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陶瓷與人類文明:不可忽視的陶瓷鍍膜

93/03/08 瀏覽次數 12201
俗語說:「人要衣裝,佛要金裝。」這句話凸顯了日常生活中表面功夫的重要性,也說明了鍍膜工程的最初動機。漂亮的衣著發揮了禦寒的功能,也增添了賞心悅目的外觀。另一方面,陶瓷材料的多樣化外觀、高硬度、耐高溫、耐蝕性,以及各種聲、光、電、熱、磁的特性,若能以鍍膜的形式依附在其他材料的表面上,就能發揮各種新奇的功能。

然而對硬脆又高熔點的陶瓷材料進行加工,是一件非常困難的事。以裁切玻璃為例,常用的金屬刀具恐怕都愛莫能助,只能以金剛石在玻璃上劃出刻痕,再施力折斷玻璃,若想在玻璃上挖出漂亮的圓洞,那更是一件傷腦筋的事。

在最近的二十幾年間,各種鍍膜技術相繼發展,藉由這些技術可得到不同厚度與顏色的陶瓷膜,也可以運用在不同外型、尺寸及材質的底材上,完全擺脫成型加工的困難,大幅拓展了陶瓷材料的應用。以下所提的例子有些早已應用在日常生活中,有些則像千里馬仍默默等待伯樂的發掘。

堅硬護甲的陶瓷鍍膜

陶瓷給我們的第一印象是堅硬、耐蝕及多變的色彩,因此若能在金屬物件的表面被覆一層陶瓷膜,對於物件的耐磨、防蝕與美觀均有加分的效果。最初的陶瓷鍍膜製作方式是使金屬表面氧化,以形成一層氧化物陶瓷,例如生活中常見的不銹鋼與陽極發色鋁合金。然而隨著各種鍍膜技術的開發,我們已經可以在各種材質的表面上被覆所需的陶瓷鍍膜,提升生活用具的美觀與耐用。

日常生活常見一些金色餐具、水龍頭、手表、飾物及眼鏡架等物件,以及五金工具用的鑽頭、銑刀等。這些物件中大部分是藉由鍍膜技術在其表面成長氮化鈦(TiN)或氮化鋯(ZrN)等陶瓷硬膜,這些硬膜不但亮眼美觀,不怕刮損,還可以增加刀具的硬度與切削力,更可降低刀具的表面磨損,延長使用壽命。除此之外,許多氮化物,例如氮化鉻(CrN)、氮化鈮(NbN)、氮鈦化鋁(TiAlN)、氮化碳鈦(TiCN)及氮化鉿(HfN)等鍍膜也有相同的功能。

當然,其他堅硬的碳化物如碳化矽(SiC)、碳化鈦(TiC)等,同樣可用鍍膜技術被覆在切削刀具上。另外,機車引擎中的「陶瓷汽缸」,也需藉由陶瓷鍍膜來提升汽缸壁的耐磨性。甚至自然界中最硬的鑽石,也能藉由鍍膜技術被覆在物件表面,形成鑽石膜或類鑽碳膜。

赴湯蹈火的陶瓷鍍膜

陶瓷材料耐熱抗蝕,具有化學安定性,所以選用陶瓷硬膜來保護金屬底材,除了堅硬外,保護金屬底材不受腐蝕也是一個重要的原因。石化工業所用的葉片、軸承、爐管或冷凝器,往往被覆有氧化鋁、氧化鈦、氧化鉻、氧化鋯矽等陶瓷混合層,來強化組件的抗蝕性。

陶瓷觸媒材料也具有催化效果,譬如最近的熱門話題「奈米光觸媒」材料,即二氧化鈦(TiO2)、氧化鋅(ZnO)等,把這些材料分散為奈米顆粒塗布在瓷磚、衛浴設備的表面上,即在陶瓷器表面塗上一層光觸媒,既可以抗菌,又可以防污。同樣地,藉由鍍膜技術將光觸媒薄膜被覆在各種日用品上,也可以達到相同的效果,將之泡在水裡用以淨化水質,則不用擔心粉末過濾及回收的問題。

另外像氧化鋯固態電解質鍍膜,除了可以做為氧氣偵測器外,也可以用在燃料電池中產生電流,以及用在燃燒室器壁上提高氫氣反應效率。氧化鋯鍍膜常用做渦輪與柴油引擎的防熱層,把氧化鋯被覆在引擎與活塞金屬表面上,藉由它的低熱傳導率與抗熱震性,隔絕引擎中燃燒氣體的熱量傳入金屬元件,既能提升引擎效率,又可延長引擎組件的壽命。

一些陶瓷塗層,像是氧化銦、氧化錫或其混合塗層,具有遠紅外線加熱的功能,可以做為加熱器,用於烹煮食物可免除燒焦的困窘,用於健康輔助器材,則可活絡筋骨。

刻骨銘心的陶瓷鍍膜

陶瓷鍍膜也常用在生醫植入材的表面上,像在人工牙根、人工關節的表面鍍上氧化鋁可以降低磨耗,以及避免金屬底材腐蝕溶解對人體產生不良效應。另一方面,二氧化鈦鍍層可以讓骨骼組織附著生長。由於人體的骨骼也是陶瓷複合材料的一種,在人工骨頭表面鍍上類似骨質的氫氧基磷灰石塗層,能幫助植入物與組織生長在一起。此外,像人工心瓣的表面也常鍍有碳材料層以防止血栓。

光影交錯的陶瓷鍍膜

日常生活中常見到,外觀晶瑩剔透、絢爛奪目的水晶、翡翠、紅寶石等,其實都只是各種氧化物組成的陶瓷材料,只是各具有不同的光學性質。若將之薄膜化,重疊或化合在一起,就可以結合不同的光學性質,製作濾波、偏光、反射、發光等用途的光學鍍膜。

其實像氧化鈹(BeO)、氧化鎂(MgO)、氧化鋁(Al2O3)、硫化鋅(ZnS)等陶瓷鍍膜,都具有不同波長的透光特性,早已廣泛應用在光學產品中,包括鏡片上的多層抗反射膜、攝影機鏡頭的濾光鏡等。如果陶瓷鍍膜在紅外線波段為可穿透,又有足夠的硬度,那就成為紅外線導引飛彈彈頭的最佳保護層了,鑽石薄膜就是其中的佼佼者!

有些陶瓷鍍膜的顏色及光線穿透度是可以調整的,例如氧化鎢(WO3)就具有電致色變的能力,藉由通入電流改變氧化鎢的結構,就能使氧化鎢鍍膜由透明變成藍色,變色的程度亦可藉由改變電壓來控制。將這些電致色變材料鍍在鏡子與窗戶上,就能達到隱私、遮光與節能的效果。

來電的陶瓷鍍膜

由金屬千篇一律的導電性,來到陶瓷材料,就具有不同程度的絕緣、介電、半導體甚至導電特性,利用鍍膜技術將其輕量與微型化,就能應用在現今精密的機電產品中。目前的積體電路晶片就是由金屬與陶瓷鍍膜交疊而成,像氮化矽、氧化矽鍍膜就是積體電路中主要的絕緣層、介電層與保護層。

將鋯鈦酸鉛(PZT)壓電材料薄膜化後,所製作的致動器動作變化就更加精準,因此成為微機電系統裡重要的鍍膜,可以取代馬達、線圈所組成的笨重致動器。

將材料薄膜化不單只是減小元件的體積,若將鍍膜重複交疊,更可以大幅增加表面積,像以金屬電極鍍膜與陶瓷介電鍍膜交疊製作的多層電容,不但體積小,電容量也增大。

有些陶瓷材料允許較輕的離子像氫離子或鋰離子在其中移動,成為電池中的電解質,像氧化鋯、氧化鉭等固態電解質已被考慮用於燃料電池及薄膜電池中。氧化銦錫(ITO)是一種常用的透明導電陶瓷膜,許多顯示器與變色玻璃都用到它,當您在觀看液晶螢幕時,它正在為您服務呢!氮化鈦、氮化鋯、氮化鉿、氮化鉭等陶瓷硬膜,除了耐磨外,也具備低電阻與低擴散係數的特性,也是半導體技術上常用的擴散阻礙層,以隔絕半導體與金屬層間的化學反應。

鍍膜技術不只是把材料加以變薄應用而已,有時候反而是藉由鍍膜技術製作出特殊的材料,像近年發展中的碳奈米管場發射顯示器、超級電容以及其他奈米材料等,也多是藉由鍍膜技術成長出來的。

陶瓷鍍膜的製作技術

由於陶瓷材料的硬脆與高熔點,製作陶瓷薄膜的方法就必須採用釜底抽薪之計,讓原子狀態的元素在空中混合,在適當的條件下凝固在物件表面上,或者是以極小的尺寸如陶瓷粉末,利用熱能使之結合在物件表面上。依照原料的初始狀態,陶瓷鍍膜的製作技術可概分為氣相、液相與固相三大類。氣相法又分為物理氣相沈積與化學氣相沈積兩種。前者的原理就好比呵口氣在冷玻璃上,水氣會凝結成水膜一樣,只是在不同溫度下操作而已。

為了確保活潑的原料氣體不會與空氣反應而變質,真空環境是必須的。將鍍膜的原料在真空中加熱氣化或施以電擊使之離子化,再將這些原子與離子凝固聚集在物件表面形成鍍膜,如果將金屬氣化,通入非金屬氣體,當金屬元素遇到非金屬元素時可化合成陶瓷,就可以製造出千變萬化的陶瓷鍍膜。化學氣相沈積法則是將幾種氣體混合,使之發生化學反應,並沈積在物件表面上形成鍍膜。

液相製作主要是將工件浸泡入溶液之中,溶液中的過飽合物從而沈澱在物件表面上,通常再進行乾燥,並像燒瓷器一樣,將之燒結成陶瓷膜。

因為堆疊鍍膜的過程是一顆顆原子累積起來的,因此氣相和液相的鍍膜製造方法速率極慢,不過卻可得到高品質的鍍膜。另一種陶瓷厚膜的製造方式,是將陶瓷粉末以極端快速方式加熱至熔化,將這些熔融粒子噴灑在物件上,堆疊成陶瓷鍍膜,是陶瓷厚層的主要製作方式。

每種鍍膜的製造方法各有其優劣點,可以根據品質、成本、方便性做不同的選擇。事實上關於陶瓷鍍膜的製造與運用,有很多研究人員正不斷在研究創新中。舉凡物理、化學等相關基礎領域的人才,或機械、材料、電機、電子、化工等應用科技領域的人才,正群策群力為鍍膜運用的成功走出下一步。

從以上的一些例子可以發現,生活上常用的各種工具、機械刀具與零件、電子產品,甚至飛機引擎,或多或少都有一些陶瓷鍍膜在上面。雖然它們有時帶有炫麗的色彩,但大多數看起來或黑或白、或稀鬆平常、或無色透明,只是依附在物品表面上的薄薄一層,幾乎讓人忘了它們的存在,但是它們的功能卻大到不可忽視。身為伯樂的您,是否願意加入追尋千里馬的行列呢?
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