上海硅酸盐研究所研究员 祝炳和
功能陶瓷是一种有广泛应用的新材料。人们谈到陶瓷，常认为它像石头一样，几千年不变,或者如茶杯只作为容器。殊不知近代功能陶瓷，其内部会发生电或机械过程，从而发展许多功能应用。学生们上体育课时，老师口令的指挥下，同学们会迅速向左或向前排齐。而功能陶瓷(如压电陶瓷)它能在外电场作用下，同样会迅速地取向排列(图1) 。.当电场方向作90o转向时，它也立即跟随转向(图2)响应时间都在毫秒级以内。此外,材料内部电荷的迁移，均可观测到(图3) 。这种在外场作用下，陶瓷内部所产生的功能过程，是发展许多应用的基础。
图1 当施加外电场后，电畴按外电场方向取向排齐、(电畴内电极化方向均沿外电场方向取向{偏光显微照相}。 铁电陶瓷内含有许多晶粒，粒内有许多小区域称为电畴，畴内电极化方向一致，各个电畴间有壁分开，这个壁称为畴壁。在显微镜下可看到畴壁。即许多并行线条。电畴内的电极化方向垂直于畴壁。 当电场E一加上，显微镜下立刻出现大量畴壁、它们垂直于电场E、也即电极化全部与E的方向一致排齐。
图2 电场方向变动时，畴壁方向也跟随变动(显微照相) a)末加电场E， b)加电场E，方向：↙、立即出现电畴， c)电场E的方向转动90o、 畴壁也立即跟随转动90o
图3空间电荷积累于晶界一侧 (经化学蚀后的显微照片)
当施加电场，电荷会按电场方向而迁移，由于晶界电阻大电荷将积累于晶界处(晶界右侧)；如果施加电的正负极互换，则电荷将累积在晶界的另一侧(左侧)
压电陶瓷顾名思义，在压力作用下会产生电荷；反过来也一样：在电场作用下，产生形变或振动。利用压电效应，可用于压电点火：当手揿动打火机上的弹簧，陶瓷上受力就产生电荷，如有狭缝间隙，这类静电高压就跳火，形成电火花，可点燃气体，也可用于炮弹引爆、火箭激发。压电瓷还可做成话筒，在人讲话的声压作用下，陶瓷内会产生与人声相应的电讯号而传输出去。压电元件配上电路，可成为蜂鸣器或电子乐器。压电元件实际上为一能量转换器件, 即换能器，它使得机械能和电能互转换。另一种功能瓷-半导性PTC陶瓷,它像电阻丝一样,是一种发热体,但能自己控制在一定温度发热(例240℃或100℃,视材料的组成而变) ,因此它是一种安全并节能的发热体。
现代人们的生活中,经常会用到电子陶瓷元件。例如人们回到家,先揿门铃，压电门铃可发出喜鹊般的音响，同样电话中铃声，也用的压电蜂鸣器。天热时,可用压电遥控器打开风扇。天冷时，可用PTC暖风机使室内加温。老年人脚怕冷，可用PTC暖足器暖脚。女同胞要护发，可用PTC加热的蒸气热风木梳。美容可用PTC面部桑拿浴器。我打印本文，也用到打印机(它是用电讯号控制压电瓷的收缩或膨胀，从而喷出墨点，形成文字，即喷墨打印机)家用冰箱靠其中的压缩机马达,间歇性的启动而致冷，也用上PTC启动器。晚上看电视，首先由PTC彩电消磁器，清除画面，使呈清晰彩色图像。彩电中用到大量的电子陶瓷元器件(占50%以上)。天热了有蚊子，电热驱蚊器中就用PTC发热片恒温加热，使药片挥发而驱蚊。冬天晚上临睡前常沐浴，可用PTC热风机升温防受凉。睡觉时担心阳台不安全，阳台窗子可装上防盗器，小偷移动窗框时，压电超声测距防盗器立刻会鸣叫。早上进行跑步锻练时，压电瓷做的心跳监护器，会显示心跳数字。医院监护病房中,也离不开压电脉搏传感器以监护病人。检查肝肿大、膀胱、或鉴定孕孩性别，均需要压电超声探头感冒流行季节可采用PTC蒸气感冒仪治疗和预防。海防形势紧张时，水下侦察或探潜，也离不开压电声纳系统。海洋捕鱼或区别水下鱼群(带鱼还是黄鱼)需要用鱼探器。运动器材中需减震或吸震,最近也使用了压电减震器,如山地上行驶的摩托车。通讯用手机产量很大,年产数千亿只，其中使用了许多电子陶瓷元件，尤其制品的小型化，大量使用微型电子元件或片式元件。一个压电变压器可以很薄(几毫米) ，很多卡片式电子产品十分需要。手机中一个电容可以比一粒芝麻还小，通讯用的一根光纤可以相当于2寸直径的铜电缆的通话容量。人们知道纺织机为全机械动作，噪声大、速度低，采用压电驱动器利用机-电转换、噪音小、速度快、完全改变了纺织工艺。近代利用铁电簿膜元件，在计算机、空间技术、通信、汽车、电子等方面、均有应用。还可制造复杂的神经元器件。农业现代化，发展大棚温室生产，其中湿度测控,用到许多陶瓷湿度传感器及压电瓷做的喷雾加湿器。
从上多例可见,人们现代生活中多处与新材料有关，我家中就用上我推广生产的新材料制造的许多设备：如门铃、热风机、台式微型干燥器、驱蚊器、暖足器、煤气点火器、保温热碟、金鱼缸加热器、烘鞋器、保温饭盒、具有压电喷泉的假山、PTC感冒仪……等。目前功能陶瓷的元器件，产量很大，压电陶瓷年产达数千吨，打火元件十年前日本拢断世界生产，而今中国产量最大。此外，压电蜂鸣器、PTC半导瓷元件……等，产量也均进入国际前列。有些PTC工厂年产达上亿件产品。全球功能陶瓷产值己达70-80亿美元。