让陶瓷拥有水晶的心：一群中国材料学家与一块「会呼吸」的陶瓷

一、1880 年，巴黎的一间实验室里，两兄弟听见了晶体的「心跳」

故事要从一对兄弟说起。

1880 年，法国巴黎。21 岁的皮埃尔·居里和他哥哥雅克·居里在实验室里摆弄石英晶体。他们发现了一件奇怪的事：当晶体被按压时，表面会冒出电荷；反过来，给它通电，它又会微微变形。机械与电，这两种看似不相干的力量，在一块石头里握了手。

兄弟俩给这个现象起了个名字——压电效应。「压电」（piezo）来自希腊语，意思是「按压」。

彼时这只是一个优雅的物理发现，看不出任何实用价值。真正把它推向战场的，是三十多年后的一场浩劫。第一次世界大战期间，德国潜艇在大西洋上神出鬼没，协约国的船只成批沉没。法国物理学家保罗·朗之万想到：声波能在水里传得很远，而压电晶体既能发出声波、又能接收回声——为什么不造一台「水下耳朵」？1917 年前后，他用石英晶体拼出了人类第一台主动声呐的雏形。潜艇时代与反潜艇时代，就这样同时被一块会「心跳」的晶体开启。

从那天起，压电材料就成了现代文明里一个沉默的器官：医院的 B 超探头靠它把声波送进人体再听回声，声呐靠它在深海里「看」东西，精密机床靠它做出纳米级的位移，如今连芯片散热用的微型压电风扇，也靠它吹走热量。你几乎不会注意到它，但它几乎无处不在。

二、一道横了半个世纪的「天花板」

压电材料有两条技术路线，各有各的脾气。

一条是单晶。把材料慢慢拉成一整块完美有序的晶体，原子排列得像阅兵方阵，压电性能极佳——医院里高端超声探头的核心，就是这类弛豫铁电单晶。但它娇贵：生长慢、成本高、机械上脆，形状也受限。

另一条是陶瓷。把粉末烧结成块，便宜、皮实、可以做成各种形状，缺点是性能逊色——无数小晶粒杂乱地挤在一起，晶粒之间的边界像一堵堵矮墙，把电与机械的对话打得支离破碎。

工程师们想了半个世纪的折中方案，叫「织构陶瓷」：想办法让陶瓷里的晶粒像单晶那样朝同一个方向排队。理想很丰满——既有单晶的性能，又有陶瓷的坚韧和便宜。可现实里，织构陶瓷的性能始终追不上同成分的单晶。原因藏在微观结构里：低性能的晶界、没排好队的杂散晶粒、晶界对内部电畴尺寸的限制——几股力量合起来，构成了一道看不见的性能天花板。

材料学家们知道天花板在那里，也知道穿过它意味着什么：高端医疗超声、高灵敏度传感器，这些长期依赖昂贵单晶的器件，有机会被大幅降低成本、提升可靠性。但怎么穿过去，没人有把握。

材料学家们没有坐等。上世纪九十年代，一条叫「模板晶粒生长」的路线被走通了：在陶瓷粉料里掺入少量片状或针状的微晶模板，烧结时让周围的晶粒以模板为「种子」定向长大——就像在一群散兵里安插教官，硬是把队伍带齐。日本、美国、中国的实验室沿着这条路接力了三十多年，织构陶瓷的性能被一代一代往上抬。但尴尬也一路相随：无论怎么改进，性能似乎总是在单晶的七八成处止步，像被一只看不见的手按住。晶界、杂散晶粒、电畴受限——这三个「内鬼」彼此纠缠，单靠经验试错，难以同时摁住。

与此同时，另一条更年轻的河流正在涨水。2011 年，美国启动「材料基因组计划」，提出一个朴素的愿望：新材料的发现能不能不靠运气和熬年头，而像基因组学那样，靠数据和计算去「算」出来？十几年间，高通量计算、材料数据库、机器学习模型相继进场，材料科学从「炒菜式试错」慢慢转向「地图式搜索」。只是地图再精细，最后把材料烧出来、测出来、用起来的，仍然是人。

这两条河，2026 年在西安交汇了。

三、给陶瓷「请一位 AI 参谋」

2026 年 9 月，西安交通大学李飞教授团队与合作者在《科学》（Science）上发表论文，宣布他们跨过了这道天花板。论文的题目直截了当：《突破织构压电陶瓷的性能瓶颈》。

他们的办法有两手。

第一手是材料工艺上的改进。团队改良了「拓扑化学合成法」，研制出一系列富含锆的新型微晶模板。模板的作用相当于晶粒排队时的「教官」——传统上用的是钛酸钡模板，但在高温固相烧结中容易「溃散」；新的富锆模板稳定性更强，能更可靠地把杂乱的晶粒带成整齐的队伍。

第二手，是这个时代特有的：机器学习。团队先建立了高质量的弛豫铁电陶瓷性能数据集，再训练出可以预测陶瓷压电性能和居里温度的模型。织构陶瓷有一个被长期低估的优势——成分可调性比单晶高得多，可调的空间大到人力穷举不现实。这恰好是机器学习的用武之地：在庞大的成分空间里替人指路，告诉实验者哪些组合值得一烧。

两股力量合在一起，结果是一块压电性能可与同组分单晶相媲美的织构陶瓷，而且在机械强度、矫顽场等指标上表现更优。为了证明它不是实验室里的花瓶，团队把它做成了矢量加速度计——灵敏度远高于压电单晶和传统锆钛酸铅陶瓷的同类器件，同时保持了传统陶瓷器件特有的稳定性和抗疲劳特性。

单晶的灵敏，陶瓷的可靠，第一次出现在了同一块材料上。

四、从巴黎的晶体到西安的算法

把这条线拉长看，会发现一个耐人寻味的脉络。

1880 年，居里兄弟靠手、眼睛和天平发现压电效应；1917 年，朗之万在战火中把晶体变成声呐；二十世纪中叶，锆钛酸铅陶瓷把压电材料带进千家万户，B 超从此成为产科诊室的标配——格拉斯哥的医生伊恩·唐纳德当年把工业探伤仪搬进产房时，大概不会想到超声波今天会照见每一个孩子的第一张照片；九十年代，弛豫铁电单晶把性能推上新高度，也把成本和工艺难度推上新高度。

每一代材料学家都在回答同一个问题：能不能让材料既强大又平易？

西安这个团队给出的回答带有鲜明的时代印记——他们请来了算法做参谋。这不是什么「AI 取代科学家」的故事。数据集是人建的，模板是人烧的，每一炉陶瓷都要在窑里老老实实待够时间。机器学习做的，是在人力走不完的成分旷野里画出一张更精细的地图。最后的每一步验证，仍然要靠人的手、人的判断、人守在烧结炉边的耐心。

值得一提的是论文背后的身影。李飞是国内铁电压电材料领域的中生代学者，早年在宾州州立大学材料研究院做博士后，合作导师中包括弛豫铁电领域的国际名家，2018 年回到西安交大任教。他所在的电子材料研究实验室，是国内压电材料研究的重要据点之一。这篇论文的第一作者，是两位还在读研的年轻人——博士生张瑨璟和硕士生王子东。一项打破天花板的成果，最后落在年轻人的名字上，这大约也是科学接力的另一种形态。

科学工具在变，科学的气质没变。

五、一块陶瓷的分量

这项研究的分量，或许可以这样理解：高端超声探头里的单晶材料，长期是「好而贵」的代名词。如果织构陶瓷能在性能上与单晶比肩，同时保有陶瓷的成本、韧性和异形加工能力，那么医疗影像设备、水声探测、精密传感乃至芯片散热，都可能迎来一轮性能与成本的双重松动。当然，从论文里的材料到流水线上的器件，中间还隔着工程化、量产一致性和长期可靠性验证——这些台阶，需要一级一级地走。

一百四十六年前，居里兄弟在巴黎按了按一块石英，听见了晶体的应答。今天，西安的实验室里，一群材料学家教会了陶瓷像单晶那样「齐声应答」。压电材料的故事讲了一个半世纪，主线却只有一条：人类总想听见更微弱的声音——潜艇的回声、胎儿的心跳、芯片发热的叹息。而每一次「听得更清」，背后都是一代人在材料微观世界里漫长的排队、等待与校准。

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（本文基于公开报道与论文信息撰写，不构成任何投资或技术选型建议。）