王永龄

五十年来功能陶瓷从高介电系数陶瓷、压电陶瓷、热释电陶瓷、电光陶瓷、半导电陶瓷到智能陶瓷的发展，使人们利用这些材料所特有的功能创建了很多高科技的新型传感器、换能器和驱动器。它们体积小、信号密度高、速度快而且便于组合集成。为了能研制出智能程度更高的器件和系统，近年来又显示了一些新材料如多铁电体（multiferroelectrics）陶瓷和左手（lefthand）材料等，为此有必要先对这两类材料作些简介。

多铁电体起源于电诱体（ferroics），它是铁磁体（ferromagnetics）、铁电体（ferroelectrics）、和铁弹体（ferroelastics）的总称。电诱体是一类材料，它们的物理性能在有限的一段温度范围内，因内在结构的变化而会发生很大的变化。这个发生性能突变的温度称作相转变温度，其中最高的相变温度称居里温度TC。在高于居里温度时这类材料的内部结构都是立方对称的。当温度从高于居里温度下降经过TC时，其结构会突然转变为非对称结构，从而就产生了小电矩，尽管这些电矩一般很小，但对于一般尺寸大小（厘米级）的一块材料来讲，由于它包含了大于1024个原胞，而且当它们排列方向一致时，总的内电场就不可小视了。

铁电体是一种晶体，它在居里温度以上是顺电体，其内在结构是立方对称的，不呈现铁电性，在居里温度以下发生相变，其结构从立方对称转变为四方，斜方，菱方等不对称结构，从而产生自发极化。很多新物理效应包括压电、热释电、多铁电等效应都起源于自发极化。

铁磁体也是大家很熟悉的，这类材料从高温降到低温经过居里温度时发生相变，从顺磁相转变为铁磁相，产生自发磁化。自发磁化一致的区域叫磁畴，它也是点群发生突变造成的。

铁弹体也是大家熟悉的，这类材料在经过居里温度时，由于结构上从四方转变为单斜而发生原胞体积的变化，从而产生自发形变。

近年来，发现一些单体，它既有铁电性又有铁磁性，因而人们称它为多铁性。多铁性材料的性能往往不是用单纯的电学、力学或热学性能来表征的。这类材料把电学、力学和热学这三大系统耦联起来，发展了很多很多的新功能，现代高技术正是利用这些新功能研制出各种各样的智能器件，这些器件不仅功能多、效率高而且往往体积小、功能密度大，甚至可以是有源的。

人所共知，代表铁电材料综合性能的是电滞回线，即P~E 回线；代表铁磁材料综合性能的是磁滞回线即B~H回线；代表铁弹材料综合性能的是ε~σ回线。这三种回线的起源，其物理解释和物性应用是功能材料性能科学的基石。如今，单个材料中同时具有这三个中任意二个以上的功能现象不仅使科学机理研究的内容大为丰富，其可能的应用价值更是诱人。它将促使功能材料发展跃进为一个新阶段。

第二类材料被称为左手材料，它的主要特征是一些代表电介质材料电学性能的介电系数或光学性能的折射率系数是反符号的（负的）。这种材料一般称为Negative Index Materials（NIMS），也有叫左手材料的。我们用两种坐标系统即一般的“右手”系统和比较特殊的“左手”系统如图5a和 5b 来描述一般的右手材料和左手材料，也许可较易理解些。右手指沿x 方向转向y 轴，大姆指沿z 方向为右手系统；左手指沿x 方向转向y 轴，大姆指沿z 方向为左手系统。这种左手材料在很多文献中称为Metamaterials. 因为它实际上是人工制造出来的。它在工程上所具有的这种特殊性能,在自然界里至今尚未找到具有负介电系数或负折射率的材料。这种反常性能是从一组材料以一定的结构组合起来后获得的。 譬如利用一组材料的微观不均匀性的结构有可能显示有效的宏观行为即具有负介电系数或负折射率性能。利用负折射率材料可制成超级透镜，具有立体透射能力；或用梯度折射率材料组制成在一个狭窄的频段内不透明的透镜。最早研制成的NIMS是电磁型、声学型的。不过地震屏蔽型的也是很活跃的研究领域。

Metamaterials具有很多可能的应用。包括远太空、传感探测和超结构监示、Smart 太阳能处理、公共安全、高频战地通讯和高增益天线、优质超声传感以及地震屏蔽结构等。

下面是上述各类材料的特征示意图。

图一是铁电材料的Р～E回线；铁磁材料的B～H 回线; 和铁弹材料的ε～σ回线。

图二是电介质材料和铁电铁磁材料等效回路.

图三是压电效应和压电等效回路.

图四是热释电效应和热释电交流.

图五是右手坐标和左手坐标.