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陶瓷特性

隨 著奈米科技的興起,加上媒體的大肆報導,奈米成為家喻戶曉的微小單位。當然人們也知道,材料和奈米是分不開的。材料基本上可分為金屬、陶瓷及高分子三大 類,是一個非常廣泛的名詞,而陶瓷材料早已擺脫傳統的碗盤、衛浴器材等之應用,進入高科技領域例如:電腦、大哥大、汽車、人工關節、甚至太空梭之隔熱片等 尖端科技元件之應用。本文會針對陶瓷材料的結構(Structure)、性質(Property)與應用(Application)做一深入淺出的介紹, 期使大家對陶瓷材料有一基礎的認識。而且將會針對先進陶瓷材料的物理性質,由淺入深地,自陶瓷晶體的化學式、玻璃陶瓷的種種用途,及瓷材料的機械、電性 (含介電)及磁性等性質,本文整理有關陶瓷材料的種種資料,及相關報導,讓世人顛覆對陶瓷的看法。

貳●正文

一、什麼是 陶瓷材料陶瓷是一個很廣泛的名詞,通常定義為:須經高溫處理或緻密化的無機金屬材料,陶瓷涵蓋的範圍很廣,包括矽酸鹽、氧化物、碳化物、氮化物、硫化物、 硼化物等,有些陶瓷含有金屬離子,如氧化鋁,有些則無,如碳化矽,陶瓷材料可能是人類最早製造的器物之一。數千年來,被用來製成各種家用器皿、裝飾品、磁 磚、水泥、玻璃及耐火材料等,是日常生活所不可缺少的,這些陶瓷製品統稱為傳統陶瓷,主要原料是一些矽酸化合物,如粘土,隨著科學的日新月異許多具有特殊 功能的陶瓷產品逐漸被開發出來,這些陶瓷被稱為精密陶瓷。它們具有絕佳的機械性質,出色的磁性、電性、光學及熱學性質,以及絕無僅有對高溫和腐蝕環境的抵 抗能力。因此,在研究發展上,愈來愈吸引人們的注意。精密陶瓷應用的範圍很廣,例如利用它們的高抗熱能力,可用於汽車引擎、燃燒器噴嘴和熱交換器等。

二、陶瓷材料的特性

一般而言,陶瓷材料具有下列特性:硬度高:已知的最硬物質-鑽石,以及氮化硼、碳化硼、碳化矽等,都是陶瓷。
01.耐腐蝕

許多陶瓷對氧化及化學腐蝕具抵抗能力。
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瓷材料科學工程應用之探討

02.耐高溫

陶瓷耐高溫的特色為其他材料所無法比擬,有些精密陶瓷可忍受高至1400度的溫度,而仍能保持其強度,而金屬材料即使是最耐熱的超合金,也很少可使用到高於1100度的溫度。
03.耐磨耗

陶瓷的耐磨能力比金屬優良。
04.重量輕

陶瓷大都比金屬輕,有時僅為金屬的百分之四十而已。因為重量輕可節省燃料,因此對飛機、飛彈以及太空船方面而言,非常重要。
05.摩擦係數低

陶瓷因具有低摩擦係數、高壓縮強度以及耐磨阻力,有些精密陶瓷可用於軸承等機械元件中而不需潤滑。
06.電、磁、光、熱特性

陶 瓷材料除了上述結構方面的特性,有些精密陶瓷也擁有許多特殊的電、磁、光、熱性質。脆性(或低韌性),陶瓷較其他材料具有較高脆性。掉下一個金屬杯時,杯 子僅產生一輕微的凹痕。而當掉下一個普通的瓷杯時,則常破裂成一堆碎片。脆性是陶瓷在結構應用上的最大致命傷。不過近年來,因為藉由改良粉體的製造處理, 以及發現新材料,以使陶瓷的韌性大為提高,有些陶瓷甚至被稱為瓷鋼。

三、黏土類陶瓷

泥土作物是人類最古老的工業之一, 我國習稱,凡用泥土為原料而做成的器皿,再用火燒成者,統稱為陶瓷。自然界中所產生的岩石類及各種黏土,混水產生可塑性,可塑造各種形狀的物品,在置於室 內,以適當溫度燒之,即成陶瓷,此類陶瓷包括大家所熟悉的建築瓷、飲食瓷、文具瓷、裝飾瓷、衛生瓷、理化瓷乃至電氣瓷,此類陶瓷所含的原料主要來自天然礦 產,以黏土、長石及石英三種為主。其中黏土原料含有極高的可塑性,故可經由各種方法形成。如徒手、轆轤及注漿等成形法,很早就為人類運用的長石是低熔點原 料,在990度即開始與其它原料
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反應產生液體,使原料粉末顆粒燒結較容易。石英在三種原料中反應較慢,有防止杯體因燒成產生液體而變形的作用。此外,一般日用陶瓷,常在表面塗兩成玻璃物質,稱為釉。釉除可使器皿表面平滑發光增加美觀外,並有使器皿不透液體,防止沾汙及增加壽命的作用。

四、玻璃玻璃是一種在高溫熔解的液體,而冷卻時卻沒產生結晶的固體。玻璃加熱至適當溫度時,像黏性的液體,透明且容易形成,因此廣泛作為窗玻璃及容器玻璃等應用。

玻璃的成分主要有三大類

01.玻璃形成劑

即形成玻璃的主要成分:SiO2、B2O3及PbO2等。
02.玻璃修飾劑

使玻璃易熔且黏度低的成分,如Na2O、CaO 及K2O 等。
03.中間劑

性 質介於前兩類之間,如A12O3等。這三類成份一不同比例組成,可形成特性變化很大的玻璃,如一般的窗玻璃或平板玻璃,主要由Na2O、CaO 及SiO2組成,而像水晶的鉛玻璃則主要由K2O、Na2O、PbO2及SiO2所組成。玻璃的應用,隨著需求,開發的新種類愈來愈多,如光學玻璃、電氣 用玻璃、透紫外線玻璃、紅外線玻璃、感光玻璃、結晶玻璃以及光纖等。其中商用光纖是由高純度的SiO2為主成分而製成,由於通訊容量比一般通訊方式大許 多,已逐漸取代傳統通訊方式而成為主流。

五、陶瓷電容器

電容器的主要功能為儲存電能,及阻止直流電而讓交流電通過等作用。這些均需要高電容的電容器。一般電容器的基本結構為一介電材料兩端度上金屬電極。電
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容 值的大小與介電材料的介電常數、電極面積成正比,而和介電材料的厚度成反比。早期電容器的介電常數,如紙質電容器及雲母電容器等,介電常數大多小於10。 而陶瓷材料中鈦酸鋇陶瓷的介電常數可高達2000左右,是目前陶瓷電容器的主要材料。餵了更勁一步提高電容值,可將鈦酸鋇做成厚度為數十微米的薄層,在與 金屬電極互相堆積。因為每一層厚度極薄,再加上已並聯方式堆積,因而整個電容器的有效介電常數可高至100.000,這是目前電子工業中應用最多的電容 器,稱為積層電容器(MLC)除此之外,有些特殊的電容器,包括障壁層電容器及弛緩材料電容器亦已逐漸受到重視,這些均為陶瓷材料所製成。

六、壓電陶瓷

壓 電陶瓷是具有壓電效應的陶瓷體。壓電效應是指當物體受到壓力時,會產生電荷(或電壓),即正壓電效應;或相反的,當物體受外加電壓時,會產生變形,即逆壓 電效應。壓電效應存在的必要條件,是材料的晶體結構不可有對稱中心。擁有鈣鈦礦結構的陶瓷,如鈦酸鋇和鋯鈦酸鉛等,其晶體結構中鈦原子和氧原子的中心不在 一處因此缺少對稱中心,而有壓電性,即是最有用的壓電陶瓷。壓電陶瓷的應用很廣,方式有

01.電能→機械能

當施加一交流電壓時,物體會有正負方向的機械波動。震動的頻率與材料特性、元件尺寸和設計有關。若在超音波範圍,則成為超音波震盪元件,可作為超音波洗淨器、聲納、超音波熔焊機等;若在音波範圍,則可做為揚聲器、高音喇叭、蜂鳴器等。
02.機械能→電能當施加外力時,物體會有感應電壓。外力有正負大小變化時,感應電壓亦有正負大小變化。應用於水中探測,水中物體移動產生的壓力波,被壓電元件轉換成電波,而偵測出來。也可應用於打火機、瓦斯爐內的點火元件。
03.電能→機械能→電能
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此類應用包括電子產品中應用極廣的濾波器等。

七、電光陶瓷

在 鋯鈦酸鉛(PZT)陶瓷中加入氧化鑭(La2O3),並經過適當程序,可製成透明的陶瓷。透光率達98以上,稱為PZLT電光陶瓷,PZLT陶瓷經過店場 極化後,不同極化狀態的光穿過陶瓷時,會產生相位差。若配置適當的偏光材料於光行途徑中,則在某些相位差時,光線無法通過,某些則可大部分通過。由於相位 差可靠電場控制,因此電場可以控制光線的穿透率,而成為電光陶瓷。PZLT已經有許多應用,如做為相機快門,利用電場控制光線的通過與否,不需如傳統機械 快門的複雜。又可作為濾色片、影像儲存元件、影像顯示元件及保護鏡等,用途極廣。

八、磁性陶瓷

磁性陶瓷主要為鐵氧磁體,包括
01.MFe2O4(尖晶石結構),M代表Ni、Mn、Zn、Mg及Co 等。

02.六方鐵氧磁體,如BaFe12O19等。
03. 拓榴石鐵氧磁體,如Y3Fe5O12等各具不同的特性,適合不同的用途。磁性陶瓷與金屬磁性材料相比,最顯著的優點是電阻高,故因磁場改變而產生的渦流損 失小很多。由於高頻應用時,渦流損失很重要故高頻時磁性陶瓷是主要的磁性材料。磁性陶瓷又大致可分為軟性及硬性。軟性者較易磁化,具有較高磁化率廣泛應用 於磁頭(如Ni-Zn尖晶石鐵氧磁體)、磁記憶元件(如Mn-Zn尖晶石鐵氧磁體)方面。硬性不易磁化,但磁化後殘存的磁性很高,且磁性不易消失,故可作 為永久磁鐵等應用。至於Y3Fe5O12主要用於微波元件。

九、陶瓷感應器

許多陶瓷在不同濕度環境下,電阻不同。經由電阻的測量,可知環境中的相對濕度,可作為濕度感應器,適用於烘衣機、微波爐、烤箱及工業烘乾設備的自動濕度偵測控制。

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有 些陶瓷在不同溫度下,電阻有明顯的不同。經由電阻的測量。經由電阻的測量,可知溫度的高低,可作為溫度感應器,或溫度補償元件,早已廣泛應用於醫療用自動 溫度偵測器、電子迴路的溫度補償等,如負溫度係數(NTC)熱敏電阻材料。另外,以鈦酸鋇可製成正溫度係數(PTC)陶瓷,應用於電視的砝磁器,可恆溫融 膠槍、熱風機等。有些陶瓷在不同氣氛下,有不同的電阻值,經由電阻的測量,可知氣氛(例如氧分壓)的高低此類陶瓷含有TiO2。而有些陶瓷會感應,不同的 電壓,經由電壓的測量亦可知氣氛的狀態,如ZrO2。應用於氣體趕測器,用以控制汽車引擎燃燒或工業窯爐的燃燒等,陶瓷感應器是利用陶瓷的半導體或化學特 性,將壓力、溫度、光、聲音、氣體及濕度等轉換成某些電器訊號(如電阻、電壓),而達到偵測的目的。

十、結構陶瓷

有些陶瓷不僅耐熱、耐蝕、耐磨耗、韌性高,而且在高溫亦具有高強度,此類陶瓷稱為結構陶瓷,主要有氮化矽、碳化矽等。由於具有上述特性。長期以來一直被視為陶瓷引擎的候選材料。易用於切削工具、模具及軸承等方面。

十一、生醫陶瓷

生 醫陶瓷指的是人體生理能夠相容,不受排斥,且無毒性的陶瓷,包括氫氧基磷灰石、三鈣磷酸鹽、氧化鋁及含鈣、磷的生醫玻璃及結晶玻璃等。含鈣及磷的陶瓷由於 與人體骨骼及牙齒的成分類似,因此容易接和且不受排斥,早已成為醫學上骨骼及牙齒的人造材料。而氧化鋁則因活性小且無毒性不受排斥,雖接合較差。但因本身 強度高,亦可用於齒根材料。

十二、陶瓷製程

陶瓷的製造方法,基本上對傳統陶瓷,及精密陶瓷而言,並無顯著的差異。所不 同的是在於傳統陶瓷所用的原料大部分取自天人原料,再加以處理而得。而精密陶瓷所用的原料則全以人工合成,不論在純度及粉體性質上的要求都高於傳統陶瓷, 陶瓷的製程以燒結體為主流可分為下列步驟起使原料的選擇需考慮純杜、粉末粒徑-粒度分佈,分散性及粉粒形狀等這些資料都必須依賴科學儀器的輔助分析才能獲 得,作為精密陶瓷燒結原料的粉體,其粒徑一般要求能均勻地維持在小於一微米的程度,陶瓷粉底的製備可分為機械與化學種兩種前者是利用機械方式將所需粉末藉 由混合、段燒及研磨等過程以獲得所需成分以降低粉鏡大小等目的。不過若要得到高純度且均勻的超微細粉末,則必須採用一些化學的粉體製作方法,例如氣相反應 法、液相析出法、溶劑蒸乾與淬取法、溶膠-凝膠法等。在成形方面,常用的陶瓷成形方式有乾壓法、鑄漿法擠出成形法及刮刀成形法等。
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燒 結是陶瓷製程中極重要的步驟,主要目的是將已成形好的胚體,藉由高溫(通常在物質融點的2/3 以上),造成原子的移動擴散產生熔合作用,而達到緻密化的目的。為達到這個目的,一般原料的粒徑需小於1微米。有時,為了幫助燒結,常加入少量較低融點的 物質,例如傳統陶瓷器即是以長石擔任此一角色。只是,這種燒結促進劑的增加,不能使陶瓷產品性能減弱。因此,如何進行粉末的製備,

製造出示合的粉體是精密陶瓷燒結的關鍵。有些燒結體還需經過一些加工處理,才能獲得所需陶瓷成品的尺寸、表面平整度等要求。最後經過性質測試,才能成為可用的陶瓷製品或做進一步的改良。以下將做更明確的講解:

01.原料選擇
A.原料:黏土,燧石,長石,氧化鋁,氧化鋯,碳化矽,氮化矽,鈦酸鋇等。
B.變數:純度,化學組成,粉末尺寸,形狀,數量及分怖。
02.粉體製備
A.固態反應法,化學共沉法,溶膠凝膠法(sol-gel method)等製粉方法.
B.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。
03.生坏成形
A.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)

B.變數:脫除有機物(如黏結劑等)或生坏粗加工.
04.燒結
A.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)。
B.變數:燒結曲線,線收縮率
05.加工:切削,研光(lapping),拋光,雷射加工,放電加工及蝕刻加工。
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06.結合:陶瓷/金屬接合,擴散鍵結,金屬噴敷(metallizing),玻璃結合。
07.極化處理。
A.電子功能應用。
08.性能測試
A.破壞性-機械,熱學及化學性質.
B.非破壞性-電性,磁性及光學性質.
C.顯微結構-X光繞射,超音檢測,電子顯微鏡觀察.

參●結論

在 我閱讀完手邊的資料後,我只能講一句話:陶瓷不再只是陶瓷了。雖然擁有眾多的優點集於一身,但有一項是我們認為最重要的一項,那就是它的普遍性,也就是說 大量存在地表上,不要小看這個優點,如果陶瓷非常昂貴且稀少,就無法有效率的運用在我們生活中。在二十一世紀未來的歲月裡,陶瓷科技將主宰整個科學界,並 以直接或間接的方式來影響我們的生活,與我們息息相關,往後我們將會看見許多新的科技產品,
但大家千萬不要忘了,這些可是前人所留下來的心血結晶!

肆●引註資料
註一、陶瓷材料
http://www.nchu.edu.tw/~material/course/courseguide/%B3%B3%B2%A1%A7%F
7%AE%C6syllabus.doc

註二、陶瓷材料種類與應用 http://elearning.stut.edu.tw/caster/3.8.htm
註三、電子陶磁元組件 http://www.mrl.itri.org.tw/research/detail/i300.htm
註四、材料光電研究所-陶瓷材料及元件
http://www.mnd.gov.tw/division/~defense/mil/mnd/cs/chinese/material/mater_03_c
h.htm
註五、清華大學2004暑期材料工程研習營學習講義 簡昭和 2004 P77~P93
註六、精密陶瓷加工法 詹福賜,全華科技,出版日期:1994/02/15 P2~P17
註七、電子陶瓷材料 魏炯權/著,全華科技,出版日期:2004/07/09 P23~P81
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陶瓷材料科學工程應用之探討
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註八、陶瓷材料 肖定全/編著,新文京開發出版有限公司,出版日期:2003/01/15
註九、影音資料:Discovery 地球新世代
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陶瓷磨球

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陶瓷磨球
Y-TZP氧化鋯相較其他陶瓷材料具有高強度、高韌性,比重(specific density)大,很適合用來做在電子陶瓷廠中研磨陶瓷粉末用或顏料的磨球。
在低污染的電子陶瓷原料研磨要求下,目前會導致鐵金屬污染的鋼珠研磨已不適合,在奈米及潔淨度要求較嚴苛的環境下,
工業界皆以Y-TZP磨球為研磨介質的首要選擇,同時在要求粉末的細度(fineness)及純度(purity)下,一般研磨介質已由金屬材料改為陶瓷材料,
粉體藉由機械研磨所造成的污染:90%來自研磨球;5%來自研磨轉子(rotor),另外5%來自研磨桶璧內襯(lining),
因此磨球的耐磨性(wear resistance)在顧客使用上,便顯的十分重要。
我們可以提供氧化鋯,氧化鋁,矽酸鋯及玻璃珠等材質的磨球,尺寸最小為0.1 mm到10 mm。
請參閱如下各類陶瓷球的物理及機械性質

各類材質磨球機械性質比較表

 

密度(g/cm3)

硬度(kg/cm2)

強度(MPa)

韌性(MPa.m0.5)

Y-TZP磨球

5.95-6.0

1000~1400

800~1200

6~10

矽酸鋯磨球

3.85~5.0

600

200-300

5

無鉛玻璃珠

2.6~4.4

200~800

100~300

0.2~0.8

鋼珠球

7.8

400~800

600~800

15

資料來源:Ceramic Media with improved efficiency

 

 

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