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陶瓷與人類文明：不可忽視的陶瓷鍍膜

93/03/08 12327

何主亮｜逢甲大學材料科學與工程系

張景棠｜逢甲大學材料科學與工程系

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？

資料來源

《科學發展》2004年3月，375期，16 ~ 23頁

科發月刊(5221)

陶瓷與人類文明：不可忽視的陶瓷鍍膜

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