陶瓷與人類文明：飛機引擎的金縷衣–陶瓷纖維
93/03/09
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韋文誠｜
臺灣大學材料科學與工程學系
纖維是一種直徑很細，只有十幾微米（micrometer），長度超過數十公分的線形材料。天然的纖維種類繁多，其中包括可以做為高溫（大於攝氏400度）使用的無機纖維，像過去常用於鍋爐隔熱的石綿就是一個例子，可是石綿能夠長時間承受的溫度仍然不夠高，而且有致癌的顧慮，因此高科技材料業就發展出一系列的高溫陶瓷纖維，可用於飛機、太空梭的隔熱層或隔絕汽車引擎室熱量的散失。
陶瓷纖維材料
陶瓷纖維的原料包括大地蘊藏豐富的氧化鋁、氧化矽，和其他耐高溫的氧化物材料，像氧化鋯、氧化鎂也都曾使用。近二十年的發展還包括氮化物、碳化物或硼化物等。
常見的纖維產品如單晶氧化鋁（產品名稱叫做SaphikonTM）、3M公司出品含有高氧化鋁的纖維（例如NextelTM 720）、碳纖維、碳氧化矽長纖（最常見的產品叫NicalonTM）、含鋁酸釔的YAG纖維等。
陶瓷纖維可以經由幾種方法製作，最常見的是把陶瓷在非常高的溫度（大於攝氏1,800度）下熔融，藉由紡絲的方法得到長纖，在一九八○年代發展的YAG單晶纖維，就是採用類似的熔融抽絲法製作的。另一種值得介紹的方法是採用先導高分子溶液抽出纖維，然後把這高分子纖維熱分解，轉換成陶瓷而得，NicalonTM 纖維就是這樣製作的。
高級的陶瓷纖維緻密度高，強度更超越一般材料，以美國3M公司生產的纖維為例，拉伸強度都超過 2 GPa，相當於一條一百微米粗的頭髮絲可以承受 1.5 公斤的拉力，這比不銹鋼線的強度要高出許多。這種NextelTM 纖維相較於其他商用纖維具有高溫穩定性和較好的抗潛變性質，故非常適合於高溫和惡劣的工作環境。
高性能陶瓷纖維在一九六○年代就已做成石膏板的形狀，以做為爐壁隔熱件。早期，高氧化矽材質的耐火板，隔熱性質就已經很優異，但蓄熱量低，升降溫容易，後來發展的氧化鋯及氧化鋯質纖維耐火板，能夠承受的溫度更高，隔熱性更佳。
最近幾年在歐洲及日本極力發展超高溫（大於攝氏1,900度）玻璃質纖維，像德國Bayer發展的纖維，包括矽、硼、碳、氮四種成分，號稱在攝氏1,900度長時間使用，仍能保有玻璃質的特性，不會結晶，因此纖維的強度在高溫下不會退化。其他高性能的陶瓷長纖以氧化物為主，日本東京工業大學發展的莫來石（mullite，3Al2O3．2SiO2）纖維也有很好的前景。
高韌性纖維複合材料
因為高品質長纖的價格非常貴，有的每公斤高達數千美元，只有美國、歐洲的航太工業才用得上。陶瓷長纖很少單獨使用，大都與高分子、金屬或其他陶瓷形成複合材料，早在一九四○年代就使用於軍事用途，當時是利用它的隔熱性及電絕緣性，來隔絕高溫操作的引擎。
近二十年，由於材料的製作技術大幅進步，纖維品質提升很多，利用纖維的超高強度與耐高溫特性，加進高分子材料或金屬材料中，可以明顯提高複合材料的平均強度與韌性，以及耐用的溫度。以一般陶瓷材料為例，用長纖加強的陶瓷複合材料所能得到的韌化效果達到2～3倍。由於複合材料兼具各方面的優點，用量大且價廉的建築材料，航太引擎及精密機械中均有多項用途。
新型纖維強化複合材料
德國太空中心最近報導一新型陶瓷基複合材料，稱為WHIPOXTM CMC，主要用在太空惡劣的環境中，即使在高腐蝕性或溫度變化極大的外太空，也可以利用此材料的抗氧化性、耐腐蝕和極佳的穩定性來保護太空元件。WHIPOX的陶瓷基材是商用莫來石前驅物，使用的纖維是商用Nextel纖維。
WHIPOX是利用連續可繞式技術製備的連續單一或多方向纖維強化的陶瓷基複合材料，依照纖維排列方向的不同而有25～50％的纖維含量，經電腦操作排列後可以製備出不同形狀、不同直徑大小的模具。目前依照不同需求，製作出幾種不同型式的複材，包括管狀、波浪狀、H型、機械鑽孔、網狀等結構。
WHIPOX以高孔隙率（約60～80體積百分比）莫來石為基材，密度很低（最高0.2 克／立方公分），而且具有低熱傳導（低於0.8 瓦／度‧米）性質。研究顯示WHIPOX在攝氏1,200度下可使用長達一千小時，直到溫度上升到攝氏1,500度後，材料強度與韌性才開始劣化。
新型鍵結纖維塊材
另一種纖維狀複合材料是由美國密西根大學材料系J.W. Halloran教授為美國空軍發展的「纖維塊材」，這一系列的材料都採用擠出成形法，得到約一百微米直徑的多晶陶瓷纖維，再將生胚纖維的表面鍍上薄薄的一層氮化硼、鎳金屬或是石墨，然後將麵條狀的纖維紮成一束，熱壓後形成塊狀複合材。
這種纖維狀塊材具有一致的方向性，強度並不特別高，與一般陶瓷強度300～500 MPa相近，可是纖維間具有很明顯的弱介面，對於破壞能的吸收非常有效，它的破壞屬於柔性破壞，與木材的破壞非常相似，因此吸收的破壞能與其他纖維強化金屬材料相當。
新型自生纖維複材
另一種新型複合材料採用高溫晶相分離方法，製作自生型纖維狀複材。最早將LaB6與ZrB2兩種硼化物材料形成共晶複合材料，是由烏克蘭科學院的科學家利用微波區域熔融法製備得到。硼化物陶瓷一般具有高熔點、高硬度、高強度等陶瓷特性，LaB6-ZrB2尤其具有高導電及導熱性、低揮發率、低電阻、熱穩定性佳等優點。故將其製成奈米級纖維複合材料，除了在強度方面有更大的表現外，也可以提高韌性。
ZrB2纖維可均勻分布在LaB6基材中，纖維直徑約0.2～1.2微米 ，長度超過一百微米，平均纖維密度約為每平方公分108根纖維。由於纖維有效分布在基材中，可以改善機械性質，包括強度及韌性都明顯提高，尤其韌性最高可提升到17.8 MPa‧m0.5，這是一般氧化鋁陶瓷的五倍。
國外陶瓷長纖複合材料的研究已經有數十年的歷史，最具代表性的是美國太空總署NASA在克利福蘭市郊的Lewis實驗室，以及田納西州的Oak Ridge國家實驗室，相關的太空計畫或民間飛機製造公司所進行的應用發展，經費及研究人力均非常充沛。
由於高品質、高價格的陶瓷長纖在國內取得非常困難，因此，國內長纖韌化複合材料的應用都只限於碳纖維複合材料的研究。過去臺科大化工領域的教授曾試做陶瓷長纖，但因為產率過低而作罷，清華材料中心也曾進行氣相過濾模擬形成複合材料的研究。未來纖維強化高溫複合材料研發工作如何在國內進行，尚待有識之士規劃推動。
