陶瓷晶體結構

同質多形(多形性)

同質多形(多形性)是指同一種化合物、在成分固定不變的情況下,能結晶成不只一種不同的結構。這些不同的結構稱為多形體(對純元素則用同素異形體一詞,如同樣是純碳的石墨與鑽石)。哪一種多形體穩定,取決於溫度與壓力,所以加熱或冷卻一件陶瓷,可以讓它的原子本身重新排成新的圖案。

多形體之間的轉變有兩種型態。位移型轉變只把原子稍微推動一下,彎折或移動鍵結而不打斷它們,所以快速、可逆、在一個明確的溫度發生(573 度 C 的 α 轉 β 石英就是一例)。重建型轉變則真的打斷並重組鍵結,所以緩慢、往往無法走完,這正是高溫多形體能以介穩狀態一路存活到室溫的原因。許多轉變伴隨體積變化,而那體積變化是個危害:若燒成的坯體在多形體翻轉時突然膨脹或收縮,它可能把自己撐裂。

同質多形貫穿了實用陶瓷。氧化鋯(ZrO2)有單斜、正方與立方三種形態,其轉變既威脅它、又在善加駕馭時使它增韌;二氧化矽(SiO2)有石英、鱗石英與方石英三種形態,以破壞性的體積變化困擾著矽質耐火材料;氧化鈦、氧化鋁與氮化硼也都具多形性。誠實提醒:相圖告訴你在平衡下哪種多形體穩定,但真實燒成是一場與動力學的賽跑,所以介穩多形體、甚至玻璃,常在相圖說它們不該存在之處照樣存活。

純碳把這個觀念展現得最戲劇化:又軟又黑的石墨與又硬又透明的鑽石,是同一種原子的兩種多形體(同素異形體),差別只在那些原子如何鍵結與排列。

同一種成分、數種結構,各自在其溫度與壓力範圍內穩定。

穩定的多形體不一定就是你會得到的那個。由於重建型轉變很慢,方石英或正方氧化鋯這類介穩的高溫形態,常在室溫下照樣存留。

又稱
polymorphsallotropy多形性同素異形(元素)