攻克世界级难题,他带领中国铁电陶瓷走出去,被世界看见

材料前沿洞悉 2023-08-04
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新中国百废待兴,他主动选择了当时并不热门但国家急需的电子陶瓷专业,扎根西部默默耕耘六十年,带领团队追求卓越,在世界电子陶瓷发展史上浓重地写下了中国贡献。他就是姚熹,国际著名电子材料科学家、中国科学院院士、美国国家工程院外籍院士,我国铁电陶瓷研究方面的主要奠基人之一。

人物名片

姚熹(1935— )电子陶瓷材料与元器件专家,中国铁电陶瓷领域奠基人之一。1935年9月28日出生于江苏省苏州市,1957年毕业于交通大学并留校任教,1958年随校迁往西安,1982年获美国宾夕法尼亚州立大学固态科学博士学位,是我国改革开放后第一批在国外获得博士学位的中国学者。

1991年当选中国科学院院士,2007年当选美国国家工程院外籍院士。主持建立西安交通大学精细功能电子材料与器件国家专项实验室、国际电介质研究中心、教育部电子陶瓷与器件重点实验室、同济大学功能材料研究所等科研基地。长期致力于电子陶瓷材料的前沿基础研究与应用开发,建立弛豫铁电体“微畴-宏畴转变”以及“新玻璃模型”国际主流理论,在电子陶瓷科学与技术创新方面有突出建树。

铁电陶瓷是一种特别的材料,它永久带电,主要用来做电容器、传感器和某些执行器,在一些最新的电子设备中使用得比较多,比如一部手机的电容器有几百个,里面绝大部分是用铁电陶瓷做的。但在中国科学院院士姚熹读大学的年代,这还是冷门行业,中国在该领域几乎是空白,而他一做就是60多年,没有改变过。

姚熹不仅深耕铁电陶瓷领域研究,还努力使中国电子陶瓷研究国际化、前沿化。而这背后的关键词是:一步一步往前走、持之以恒、反复实践、勇于探索、踏实肯干、求真务实、不怕艰苦以及前沿意识和丰富的想象力。

西迁“创业”

由于品学兼优,1957年7月姚熹从交通大学毕业后留校,后又随校迁到陕西西安。

1958年,学校派年仅23岁的姚熹负责组织交通大学电机系百余名学生到西安高压电瓷厂,承担研制我国第一台33万千伏高压电瓷套管项目。当时西安高压电瓷厂作为国家“一五”期间苏联援建的一个工程项目,尚未建成完工,苏联专家就已经撤走。

面对技术和生产设备几乎一片空白的严峻形势,他们一头扎进了空荡荡的、还没有完工的车间厂房,与工厂技术人员和工人密切合作,开始了艰苦的探索之路。

没有设备就自己制造,没有技术就自己摸索,短短八九个月的时间,他们一边设计与制造关键的工艺装备,一边进行调试安装与工艺摸索。大家日夜奋战、攻坚克难,终于成功试制出新中国第一台33万千伏高压电瓷套管。

该设备运到沈阳后,按照技术要求和指标通过了考核鉴定。虽然只是一个绝缘陶瓷套管,但对于当时的中国来说,无论是从技术上,还是从生产设备上都实现了“从0到1”的跨越,为我国330kV超高压输配电设备研制开辟了道路。

1959年,在学校绝缘教研室陈季丹教授和刘其昶老师的领导下,姚熹参与电瓷专业筹备,开设了一门新课“特种电瓷”。

这是国内较新的领域,既没有教学大纲,也没有比较完整的参考书,他就通过去外文书店查阅、下厂考察、请教专家等多种方式广泛收集资料,被同事们戏称为“考古学家”。1960年,姚熹被破格提拔为讲师,又破例以讲师身份独立指导研究生。

1963年,姚熹根据多年讲授经验归纳总结编写《特种电瓷》讲义、《无机电介质》上下两册,共60万字,其中《无机电介质》被中国科学院用作来华留 学的外国研究生教材。1964年,姚熹指导的研究生通过论文答辩,成为国内电子材料方面第一名研究生。“文 革”期间,他利用间隙查阅英文资料研究晶体管,“文 革”后,他主持制定第四机械工业部的固定电容器高频参数测试标准被采纳,之后被确定为国家标准,并获得国家标准总局一等奖。 

深耕铁电陶瓷领域研究

姚熹自上世纪50年代末就开始了电子陶瓷的研究工作,这是我国材料学科研究的一个新领域。在软硬件条件匮乏的环境下,他与世界同行大体同步地研究了钛酸锶铋陶瓷的介电行为与极化弛豫现象,提出了铁电现象可能与晶体中的缺陷和离子型极化弛豫有关。在研究工作之余,他还用了两年的时间完成了60万字的《无机电介质》一书。

随着研究的不断深入,他逐渐认识到中国电子陶瓷领域与国外存在的巨大差距。为了更好地接触到国际学术前沿,加快我国这一领域的发展,怀抱科技强国志向的姚熹决心赴美深造。

1979年,国家派出一批学者到国外访问学习,姚熹抓住了机会,带着自己撰写的《无机电介质》来到了宾州州立大学材料研究所。这本内容详实的专著让该校专家为之惊叹不已,他还在之后很长一段时间担任学校留 学生中文入学考 试的出题人。

初来乍到的姚熹对一切都并不熟悉,尤其是合作导师说话带有口音,语速很快,刚开始的时候交流上有不小的困难。他在同学和当地华人的帮助下租到了住处,又买到了一些基本的生活物资。

科研生活虽然条件艰苦,但姚熹很珍惜这次机遇,他抓住一切机会努力学习,旁听研究生的课程,还主动参加了他本不需要参加的课堂测验和考 试。

几个月后,由于表现出色,合作导师与姚熹深谈,建议他在美国攻读博士学位。国内的联络处知道此事后,也同意并鼓励他继续在美国学习,由于攻读学位要求正规严格,只有通过资格考 试才可以继续读博。资格考 试分为笔试和口试,考 试内容包括初等数学、高等数学、专业知识等。

姚熹虽然学术功底较强,但很多知识也比较生疏了。为此,他开始了起早贪黑的备考,记了密密麻麻60多页笔记,从初等数学、代数、几何、高等数学到大学的物理、化学,还有材料的性能和结构等。他把这些书找来,在三个月时间里全部看完,最终顺利通过了资格考 试。

在这之后,姚熹用了大概一年十个月的时间,完成了自己的博士论文,1982年获得宾州州立大学固态科学博士学位,成为新时期第一位在美国获得博士学位的中国人。

获得博士学位后,姚熹又继续做了一年博士后的研究工作。在此期间,他发表了数篇论文并屡获专利。《铌酸锂双晶与多晶陶瓷的介电、压电性质》论文,“首次发现铁电陶瓷中晶粒压电共振现象的明确证据,并发展了一种计算机模拟方法,计算数据与实验结果十分吻合”,也因此于1982年获得美国施乐公司颁发的Xerox奖(材料科学最佳学位论文奖)。

尽管同一时期,中国的材料科学研究远远落后于世界。但姚熹一直抱着一种荣耀的民族责任感与使命感,如果中国在这一领域仍是一片空白,那就由自己来做先驱者好了!也正是因为如此,尽管旅美期间他的学术成果引起了美国学术界的广泛关注,但他仍视归国为必然。

回归祖国

1983年,姚熹带着美国学者对中国材料科学领域成就的改观回到了祖国,继续从事他誓愿奉献一生的材料科学研究事业。

他不仅在功能陶瓷研究中取得开拓性成就,还通过研究透明电光陶瓷越加完善了自己提出的“微畴-宏畴转变”理论,又以理论发展为新材料的产生奠定了基础,其成果广泛应用于国防领域。

在国家“七五”“八五”“九五”期间,他主持了多项国家重要和重点研发项目,担任了国家“863”计划专家委员会委员和无机功能材料方面的责任专家。

姚熹在推动该领域参与国际合作方面也有诸多贡献。90年代,他发起建立了亚洲铁电学会(AFA)并担任主席。2002年他荣获全球最大的非营利性专业技术学会电气与电子工程师协会(IEEE)铁电学成就奖,以表彰他在铁电领域中技术创新方面的成就;在中国电子陶瓷教育方面的指导作用;对中国以及国际铁电界的杰出贡献。

他的大情怀体现在他推动中国电子陶瓷国际化所做的努力上,主要贡献有两点。一是1993年创建亚洲铁电学会(AFA),推动举办系列亚洲铁电学会议(AMF)。二是2005年创建亚洲电子陶瓷学会(AECA),推动亚洲电子陶瓷会议(AMEC)的转型。

“神仙”院士夫妇,多次捐款为母校助力科研

姚熹院士、张良莹教授夫妇生活勤俭朴素,始终心系母校,曾多次将生活积蓄捐赠给学校,支持学校发展。在上世纪80年代,姚熹院士将出国进修期间省吃俭用节省出来的近万美元,全部用于购置书籍资料和电子计算机等装备,支持学科发展和科学研究。

2005年,姚熹夫妇捐资20万元设立"姚熹铁电奖学金",募集资金奖励西安交大在铁电及相关领域做出优秀成绩的研究生,迄今已累计奖励80余名优秀学子。如今,又为支持创新港建设创立了"姚熹基金"并捐赠专项资金,充分诠释了老一辈知识分子爱国爱校、艰苦奋斗、无私奉献的高贵品格。"人要有精神",姚熹院士常常用这句话勉励后学。

2020年,姚熹和夫人张良莹教授以个人名义向教育基金会捐赠60万元人民币,发起设立"姚熹基金",支持西安交大创新港的建设和电子学科发展。

为宣传姚熹院士事迹,弘扬西迁精神,经学校批准在教育基金会设立"姚熹基金",向社会各界公开募集资金,支持创新港建设以及西安交大科教事业发展。目前该基金已收到校友企业的积极捐助,用于建立电子元器件校企联合技术创新中心,推动校企实质性的科研合作和信息、人才、科研条件的共享交流,共同建立产业化应用基地,为核心技术突破、产品研发和成果转化提供支撑。

提升我国材料科学国际影响力

姚熹认为,做科学研究不单单是要关注自己的团队,还要关注整个国家在材料领域的国际地位。他在参加国际会议作报告时,常常不是以自己团队的工作为基础介绍,而是从整个中国铁电和压电包括电介质陶瓷的发展角度,系统梳理中国铁电陶瓷领域发展现状,介绍中国相关领域学者最新成果。

他甘做提携后学的铺路石和领路人,鼓励年轻人严谨治学、潜心研究,促进青年才俊不断涌现。姚熹的好友、瑞士科学院院士Nava Setter曾表示,姚院士的学生遍布全球各地,这反映了姚院士在人才培养工作上的成绩。

他的哲学思维体现在善用辩证方法看待科研现象,体现在对铁电陶瓷领域学术方向和前沿基于哲学高度的思考,并以此不断丰富对科学问题认识的层次。他曾表示,要用辩证唯物主义方法看待科学技术的发展,比如陶瓷材料配方的改善,看起来好像完全没有规律,实际上其规律是否定之否定、螺旋式上升。

他说,做材料、做陶瓷要超越“炒菜”思路,不是简单添加元素观察影响,而是追求科学问题简单化,如需要什么样的材料、应该从什么路线去寻找,或者发现一种新的物质,应该用什么样的论据判断它有什么应用,要探究事物的本质和内在机理。

姚熹曾对正在和即将从事科研工作的后辈谈他的人生感悟。他说:“我经常告诫自己,也告诫别人,做人做事要追求真善美,路在自己的脚下,要靠自己一步一步往前走、往上攀升。想掌握一门知识,必须持之以恒、反复实践;想做好研究工作,要以辩证法作为正确的思想指导,要有勇于探索的精神、踏实肯干的作风、求真务实的态度、不怕艰苦的意志,还要有前沿意识和丰富的想象力,只有这样,才能在可能的条件下把事情做得更好、做得最好!”

几十年来,姚熹为祖国科学事业不懈奋斗,成为我国铁电陶瓷学科的主要推动者和领军人。他通过自己的学术活动,推动和凝聚了亚洲地区该领域的学术力量,大大提升了我国和亚洲在铁电学和电子陶瓷方面的国际学术地位,实现了我国在这一领域从“追随者”到“引领者”的跨越。

现在,姚熹仍在思考如何与时俱进地发展电子陶瓷,继续为科学事业添砖加瓦,“科学没有国界,我的使命就是不遗余力地推动铁电研究,在更大的区域内让电子陶瓷材料为世界造福!”

文章来源: 西安交通大学招生办,全景科学家, 中国科学报

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