功能性粉末：神奇的陶瓷材料
95/12/08
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劉宇桓｜
臺灣大學化學系
劉如熹｜
臺灣大學化學系
二千多年前，漢武帝為了抗擊匈奴，派遣張騫出使西域，打開了東西方交流的陸路通道，也把中國特有的絲綢、茶葉、瓷器、漆器等經由絲路傳入西方。其中具實用價值的陶瓷器皿不只被當作藝術品，並且取代了較原始的材料所製成的器具，深深影響了西方人的日常起居與飲食文化。英文中以「china」表示瓷器，「China」則指中國，可見中國與瓷器的關係何其密切。
製陶術的發明
陶器的出現是人類跨入新石器時代重要的標誌之一，也是認識自然、改造自然的過程中的一項重要成果，因此歷史學家和考古學家都十分關心製陶術是什麼時候出現的，又是怎麼發明的。
透過考古發掘，雖然能得到早期製作的陶器，但是要推測它的生產技術還得靠社會學的研究。美國社會學家摩爾根（L. H. Morgan, 1818-1881）藉著對印地安人土著的實地調查，認為製陶術發明的過程應是：在沒有陶器之前，烹煮的方法是把食物放在塗有黏土的木製或編製的筐子裡，用火加熱把食物煮熟，後來發現成型的黏土不需內部木製結構也可以烹煮，從而掌握了製陶術。
這一觀點獲得眾多學者的認同，當然這並不是製陶術發明的唯一方式，但是許多民族確是經歷了這樣的過程。
爭新鬥豔的彩瓷
早期的陶瓷是比較粗糙且暗沉無光澤的，但隨著釉料的發現，增添了陶瓷色彩上的豐富性，唐朝有名的三彩陶即因而產生。釉是怎麼產生的呢？最早商代的瓷器大多呈青色，是釉料中含有少量的氧化鐵，並在還原氣氛中燒成所致。
在製陶的過程中，人們認識到不同的金屬氧化物會呈現不同的顏色，而且金屬氧化物的含量及燒成條件的不同，也會得到不同的呈色效果。經驗的累積促使人們有系統地選擇含鐵、銅、鈷、錳等的氧化物原料，製成各種顏色釉，隨著顏色釉的發展，絢麗多彩的瓷器於焉出現。
近代陶瓷
提到陶瓷，人們總會聯想到景德鎮美麗的陶瓷藝術品、陶瓷器皿，或是家中的磁磚、浴缸。其實這些日常所用的陶瓷，加上玻璃與水泥等，通稱為「傳統陶瓷」，並不是陶瓷研究的全部。陶瓷的定義其實很廣泛，泛指需高溫處理或緻密化的非金屬無機材料，包括矽酸鹽、氧化物、碳化物、氮化物、硫化物、硼化物等。
近年來，美國及日本已逐漸把陶瓷與金屬等同列為一格，廣泛地稱為無機固體材料。藉著採用嚴格控制純度、晶粒大小等的無機固體合成原料，並在製程中調節溫度、壓力、包圍氣氛等，謀求形狀、尺寸的精密化與功能的高標準化，可以得到高附加價值的材料。這些夢幻新材料使得「精密陶瓷」受到各界的注目，而在1997年，日本工業新聞更稱它的出現是第二個石器時代的開啟！
精密陶瓷
經過科學家的研究，不僅了解到陶瓷生產的各種原料及配方，也認識了陶瓷燒成的原理和精細的結構。有了這些知識，人們在科學實踐中製成了許多新型的陶瓷。它們與傳統陶瓷不一樣，具有獨特的堅硬、耐磨、耐壓、耐高熱、耐酸、耐鹼等物理和化學性能，並有相當優異的光、電磁、熱的功能以及生物相容性。依據應用的範圍，精密陶瓷可分成3大類：電子陶瓷、生醫陶瓷及結構陶瓷。
電子陶瓷與生醫陶瓷 在各種精密陶瓷中，電子陶瓷的應用最為多樣，市場也最大。最早是因它絕緣性質特佳，在電路中做為絕緣之用，例如高壓電塔上的絕緣礙子。近年來在微電子系統中，則是用作積體電路的基板。介電陶瓷是電子陶瓷類中產量最大的，主要用於電容器。另外，利用陶瓷的介電性質製成的高頻共振元件，則應用在行動電話及衛星通訊上，在講究個人通訊的今日有無窮的潛力。其他還有應用在瓦斯爐點火器上的壓電陶瓷，以及焦電陶瓷、磁性陶瓷、半導性陶瓷等。
生醫陶瓷主要用在人體骨骼、肌肉系統及心血管系統的修復和替換上，應用產品有人工骨骼、人工齒等。
結構陶瓷 結構陶瓷又名工程陶瓷，因它具有高強度、高硬度，在高溫下有良好的化學穩定性及優良的機械性能，所以廣泛用於機械、冶金、化工、電力、航空太空等領域。
結構陶瓷依化學組成可分為碳化物陶瓷、氧化物陶瓷、氮化物陶瓷等。賽隆（SiAlON）是近年新出現且十分引人注目的超強度陶瓷，是由Si－Al－O－N系構成的多種化合物群的總稱。它們具備高溫強度與硬度高、蠕變小、抗氧化、耐腐蝕、耐磨損等性質，目前用於加工鑄鐵、淬火高速鋼與軸承鋼等，公認是具有廣闊發展潛力的工程材料。
近年來航空及太空技術發達，未來乘坐太空船到外太空旅行絕非夢想。太空船的製造需要使用能承受高溫和溫度急變、強度高、重量輕且長壽的材料，在這方面，結構陶瓷占有絕對優勢。自從第一艘太空船使用高溫與低溫的隔熱瓦後，碳－石英複合燒蝕材料已成功地應用於後續發射和回收的人造衛星中。
光通信產業是當前發展最為迅速的高科技產業之一，全世界產值已超過30億美元。其發展所以如此迅速，主要是因為光纖損耗機制的研究，以及光纖接頭結構材料的使用。
光學陶瓷的應用與發展
工業革命後，地球的資源被大量開發，造就了科技發達的今日。但能源過度開採也令人十分恐慌，綠色能源的研發因而興起。20世紀末白光發光二極體的產生，堪稱是照明技術的一線新曙光。
自從愛迪生發明電燈泡以後，開啟了電力照明的時代。現今最廣泛使用的是日光燈具，而日光燈管其實是個密閉的氣體放電管。燈管內主要氣體是氬氣，另外含有一些微量的汞蒸氣，先藉由氣體放電釋放出紫外光，再由燈管內表面上的螢光物質吸收後釋放出可見光。然而這個過程所消耗的電能只有約60％轉換為光能，其他的則變為熱能而浪費掉，而廢棄的日光燈管會造成汞污染，也令人詬病。因此綠色環保的白光發光二極體用於未來照明的可能性，乃引起廣泛的注意。
日本日亞化學（Nichia）公司於1996年推出「以藍光LED激發釔鋁石榴石（yttrium aluminum garnet, YAG）螢光粉產生黃色螢光，黃色螢光再與藍光混合成白光」的新技術，開啟了LED邁入照明市場的序幕。
這種YAG螢光粉就是一種陶瓷粉末。當螢光物質受光或電子刺激後，其內電子由高能階的激發狀態回到原有的低能階狀態時，能量以光的形式輻射出來，稱為「光致發光」。而不同的螢光陶瓷粉末受光激發後發出的光的顏色也不同，研發新型且具高發光效率的螢光粉是目前LED發展的目標之一。
日本物質材料研究機構於2004年發展出以氧氮化合物為主的螢光材料，這個α－SiAlON的螢光物質保有賽隆（SiAlON）結構抗氧化、抗腐蝕及熱穩定的性質，不會因長時間使用導致熱衰變使得放出的光色變弱，且放出的光色較為溫暖，未來可應用於護眼檯燈、寒帶地區照明設施、街道的路燈或美術展覽館的光源，使螢光陶瓷材料邁入一個新的里程碑！
