介质物理学这一学科沃土,本学科专业过去为我国电工材料的研究开发和电力设备电气绝缘的科学研究,电气功能材料和器件的研究开发做出过重要贡献,今后将在这些领域继续开拓前进。同时,新兴技术的发展为电介质物理学提供了广阔的用武之地,也为学科的发展创造了机遇。由于电介质材料品种繁多,分布极广,而介电现象又丰富多彩,电介质物理学已成为当代材料科学的重要基础学科,为发展多功能材料和复合功能器件窥探方向,因此在纳米技术、机器人等可能影响人类生活方式的领域中电介质的机、电、光、热、声之间的耦合效应将会得到充分的利用;光信息处理领域中介电非线性、机电耦合等原理可望得到广泛的应用;如何更深刻地理解新兴技术领域中所应用的电介质的性能和参数,为改进和提高提供方向。这些为电介质物理学的研究提供了有价值的空间,同时为本学科专业的发展提供了机遇和舞台。

在人类科技发展的历程中,任何真正意义上的技术突破,都是建立在人们对材料性质深刻认识的基础上。电气绝缘学科是一个由多学科交叉融合的边缘学科,她以电介质物理与电介质化学为基础,涉及电气电子工程、材料科学与工程和计算机科学与技术等领域,充满复杂性和活力,具有很强的生命力。展望未来,在以下几个方面取进行研究应该是大有可为的。

(1)在电工材料和电气工程领域,研究绝缘体中束缚电荷的运动规律、控制理论和实验检测技术;研究电场自适应智能材料和技术;减薄绝缘厚度,提高绝缘长期工作场强和寿命;研究开发电气功能材料和特种绝缘技术。

(2)研究环境友好的绝缘材料和绝缘技术。

(3)研究微电子系统和器件的绝缘材料和绝缘技术。

(4)研究光电子技术中的介质损耗机制,开发光介质材料和器件。

(5)研究生物体中的介电现象及其应用。

(6)研究电介质分子模拟和材料设计技术。

50年来都是以电介质物理为学科基础的我们这支教学与科研队伍,现在是更加壮大了。目前我们拥有16名博士的新生力量,与国内外学者间建立有广泛的交流渠道,得到国内工程技术界、尤其是数以千计的校友的广泛的支持,有两次世行贷款和国家“211工程”计划、教育部“行动计划”资助建立的实验室条件。与时俱进地发展我们的学科,前途应该是非常光明的。