电工理论与新技术的发展方向？

电工材料是电气装备的基础，材料特性直接决定电气装备的极限电磁参数。随着科学技术的进步和生产、生活水平的不断提高，人们对于电气装备所具有的功能和性能不断提出新的要求。理论研究和工程实践都表明，以传统电工材料为基础生产的电气装备在功能和性能方面都不能完全满足人类社会对先进电气装备快速增长的需求。电工新材料及其应用研究使未来的电工装备具有挑战更高电磁参数极限的能力，以满足探索更多未知现象和发现更多自然规律的要求，对促进我国国民经济发展和科学技术进步具有非常重要的意义。

21 世纪以来，建设以特高压（UHV）电网为骨干网架、输送清洁能源为主导的坚强智能电网也显现了更加重要的战略作用。电工材料与器件广泛应用于发电、输电、配电与用电的各个环节，是所有电工设备、电气装备及电子器件的基础，在以清洁能源为主的能源革命中发挥着基础性与支撑性作用。发展电气化交通、以电代油是减少石油消费、提高能源效率、改善环境质量的重要途径。锂离子电池等二次电池是电动汽车的主要供能元件，其储能材料的综合性能直接决定着电动汽车的续驶里程、加速性能、爬坡能力等关键性能指标。在国防方面，以电磁能武器为代表的现代国防装备具有能量利用率高、以快制慢和性能调控容易准确的突出优势，但其作战效能的发挥常常受到基础核心材料性能的制约。其中，导电材料需要承受高达数兆安的极高电流、数兆牛的极大电磁力、数百兆帕的极强应力和极大变形等。此外，随着科学技术的不断进步，超高（>30T）磁场对于基础科学研究用的科学设施、生物医学工程、高精度科学仪器的发展有极重要的作用。在磁场达到 100T 时，产生的电磁应力高达 4000MPa，远超高强度钢等材料的抗拉强度（约 1500MPa）。因此，脉冲磁体性能的大幅度提升一定是建立在材料性能的突破之上。在医疗民生方面，以核磁共振成像（NMRI）、电磁导航、重离子加速等为代表的高端医疗装备是近年来涌现出的一批建立在新作用机制上的高端医疗设备。高端医疗设备对相应的磁性材料、超导材料、绝缘材料的性能也提出了更高的要求。

电工材料是电气工程学科的一个新的研究方向，旨在通过电气工程与物理、材料、化学等学科的交叉和融合，突破传统电气工程学科发展所面临的基础瓶颈问题。传统的电气工程学科涵盖范围有限，研究工作集中在装备与系统层面，受材料本征电磁和其他物理参数的限制，学科发展面临重大瓶颈；而典型材料学科的研究则集中在材料的本征电、热、光、磁等基本特性，缺乏应用需求的牵引和工程研究的基础，难以开展突破性与颠覆性研究。电工材料研究方向的建立将进一步拓展电气工程学科的内涵与外延，解决电工材料研究所面临的跨学科、跨专业瓶颈问题，理顺学科关系，为从根本上解决制约电气装备关键特性的材料基础科学与技术问题奠定学科基础，为电气工程学科的发展赋予新的生命力。

先进电工材料的关键科学问题

（一）导电材料

导电材料方面的关键科学问题主要有以下几点。

（1）导电材料微合金化理论及复合相设计与组织均匀性调控机制。

（2）导电材料的界面及性能均匀性调控机制。

（3）制备加工工艺-组织演变-力学/物理性能的定量关系。

（4）极端条件下导电材料的组织结构演变规律及其定量描述。

（5）超导材料的磁通钉扎与磁通动力学。

（二）绝缘材料

绝缘材料方面的关键科学问题主要有以下几点。高性能绝缘材料的设计、制备与应用。高性能绝缘材料的极限应用理论。高性能绝缘材料的精确服役特性。

（三）半导体材料

半导体材料方面的关键科学问题主要有以下几点。

（1）大尺寸碳化硅单晶和外延的生长及缺陷控制。

（2）碳化硅 MOSFET 栅介质界面态控制及优化。

（3）异质外延氮化镓及本征氮化镓材料生长。

（4）金刚石生长动力学理论，晶体生长中的应力、缺陷，多核生成机制及降低或阻断的控制理论。

（四）磁性材料

磁性材料方面的关键科学问题主要有以下几点。

（1）电工磁性材料（非）晶态结构（织构）的成相原理与精确控制技术。

（2）服役条件下材料微观结构动态演变规律及宏观特性描述。

（3）纳米复合永磁材料的软磁相交换耦合机制。

（4）磁特性测试技术与极限应用理论。

（五）储能材料

储能材料方面的关键科学问题主要有以下几点。

（1）电极微结构与材料反应性质的调控。

（2）电极/电解质界面的结构修饰与功能调控。

（3）电荷多尺度输运特性与强化机制。

（4）电池反应的安全性控制机制。

先进电工材料的重点发展方向

（一）导电材料

导电材料方面有以下几个重点发展方向。

（1）通过结构设计和微结构控制，提高超导材料在高背景磁场。下的无阻载流能力，改善超导材料的磁通钉扎特性、增强复合超导体的磁稳定性与热稳定性，以提高性价比并满足实际应用的需求。

（2）发展高精、极细（薄）、超长及高强度、高弹性、高电导率的铜铝导线材料；建立新型高性能铜铝导电材料及其产品的设计选型、加工制造、检验及其运行维护的技术标准体系和研发平台。

（3）批量化生产及机械合金化制备碳纳米管/金属复合材料技术。

（4）加快碳纤维芯导线原材料碳纤维的国产化进程，完善复合芯导线的专业设计软件及工程应用数据库。

（5）发展新型耐磨、耐烧蚀导电材料的短流程低成本制造技术、失效控制与延寿技术。

（二）绝缘材料

绝缘材料方面有以下几个重点发展方向。

（1）发展主动自修复绝缘材料，简化材料制备工艺，降低材料成本。

（2）开发适用于不同环境工况特别是极端和特殊环境条件要求的耐电晕和耐电痕绝缘材料。

（3）研发低成本、低填充、高热导率、可工业化生产的复合导热聚合物绝缘材料。

（4）通过改善制备工艺、加入改性填料、研发高比表面积电极和能耐受更高电压的电解质等方法来提高材料的储能密度。

（5）加快空间领域、航空领域、海洋环境领域、核能领域、超导领域及深空探测领域用耐高低温绝缘材料的基础与应用研究。

（6）发展耐高压、耐热、耐冲击、耐腐蚀、耐潮湿、耐深冷、耐辐射及阻燃材料、环保节能材料。

（7）突破分子结构设计、优化与筛选技术，开展与固体绝缘材料的相容性及其调控方法及在大电流开端下的灭弧条件、分解机制及环境影响研究；发展高介电能力、高力学性能、高环保性能的绝缘纸。

（三）半导体材料

半导体材料方面有以下几个重点发展方向。

（1）硅材料。大直径、低缺陷的晶体生长技术，晶体加工技术，晶体加工设备，以及与之匹配的关键耗材等。

（2）碳化硅。大直径单晶生长，应力与缺陷密度的控制，大尺寸、低缺陷密度的碳化硅外延材料，碳化硅厚膜外延技术、多层外延生长技术，低基平面位错（BPD）或“零”基平面位错的碳化硅外延材料。

（3）氮化镓。低成本、大尺寸硅衬底氮化镓外延生长技术，高耐压、厚膜化硅衬底氮化镓外延材料技术，高质量、低缺陷硅衬底氮化镓外延材料制备技术。

（4）新型半导体材料。3～4 英寸电子器件级的单晶金刚石晶圆，大尺寸、低缺陷密度的氮化铝单晶生长。

（5）功率模块封装材料。新型、高可靠性封装材料；应用于碳化硅、氮化镓、金刚石等新型高功率密度电力电子器件的封装工艺；基于银或铜烧结/铜线键合体系的高温模块封装平台。

（四）磁性材料

磁性材料方面有以下几个重点发展方向。

（1）电工钢的磁特性新检测方法的研究，研发和制造国产的磁性能测试设备。

（2）非晶和纳米晶软磁合金材料的理性设计与性能调制，快速凝固过程平衡的极限稳定性规律。

（3）高磁导率、高频率、低损耗材料的软磁铁氧体的设计研发。

（4）电化学磁性超薄带制造技术的产业化，电化学技术制造磁性超薄带的产品系列及产品标准。

（5）软硬结合的低成本高性能高强度复合硬磁材料及空间取向调控。

（6）新型永磁相探索，化学成分与制备工艺优化，稀土永磁材料的回收与利用。

（7）基于多物理场耦合的磁性液体传感器和阻尼减震器的机制研究，超磁致伸缩材料应用的产学研用结合，左手材料的精密加工、测试技术研究与先进电磁仿真平台建设。

（8）建立我国电工磁性材料磁性能模拟技术体系，自主研发、制造系列的磁性能测试装置，建立和不断完善国家电工磁性材料磁性能数据库。

（五）储能材料

储能材料方面有以下几个重点发展方向。

（1）发展能量型与功率型的第三代锂离子电池，延长电池的循环寿命，提高电池的安全性、可靠性及环境适应性。

（2）优化高温钠电池的结构设计，提高安全稳定性；加快新材料与新体系的研发；开发高温钠电池规模化制造及其配套的先进制造装备。

（3）开展高能量密度液流电池体系的基础研究，寻求可靠、安全、成本低廉的液流电池新体系。

（4）研发低成本、高比表面积活性炭材料，降低铅炭电池制造成本；提高铅资源利用效率，确保生产过程安全、环保。

（5）发展新型高比能混合型超级电容器；发展超级电容器智能管理系统；实现自主化生产设备及生产工艺。

（6）开发具有良好稳定性的水系锂离子和钠离子嵌入材料，构建高电压、大容量水系嵌入型电池；通过正负极界面修饰、电解液组成调控等方式提高水溶液工作电压；电化学兼容性固/固界面的构筑和实现技术；低熔点液态金属电池熔盐的设计与界面稳定技术，高效液态金属电池新体系。

本书重点关注了先进导电材料、先进绝缘材料、先进半导体材料、先进磁性材料与先进储能材料相关的问题。深入探讨了几类先进电工材料的战略需求、国内外研究现状与发展趋势、关键科学问题与技术挑战、重点发展方向等；总结了各类电工材料的关键科学问题与技术挑战；通过详细的分析对比，明确了我国在各类电工材料领域与先进发达国家的差距，并结合我国实际情况，提出了先进电工材料的重点研究方向与发展战略规划，为从根本上解决制约我国电气装备关键特性的材料基础科学与技术问题奠定学科基础，也为电气工程学科的发展赋予新的生命力。

目录速览

总序 i

前言 v

摘要 xi

Abstract xxv

第一章 先进电工材料的战略需求和发展概况 1

第一节 先进电工材料的战略需求 1

一、电工材料在电气工程学科中的作用和地位 1

二、发展先进电工材料的战略意义 4

第二节 先进电工材料的发展概况 17

一、电气工程学科面临的机遇与挑战 18

二、电工材料发展战略 19

第二章 几类常用的电工材料与性能要求 21

第一节 导电材料 21

一、导电材料的作用与性能要求 21

二、导电材料的研究特点与发展规律 25

第二节 绝缘材料 26

一、绝缘材料的作用与性能要求 26

二、绝缘材料的研究特点与发展规律 29

第三节 半导体材料 31

一、半导体材料的作用与性能要求 31

二、半导体材料的研究特点与发展规律 36

第四节 磁性材料 37

一、磁性材料的作用与性能要求 37

二、磁性材料的研究特点与发展规律 41

第五节 储能材料 43

一、储能材料的作用与性能要求 43

二、储能材料的研究特点与发展规律 46

第六节 先进电工材料的研究方法与技术 48

一、纳米改性 48

二、掺杂改性 49

三、材料复合 52

四、材料基因工程 53

本章参考文献 55

第三章 先进导电材料发展战略研究 58

第一节 导电材料的战略需求 58

第二节 导电材料的研究现状与发展趋势 59

一、超导材料 59

二、传统导电材料（以铜和铝为代表） 68

三、新型纳米导电金属材料 74

四、碳纤维复合芯导线 80

五、电接触材料 84

第三节 关键科学问题与技术挑战 93

一、关键科学问题 93

二、技术挑战 94

第四节 导电材料的重点发展方向 96

一、超导材料 96

二、传统导电材料（以铜和铝为代表）的制备与加工技术 98

三、新型纳米导电金属材料 100

四、碳纤维复合芯导线 103

五、电接触材料 104

本章参考文献 106

第四章 先进绝缘材料发展战略研究 110

第一节 绝缘材料的战略需求 110

第二节 绝缘材料的研究现状与发展趋势 112

一、高击穿场强绝缘材料 112

二、智能绝缘材料 116

三、耐电晕和耐电痕绝缘材料 121

四、高导热绝缘材料 125

五、高储能密度绝缘材料 128

六、耐高低温绝缘材料 130

七、耐辐射和耐候绝缘材料 134

八、环境友好型绝缘材料 140

第三节 关键科学问题与技术挑战 143

一、关键科学问题 143

二、技术挑战 147

第四节 绝缘材料的重点发展方向 149

一、高击穿场强绝缘材料 149

二、智能绝缘材料 150

三、耐电晕和耐电痕绝缘材料 151

四、高导热绝缘材料 151

五、高储能密度绝缘材料 152

六、耐高低温绝缘材料 152

七、耐辐射和耐候绝缘材料 153

八、环境友好型绝缘材料 153

本章参考文献 154

第五章 先进半导体材料发展战略研究 157

第一节 半导体材料的战略需求 157

第二节 半导体材料的研究现状与发展趋势 159

一、硅材料及器件 159

二、碳化硅 162

三、氮化镓 168

四、其他半导体材料 171

五、功率模块封装材料 177

第三节 关键科学问题与技术挑战 180

一、关键科学问题 180

二、技术挑战 181

第四节 半导体材料的重点发展方向 186

一、硅材料及器件 186

二、碳化硅 188

三、氮化镓 190

四、其他半导体材料 191

五、功率模块封装材料 191

本章参考文献 192

第六章 先进磁性材料发展战略研究 197

第一节 先进磁性材料的战略需求 197

第二节 磁性材料的研究现状与发展趋势 199

一、电工钢 199

二、非晶和纳米晶磁性材料 201

三、软磁铁氧体 205

四、电化学磁性超薄带材料 207

五、软磁复合材料 210

六、电工软磁材料的磁特性测量、模拟与应用 212

七、稀土永磁材料及其磁特性检测 214

八、先进功能磁性材料 217

第三节 关键科学问题与技术挑战 221

一、关键科学问题 221

二、技术挑战 223

第四节 先进磁性材料的重点发展方向 228

一、电工钢 228

二、非晶和纳米晶磁性材料 229

三、软磁铁氧体 230

四、电化学磁性超薄带材料 231

五、软磁复合材料 233

六、电工软磁材料的磁特性测量、模拟与应用 235

七、先进永磁材料 237

八、稀土永磁材料磁特性测量 238

九、功能磁性材料 238

本章参考文献 240

第七章 先进储能材料发展战略研究 243

第一节 储能材料的发展战略需求 243

第二节 储能材料的研究现状 244

一、锂离子电池 244

二、高温钠电池 251

三、全钒液流电池 257

四、先进铅酸电池 261

五、超级电容器 264

六、新概念电池 268

第三节 关键科学问题与技术挑战 277

一、关键科学问题 277

二、技术挑战 278

第四节 储能材料的重点发展方向 279

一、锂离子电池 279

二、高温钠电池 280

三、全钒液流电池 281

四、先进铅酸电池 281

五、超级电容器 281

六、新概念电池 282

本章参考文献 284

第八章 资助机制与政策建议 288

一、统筹规划、引领发展 288

二、国际合作和交流 290

三、学科建设和人才培养 291

关键词索引 293

本文转自：一起阅读科学! 科学出版社│微信ID：sciencepress-cspm

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