精细陶瓷之结构陶瓷篇：探索陶瓷材料的无限可能！

摘要

在19 世纪以前，陶瓷材料大概就是以容器和食器为主，服务的是人类的眼和嘴、以及提供触觉把玩上的感受，那些工匠大师们的精细陶瓷作品更是精雕细琢、美丽晶莹，在故宫博物院远至英国的大英博物馆，都有着中国陶瓷工艺品的极致收藏；然而易碎也是大家对于传统陶瓷的共同认知。到了20 世纪的今天，精细陶瓷已经扭转了这个易碎的观念，因此，结构陶瓷的分类从诞生到开始攻城略地的占据材料应用的市场，也不过是近50 年的事，我们一起来看看吧!

基础原理

大家都知道材料在力学性能有非常多的挑战，其中以大家熟悉的物理量：拉伸力(Tensile force)、压缩力(Compressive force)、弯曲力(Bending force)、扭转力(Torsion force)、冲击力(Impact force) 这五种，堪称材料的五大耐受力量之标准，那么结构陶瓷都能够承受所有的力学性能吗？答案是肯定的…没办法的！如果没有评断的标准和施力的定量，像是多大的力量、什么方向施力、反复施力的频率、作用的温度，没有这些的话，评断陶瓷材料的基准将会不公平。

说的直白一点，首先还是要来一点艰深的材料科学理论( 请不要打瞌睡，或是如果您睡不着，就看看下一段文字，可能直接睡着~)：Dr. Q 从原子的键结(Bond) 说起，自然界的材料三大化学键结(Chemical bond，有些人认为氢键也算是化学键之一) 为：金属键、共价键与离子键，好，请见图(1) 所示。

图1: 三种主要化学键与其特性

●金属键：金属原子间的键结方式，金属阳离子透过与

带负电的电子间的库仑静电力而相互吸引，金属各个原子间共享游走于空价轨域的电子云( 或称电子海，所有原子共享电子) 而结合成稳定态，因此金属除了很好的导电性之外，并具有高的延展性( 即便是最差的锌合金，都超过陶瓷材料的特性)，且有很高的熔点( 汞除外)，并无分子结构，也就是可以单独一颗原子存在。

●共价键：原子间通过共享电子形成的化学键，叫做共价( 两原子共同拥有，但不给别的用)。它通过两个电负度相近的原子，例如两个氧，互相共享其外围电子以符合八隅体的键结方式结合，因此也有人说这是非金属原子间的结合方式。而共价键有键角及方向的限制，因此不能随意延伸，也就是有分子结构。共价键广泛存在于气体之中，例如氢气与二氧化碳等。有些物质如金刚石，则是由碳原子通过共价键（巨型共价结构）形成的。共价键又可分为非极性共价键与极性共价键，以及配位键。

●离子键：正离子、负离子通过静电作用形成的化学键称作离子键。两个原子间的电负性相差极大时，一般是金属与非金属，典型的离子键材料就是氯与钠，若他俩要结合在一起，电负性大的氯会从电负性小的钠抢走一个电子，以符合八隅体。之后氯会以-1 价的方式存在，而钠则以+1 价的方式存在，两者再以库仑静电力因正负相吸而结合在一起。离子键可以延伸，理想的离子化合物中并无分子结构。

然而实际上，由于离子间总有极化作用的发生，所以离子之间的电子云并不可能完全无重叠，因此离子化合物总是带有一部分共价性。同时，离子键亦有强弱之分。其强弱影响该离子化合物的熔点、沸点和溶解性等性质。离子键越强，其熔点越高。离子半径越小或所带电荷越多，负、正离子间的作用就越强。例如钠离子Na+ 的微粒半径比钾离子K+ 的微粒半径小，电荷密度大，则氯化钠NaCl 中的离子键较氯化钾KCl 中的离子键强，而氯化钠的熔点就比氯化钾的高。

此外，离子键的材料会溶于水，必须要避免潮湿的使用环境。所以，陶瓷结构的基础在于共价或是离子键结，坚硬高强度但脆性高，可溶解于极性液体则变成罩门，要能够知道陶瓷的特性才能适材适用。

结构陶瓷的挑战

从锅碗瓢盆到太空飞行的应用

其实对于陶瓷材料的特性，用玻璃来说明是最简单的了，玻璃可以说是最具有代表陶瓷特色的典型例子它是一种过冷液体(Supercooling liquid) 而不是有结晶的固体，很有趣，透明、绝缘、导热快且易碎，但是却不导电，有趣的是经过预应力处理，1cm 厚的强化玻璃却坚固异常，用时速150km 的棒球( 台湾和美国、日本很流行的一种球类，直接命中头部人会死亡的球) 撞击也打不破它，所以玻璃是率先脱离锅碗瓢盆而运用在结构上的陶瓷材料。

随后，1970 年代的美苏太空竞赛也带动人类使用材料的革命， 尤其是美国康宁玻璃公司(Corning Incorporated) 旗下的产品大猩猩玻璃(Gorilla Glass)，

一再的突破人类过去对陶瓷材料刻板的印象，包含从冷冻库中拿出来的玻璃锅直接放到炉火上加热也不会爆裂、掉下地面也不会破的玻璃咖啡杯以及保护航天员平安回到的球穿越大气层的航天飞机绝热贴片，以及大家每天用在手上的手机玻璃面板，康宁公司操作玻璃适应环境的手段真是令人惊艳，而它却又是那样亲近我们的日常生活。图(2) 康宁的代表产品。

图2: 康宁产品线，最令人惊艳的还是直接由冷冻库取出到炉火上加热的玻璃餐具

有了玻璃最佳的示范，我们知道在适合的条件下选择适当的材料，陶瓷也能够作为结构的支撑，例如厚度极薄(0.08mm) 的氧化锆用来作为手机的触控按键，由于承受的是压应力且因为具有极高的介电常数，可以到手机寿命结束都还没有坏到它；用在水龙头的止水阀片，氧化锆也能够发挥其耐磨、密接的特性，并没有因为自身离子键结可被水溶解的风险，一直到水龙头坏掉也都是坚持不漏水的结构设计，这就是陶瓷的好处!! 只要设计用对它，尤其是再受压力的表现，陶瓷的耐受度绝对超过其他材料。

常用的结构陶瓷

力学性能和额外的附属功能

●玻璃是最大宗的结构陶瓷，遮⻛、避雨、透光是避雨最大的综合功能，玻璃在结构上的应用通常必须伴随的附属功能就是透光，而玻璃的兄弟材料包含甚广，包含最早发现的琉璃( 不纯物很高的玻璃)、釉料都算是玻璃的，没有结晶形式的非晶玻璃到有结晶形式的陶瓷玻璃，如上述的康宁产品，甚至到单晶等级的光学玻璃。

●氧化铝(Al2O3, Alumina，密度3.45~3.5 g/cc)：这好比于金属中的铁，在陶瓷材料的精细陶瓷分类氧化铝是最被研究透彻的，用途也非常的广泛，对于化学抵抗和氧化等恶劣高温等环境的耐受度高，矿源丰富取得容易，说氧化铝是陶瓷之王一点也不为过，尤其是高温环境(500~2000℃ ) 的一些工业炉体内衬，氧化铝砖、氧化铝纤维、氧化铝珠等等提供了工业制造上的稳定可靠，这是结构陶瓷最重要的应用之一；此外绝缘特性也使氧化铝在电器接头发挥耐高温与绝缘、低比重的多重特性，其实汽油发动机用的火花塞(Spark plug，台湾管叫火星塞) 用的绝缘套管就是氧化铝所制作的，高压电缆线的绝缘柱也是氧化铝制作，在烧结的氧化铝表面上了一层光釉防止鸟粪和落尘堆积以避免高压电跳弧。

但是氧化铝锋芒却被下面这位老弟给掩盖了，主要在于氧化铝密度过低，抛光后的表面没办法呈现晶亮，只能作为隐藏背后的王者了。

●氧化锆(ZrO2, Zirconia，密度5.65~6.0 g/cc)：氧化锆是陶瓷材料中认性最好的，破坏韧性值直逼锌合金，它的力学性能来自结晶转变的相变化来导引必吸收能量，有点类似于太极拳法的借力使力，将破坏的能量吸收转变成抑制破坏的有趣特性，为了减少篇幅的占据，有关氧化锆的材料特性，Dr. Q 再另写一篇”陶瓷的钢铁人”专门介绍氧化锆这支材料、加工工艺以及应用。

图3: 智能手机钢化玻璃( 取自康宁公司企业网站)

氧化锆由于密度高，抛光后有一种晶莹剔透的高极瓷器质感，在手表和珠宝首饰业者被频繁的添加不同色料所使用，随着被手机产业兴盛，氧化锆的韧性和装饰性也受到标榜式的几家手机厂采用，作为智能手机外壳姑且不论，还被奉为未来5G 手机必选用之材料，把玻璃这个材料真的当透明瓷材料给视而不见，足见氧化锆的科技魅力，更有公司称之为微晶锆的上位名词，花招和吹捧把陶瓷的本质掩盖过去，真的不是好事!

●其他结构陶瓷，属于窑炉内耐高温的陶瓷类别我们就在环境耐受陶瓷篇来说明。

由于篇幅的限制，本期对于氧化锆结构陶瓷Dr. Q 将另外于开启专稿，以便详细说明近来在中国境内智能手机最热门的陶瓷材料 – 氧化锆的基础原理和受到重用的原因。呵呵呵，各位看官要打起精神!! 在炎炎的夏日阅读艰深的文章，确实也是挑战自己啊！■