顯微組織及其發展

孔隙率(porosity)

除非你費盡心力去做,否則沒有一塊燒好的陶瓷是完全實心的。散布在它晶粒之間的,是一個個空洞——空無一物的口袋,或被困住的氣體——那是原始粉末顆粒之間的縫隙留下來的,火從未把它們完全閉合。孔隙率(porosity)就是總體積中屬於空洞而非固體的那一部分比例。想想一條麵包或一塊瑞士乳酪:同樣重量的材料,可以壓得緻密,也可以布滿孔洞,而孔隙率就是告訴你它有多「洞」的那個數字。

在數字上,孔隙率 P 與相對密度 D 是同一枚硬幣的兩面:D + P = 1(換成百分比則 D% + P% = 100)。相對密度指的是實際件所達到的密度,佔材料完整理論密度(完全無空洞時的密度)的比例。生坯(未燒的粉末壓塊)可能只有 55 到 60 % 緻密,即 40 到 45 % 孔隙。良好的燒結會把它推到 98 或 99 % 以上緻密——孔隙率低於 2 %。孔隙率可用秤重法量測:秤乾重、吸飽水後的重量、以及懸浮在水中的重量(阿基米德法),或以量得的密度與理論密度相比而得。

孔隙率通常是機械與功能表現的大敵:氣孔是降低強度的應力集中源,它們散射光使多孔陶瓷看起來白而不透明,它們削減剛性以及熱與電的傳導,還讓流體滲漏。常見的經驗式是剛性大致隨 E = E0 times exp(-b times P) 下降,b 約為 3 到 4,因此即便只有百分之幾的孔隙也會明顯軟化一件產品。然而孔隙率並不總是壞事:它被刻意設計進濾材、隔熱耐火磚、觸媒載體、薄膜以及多孔的骨替代支架,在那裡,孔洞正是重點所在。

緻密的氧化鋁耐磨磚燒到理論密度的 99.7 %(0.3 % 孔隙),讓任何氣孔都無法成為破裂起源。用堇青石做的柴油微粒濾芯則刻意維持在 45 到 50 % 的孔隙率,是一塊開放的通道海綿,能攔住煤煙又讓廢氣流過。

孔隙率究竟是缺陷還是特色,全看那件產品必須擔負什麼工作。

光看孔隙率並不能說明全貌。兩塊總孔隙率相同的陶瓷,若一塊有幾個大氣孔、另一塊有許多微小氣孔,其強度可能天差地別——決定損害的是氣孔的尺寸與形狀,而不只是它們的體積。

又稱
pore fractionvoid fraction氣孔率孔隙度