生活化的結構陶瓷
102/01/09
瀏覽次數
30808
李京桓｜
成功大學材料科學與工程學系
黃肇瑞｜
成功大學材料科學與工程學系
結構陶瓷是一種具有高溫穩定性、耐腐蝕、高抗壓強度、耐磨損等性能的陶瓷材料，包括各種金屬氧化物、碳化物、氮化物、硼化物、矽化物等。由於大部分陶瓷重量都比金屬輕，甚至可能只有後者的40％，因此可以減輕機械的負擔並節省能源。現今，陶瓷材料已廣泛應用在耐磨元件、車削刀具、熱交換器、引擎元件、生醫、軍事及太空上。
結構性陶瓷與金屬有什麼不同呢？由原子鍵結的觀點來看，金屬材料的原子間鍵結是金屬鍵，原子外層的電子可以自由活動，原子間共有許多游離電子，因而鍵結強度較小，也沒有方向性。相對地，結構陶瓷的主要鍵結是共價鍵及離子鍵，電子無法自由活動，只能由相鄰的原子共有，這種鍵結方式使得陶瓷鍵結強度比金屬鍵強了很多。
氧化鋁、氧化鋯、碳化矽、氮化矽是最廣為應用的陶瓷材料，有「結構陶瓷四大金剛」的美譽，以下逐一闡述其特性。
氧化鋁
氧化鋁在地球上的蘊藏量僅次於氧化矽，使得氧化鋁陶瓷價格低廉且應用最多。1930年代，德國的西門子公司首先把氧化鋁開發為汽車用的火星塞絕緣體，開啟了商用氧化鋁材料的應用。之後數十年，隨著交通運輸業與電子工業的快速發展，業界大量地研發與生產引擎用的火星塞及半導體IC用的絕緣性陶瓷。
現今，氧化鋁已廣泛用於個人電腦的基板、電子零組件、電路等，除了因為製作成本低廉、取得容易、具備足夠的機械強度、不錯的熱傳導能力及化學穩定性等優點外，又能與鎢、鉬－錳等金屬線路材料形成穩定的連結，因此成為電子產業中非常重要的材料。
由於完全緻密的氧化鋁在可見光區是透光的，且熔點較一般玻璃高出許多，優異的抗腐蝕特性也適合應用在高溫、高壓的環境中，又因工程師已能徹底消除孔洞（孔洞率須小於0.1％），所以隨著陶瓷製程技術的逐步改良，使其能廣泛地應用在照明、光學儀器等領域。
在公路或隧道裡頭的路燈，倘若使用一般玻璃燈管，便容易發生霧化現象。當改以具高發光效率的高壓鈉燈做為主要照明設備時，為了抵抗其中金屬氣體的腐蝕性，便使用具透光性的氧化鋁做為燈管材料，以增加燈泡的使用壽命。
氧化鋯
氧化鋯具有特殊的強化結構，是目前室溫下機械性質最佳的結構陶瓷。若把氧化鋯陶瓷摔到地上，不僅不會碎裂，反而會彈起來，因此又有「陶瓷鋼」的美譽。
過去製作人工關節、骨釘、人工牙根等生醫材料常使用氧化鋁，這是由於氧化鋁在體液中非常穩定，幾乎不會與身體組織反應，或釋出對人體有害的離子，避免了生醫材料與生物組織間容易產生鬆脫與離子釋出等缺點。近年來有使用氧化鋯取代氧化鋁的研究，因為氧化鋯有更好的強度與抵抗破壞、磨損的能力，更適合做為人體硬組織的替代材料。
此外，由於氧化鋯優良的機械性能，有更多功能性的應用。例如因為其熱傳導係數較低，所以適合設計為引擎渦輪轉子的熱屏障塗層，可使引擎的最高使用溫度提升攝氏50～200度，並使引擎的效率增加6～12％。另外，因為具有在高溫氧化與還原環境下穩定、高氧離子導電性、薄膜加工性高且無害等特點，也使得氧化鋯適合做為固態氧化物燃料電池的電解質材料。
碳化矽
一般氧化物陶瓷及金屬材料無法使用於高溫環境中，但非氧化物陶瓷卻有機會辦到。例如碳化矽材料在汽化管道、熱電偶套管、燃燒器零件、高效能發動機、坩堝、耐火材料及熱交換器、發熱體、研磨材上都已有廣泛的應用。由於碳化矽的熱傳導係數較其他結構陶瓷高，相當適合應用在高溫型熱交換器上，回收工廠廢氣或廢水中所含的熱量。
這種陶瓷熱交換器與金屬熱交換器在性質上有很大的差異，一般傳統金屬熱交換器使用溫度在攝氏1,100度左右，壽命只有一、兩年，而碳化矽熱交換器大部分使用在攝氏1,300～1,400度，有的甚至使用在攝氏1,600度以上，且壽命更長達10年。碳化矽熱交換器比金屬熱交換器擁有更高的效能、使用溫度、耐久性及效率，可以更節能與提升生產力，並對環境改善有很大的幫助。
氮化矽
氮化矽陶瓷主要應用在高溫結構材料上，特別是在攝氏600～1,000度之間，它具有極佳的高溫強度，同時具備耐熱、抗腐蝕、耐磨損等特性，適合做為高效率渦輪引擎零件、內燃機零件、切削刀具、陶瓷軸承、耐火材料等。目前已有量產的氮化矽零件與成品，可大幅減少燃料使用量，降低廢氣汙染，提高輸出功率。
現今最具代表性的是氮化矽微型渦輪轉子，因為比重低，機械強度又可與金屬材料比擬，所以在高速運轉的條件下，離心力可望大幅降低，減輕微型轉子損壞的機率，並大幅提升渦輪加壓的功率。
陶瓷強化的設計概念
結構陶瓷雖然有許多引人矚目的特性，但是其本質的高脆性卻容易引起災難性的破壞。為了克服這一缺點，科學家便運用各種補強技術，透過設計一個有起伏粗糙的破壞面，有效地增加破斷面的面積，彌補了陶瓷機械性能的不足。
以在氮化矽陶瓷材料中添加強化物為例，當未添加強化物的氮化矽材料中發生破裂時，破裂路徑會非常平滑。當在氮化矽材料中添加顆粒狀強化物時，往前延伸的裂縫會有小角度的轉折。但若添加大的鬚晶強化物，可觀察到裂縫偏折程度更為明顯。以上各種設計概念的材料破壞韌性（註）分別是4、7及10 MPa‧m1/2，因此隨著轉折角度越大，破斷面積也隨著增加，但總韌化效果仍然有限。
1990年，Clegg在《自然》（Nature）雜誌上提出模仿生物材料的顯微結構特徵，來設計並製作高性能的陶瓷材料，這稱為仿生結構設計。這概念在當時受到材料界的注目，短短幾年內相關的研究有很大的發展，特別是模仿貝殼層狀結構的層狀複合陶瓷。
科學家發現，優良的機械性能是由簡單的化學組成但卻細微的顯微結構所達成的。例如在強弱鍵結的氮化矽∕氮化硼層狀複合材料中，裂縫在氮化硼為「弱」的中間層出現明顯的偏折，若把裂縫局部放大，也顯示摩擦滑移與塊狀剝落等能量損耗機制。這裂縫的行進路徑呈簡單的周期性幾何波形，強化效果明顯提升，使得破壞韌性達約16 MPa‧m1/2。
由Ritchie教授研究並刊登在《科學》（Science）雜誌上的成果報導，說明了如何透過新穎的顯微結構設計，來強化結構陶瓷抵抗破壞的能力。當在一般的氧化鋁中摻雜工程塑膠，並形成有如磚塊互相堆疊的設計時，其破壞韌性值可到達30 MPa‧m1/2，不僅較隨意混合的氧化鋁∕工程塑膠複合材料的2 MPa‧m1/2高出許多，也較現階段所有新型結構陶瓷優異。
這種複合材料的強化機制引起科學家很大的興趣，他們發現除了裂縫偏折外，工程塑膠的撕裂行為與出現額外摩擦阻力等破壞模式，會使裂縫延伸時所需要的破裂能量增加，因而阻止突發性的破壞發生。
研究現況
奈米科技是在20年前才逐漸發展起來的前瞻性及整合性新興科學領域，對21世紀的經濟、國防和社會有重大影響。其中奈米陶瓷製程開發的目的，在於降低材料內部的大缺陷，使材料的顆粒與缺陷都能控制在奈米尺寸，以改善陶瓷材料脆性斷裂的行為。目前已發現一些具有商業價值的成果，如奈米氧化鋯陶瓷的高溫熱處理溫度，比一般粗顆粒氧化鋯陶瓷低了攝氏400度，或把奈米碳化矽粉體加入粗顆粒碳化矽粉體中，陶瓷的機械性能可提高25％之多。
欲探究奈米陶瓷對現代科技的好處，必須把視野縮小到微∕奈米尺度，以了解奈米陶瓷的機械強化機制。研究顯示在奈米陶瓷與粗顆粒陶瓷的微區結構中，都包含有較硬的六角狀顆粒以及較軟的灰色連續相，當外力施加時，兩種材料內部都會產生粗黑色的裂縫。奈米陶瓷由於裂縫密度較高，力量分散與滑動摩擦等吸收外施破壞能量的機制因此較明顯，使其呈現較優異的抵抗破壞能力。相對地，在粗顆粒陶瓷中，由於外施力量集中在少數幾個裂縫上，使材料容易損壞。
近年來，全球對於高精密度、高耐磨耗、高可靠度的微小機械零組件或電子元件的要求日漸殷切，陶瓷產品的需求因而相當受到重視。在科學領域方面，奈米陶瓷的性能評估尚待開發與確立；在應用領域，如何聰明地組合不同結構陶瓷或其他材料，以改良機械性能或功能性用途，從而提升能源使用效率並降低器件耗損，也是未來的重大挑戰。
註：破壞韌性是評估材料抵抗破裂的能力，常用的金屬、陶瓷及塑膠的破壞韌性分別是10～100、3～10及1～5 MPa‧m1/2。
