由电介质物理教学与科研50年看电气绝缘学科发展.pdf

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 作者简介 李盛涛 博士 教授 主要从事工程电介质材料理论及其应用和电气绝缘技术研究 E mail lijy mail xjtu edu cn 摘 要 本文从电介质物理课程创建和发展的角度 介绍了该课程的教学内容和思路 以及课程教学对科研工作的影响 特别是影响到科研从 基础研究拓展到应用研究 从应用研究拓展到生产实际 在此基础上 说明该课程的建设和发展对于研究领域的扩展和电气绝缘学科的成长 都具有极其重大的意义 关键词 电介质物理 电气绝缘 教学 科研 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 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 tg 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 18 电气电子教学学报 2011 年 4 月 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 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 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 19 第 33 卷 增刊 电气电子教学学报 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 PbT iO3 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 下转第 24 页 20 电气电子教学学报 2011 年 4 月 的建设以及人才培养等多方位 多层次的合作 使 先进的设备和技术应用于实践教学中 创建 科技创新和课外实践开放实验室 使之 成为学生课外实践 创新的基地 5 2 长期稳定的实习基地的建立 电气工程与自动化专业所在的电气工程系对专 业生产实习非常重视 在不断完善校内实践基地的 同时 积极通过 产学研 结合建立长期稳定的校外 实习基地 让学生直接参与供电公司 变电所等的 管理 了解和接触生产实际 学到校内课堂上无法学 到的东西 目前 电气工程与自动化专业已建立了 多个校外教学实践基地 有效地提高实习和毕业设 计的质量 增强了学生在人才市场的竞争力 主要 的实践教学基地有 石洞口电厂 新安江水电站 上 海电机厂 施耐德电气 中国 有限公司 上海市电力 公司 思源电气有限公司 阿海珐输配电公司等 6 国际化合作办学 积极开展国际化办学 如在欧盟资助下 电气工 程系与德国达姆施塔特工业大学 T echische Un i versitat Darmstat TUD 意大利都灵工业大学 T u rin Politecnico Di T onno PDT 共同参建了 欧盟 中国大学电气工程合作网 每年向这些学校派出学 生进行深造 另外 电气工程系依托学校 学院的资 源 与美国 日本 德国 法国等国际知名大学开展海 外游学计划以及双硕士培养计划 以提高学生的学 业水平 开拓学生的国际视野 同时 电气工程系还 广泛地开展学术交流 通过各种途径和方式 吸引了 国内外众多著名学者来系里开展合作交流 为学生 开设讲座 以拓展学生知识面 紧跟国际学术前沿 7 教师队伍建设 专业建设的关键是一流的师资队伍 电气工程 系十分重视师资队伍的建设 进一步培养或引进在 国内外有一定影响的学术带头人 并大力培养和造 就一批中青年学术骨干 电气工程系实行开放式人 才培养和引进机制 并加大力度 在工作条件 出国 深造 分配 配套设施 人员和资金等方面给予学术 带头人和中青年学术骨干更多地支持 充分发挥学 术带头人和中青年学术骨干在教学 科研等学术工 作中的主体地位和作用 8 结语 专业认证 特色专业建设是高等学校最重要的 教学建设 它决定着人才培养质量与办学水平 对高 校的改革与发展具有深远的影响 电气工程与自动 化专业是上海交通大学的传统优势专业 长期以来 该专业都注重本科人才的培养工作 坚持教育教学 改革与实践 大胆创新 在人