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簡介

陶 瓷材料就組成而言,大分為傳統陶瓷及精密陶瓷.傳統陶瓷指利用黏土,長石,石英所做成的三軸胚體,這類陶瓷多用在我們日常生活之中, 如: 碗,盤,衛浴等用品,而精密陶瓷是指用純度高,組成確定的陶瓷原料,在高度控制下所做成的陶瓷產品,這類產品有氧化鋁,氧化鋯,氮化矽,碳化矽及鈦酸鋇等 所做成的產品,目前已漸漸的用在工程上.

陶瓷材料具有以下特色 :

1. 高彈性係數/重量比值
2. 高硬度
3. 高壓縮強度/重量比值
4. 低介電損失係數
5. 具寬廣的熱傳倒係數
6. 低熱膨脹係數
7. 高溶點
8. 具化學穩定性
9. 大量存在地表上
10. 有些陶瓷具超導性

因以上這些特色使陶瓷的重要性,漸漸為工業界所重視,且利用陶瓷特殊的光,電,熱及機械性質,開發出許多新產品用於工程上.但陶瓷也有其缺點 - 太脆,在改善陶瓷的韌性方面,陶瓷界已有了進展,如陶瓷複合材料的開發,即可改善陶瓷的韌性.

鍵結

原子由原子核及電子所構成,每個原子對其外圍的電子的吸引力皆不相同,例如: 鈉對其最外圍的一個電子的吸引力就非常小,而氯的最外層則少了一個電子,故對電子的吸引力較大,這種對電子的吸引能力可以陰電性標值的高低來表示, 如圖1所示.
當 陰電性標值愈高,則代表對電子的吸引能力最強,而陰電性標值愈低, 則反之,故當一個鈉原子及一個氯原子互相接觸時, 鈉原子會放棄一個電子,氯原子則接受一個電子,而這因電子交換所產生的鍵結,即為離子鍵,在此須注意的是所有人工製造及天然的陶瓷物質皆不帶電,即所有物 質皆為電中性,故在電子交換的同時,亦須考慮是否電性平衡,而達到電中性.

圖一、各原子陰電性標值的高低

而互相分享電子的鍵結亦有共價鍵, 例如鑽石是由碳原子所構成碳與碳之共價鍵所組成,碳與碳之間的電子為兩個碳所共享.

而陶瓷即是由兩種或兩種以上原子所構成的無機非金屬物質,兩種原子之間共享電子,故鍵結同時兼具離子鍵及共價鍵的特色,圖2顯示一個半經驗圖形,顯示一個陶瓷物體中離子鍵特色所佔的比例.舉例如下:

圖二、陶瓷材料中離子鍵特色所佔的比例與陰電性標差之間的半經驗圖形

例1,Mg及O的陰電性標(如圖1)差為2.3,再由圖2可知的離子鍵特色佔整個鍵結的75%,而SiC中的陰電性標差為0.3,故SiC的離子鍵特色僅佔所有鍵結的10%而已,因共價鍵的鍵結強度高,故SiC是一種很硬的材料,常被用為研磨材.

製程

陶瓷材料的製程,影響陶瓷材料的微結構,而微結構影響了陶瓷材料的性質.而為了改善陶瓷材料的性質,唯有改變製程,故製程 - 微結構 - 性質三者之間密不可分,而這三者也構成了整個陶瓷科學的主幹,現就陶瓷製程的基本概念及流程簡單介紹如下:

如前所述,陶瓷材料具有硬度高,熔點高等特色,使得陶瓷材料的製造方式不同於金屬及高分子材料,例如: 因陶瓷的熔點高,故起始原料必須在熔點以下熱處理,使陶瓷顆粒互相連結在一起並進而達到緻密化,在陶瓷界我們稱這種熱處理為燒結.燒結的相關理論請見補充資料部分.

製造陶瓷的一般流程如下 :

1. 原料選擇

• 原料: 黏土,燧石,長石,氧化鋁,氧化鋯,碳化矽,氮化矽,鈦酸鋇等.
• 變數: 純度,化學組成,粉末尺寸,形狀,數量及分怖.

2. 粉體製備

• 固態反應法,化學共沉法,溶膠凝膠法 (sol-gel method) 等製粉方法.
• 變數: 添加成形助劑(黏結劑,分散劑,潤滑劑等) ,研磨混合,煆燒(脫溶劑)溫度曲線,乾燥方式.

3. 生坏成形

• 單軸加壓法,注漿成形 (slip casting) ,擠出成形,刮刀成形(tape casting),冷均壓法,射出成形 (injection molding).
• 變數: 脫除有機物 ( 如黏結劑等) 或生坏粗加工.

4. 燒結

• 常壓燒結,氣氛燒結,熱壓燒結,快燒,反應燒結,熱均壓燒結 (hot-isostatic-pressing)
• 變數: 燒結曲線,線收縮率

5. 加工

• 切削,研光 (lapping) ,拋光,雷射加工,放電加工及蝕刻加工.

6. 結合

• 陶瓷/金屬接合,擴散鍵結,金屬噴敷 (metallizing) ,玻璃結合.

7. 極化處理

• 電子功能應用

8. 性能測試

• 破壞性 - 機械,熱學及化學性質.
• 非破壞性 - 電性,磁性及光學性質.
• 顯微結構 - X 光繞射,超音檢測,電子顯微鏡觀察.

微結構

微結構是指材料的微觀結構,以陶瓷材料來說,一般而言,陶瓷學家須觀察1nm至數十微米 ( 微米= 1 x 10^-6公尺) ,方能充分了解陶瓷的微結構,而觀察的重點,包含晶界相的存在與否,晶粒的大小及分布,孔隙的多少,第二相的大小及分布,是否有缺陷等等.這些觀察重點皆對陶瓷的性質有很重大的影響,現舉例說明.

a. 晶界相的存在與否

• 陶瓷對不純物的存在非常敏感,例如當氧化鋁中只要有數百ppm的不純物,在晶界上即可產生玻璃相,這種玻璃相在燒結時是液相,對燒結的影響不易完全了解, 但對 陶瓷的高溫性質卻有害.

b. 晶粒的大小及分布

• 所有材料的強度皆與晶粒大小成反比,但晶粒大小的分布也很重要, 因少數的大晶粒可大幅降低陶瓷材料的強度.

c. 孔隙的多少

• 陶瓷一般由粉末開始製作,再經由燒結,而提高密度,故一般陶瓷產品內多有孔洞殘留,孔洞的多少及分布,對陶瓷的性質有很大的影響,例如陶瓷的強度隨孔洞量的增加,而呈指數方式下降.

d. 第二相的量多少及分布

• 在陶瓷製造過程中,或有雜質顆粒掉入胚體,或刻意加入第二相,做成複合材料,這類第二相量的多少及分布亦對陶瓷材料有很大的影響.

e. 缺陷的存在

• 陶瓷這一種脆性材料,對缺陷的存在非常的敏感,例如在平板玻璃表面用鑽石刀輕輕畫上一道,則輕易的可將平板玻璃分為兩半,若缺陷存在於陶瓷內部,亦會影響陶瓷的強度及其他性質,故缺陷的存在與否為觀察微結構的重點 .

以下有數張典型的微結構的掃瞄式電子顯微鏡的相片,作為例子.

圖三、單相陶瓷(氧化鋁, 晶粒大小約5 微米, 相對密度為 98%)

圖四、 單相陶瓷(氧化鋯, 晶粒大小約0.5 微米, 相對密度>99%)

圖五、 複合材料( 氧化鋯/ 碳化矽短纖維複合材料, 碳化矽短纖原長為 40 微米左右,
佔此複合材料 的10% 體積百分比)

圖六、 缺陷 ( 氧化鋯基地中有一雜質顆粒, 旁有許多缺陷, 使此材料的強度降低)

性質

陶瓷有其異於金屬高分子材料的光,電,熱,機械性質,固有其特殊用途, 及不可取代性,例如某些陶瓷的電氣絕緣性,使其可用在火星塞及高壓電的絕緣端子,但某些陶瓷卻可導電,且又不易在高溫環境下氧化,如二矽化鉬 (MoSi₂) ,故可作為高溫爐的加熱元件 (heating element) , 這種加熱元件可在空氣中加熱至1900^。C,因陶瓷材料太多,性質涵蓋範圍很廣,而用途及應用仍有待所有人一起開發.現僅針對陶瓷的機械性質中的強度部分,簡單介紹如下:

陶瓷是脆性材料, 而脆性材料的強度可以 Griffith 定律描述 :

s = K_IC/ YC^0.5

其中s為強度,K_IC為韌性,Y為常數,C為缺陷大小.此定律顯示缺陷愈大,強度愈低, 故當陶瓷材料中的缺陷大小不同,則強度就會不一樣.舉例如下:

圖7中顯示100個在我們實驗室準備的氧化鋁試樣的強度分布圖,是用同
氧化鋁粉末原料,同時以單軸向加壓成形,同時在1600^。C 下燒結成密度為98%的試樣,在測試強度前,試樣先以平面磨床加工成長條狀試樣,強度以四點彎曲方式測試.圖一所顯示是一組典型的數據,這組數據的分布狀 態與金屬材料及高分子材料極不相同,例如這些試樣雖是同時準備,強度最高可達470MPa,最低卻只有240 MPa,最高的值約為最低的值得兩倍,分怖範圍極寬,此組試樣的平均強度為350MPa,對金屬及高分子材料而言,平均強度即代表某特定材料的代表強度, 在使用此材料時只須外加壓力略低於平均強度,則可不用擔心破壞或無法負荷,而且就算是無法負荷,金屬及高分子材料也會先以變形方式"通知"使用者,但陶瓷 並非如此,陶瓷是以極快的方式突然斷裂,故強度對陶瓷而言,反而是一個陶瓷材料所不可超過的受力極限,而平均強度對使用者的意義極低,因平均強度的意義對 陶瓷而言,是指50% 產品在受到平均強度大小的應力時,會被破壞掉,故單獨使用平均強度,對陶瓷產品的使用及設計而言,並無任何意義可言,必須搭配機率的統計技巧 - 韋伯分析(Weibull analysis) ,才能預測陶瓷材料的承受應力的極限.

圖七、100隻氧化鋁試樣的強度分佈圖

圖七、100隻氧化鋁試樣的強度分佈圖

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