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生活化的結構陶瓷

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。其中,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。
 
 
 
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
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