顯微組織及其發展

孔徑分布(pore-size distribution)

總孔隙率告訴你陶瓷裡含有多少空洞,卻完全沒說那空洞是一個大洞穴、還是一百萬個小氣泡。孔徑分布(pore-size distribution)補上這塊空白:它記錄氣孔體積如何分散在各種孔徑上,通常畫成一條曲線或直方圖,橫軸是孔徑、縱軸是每個尺寸對應的氣孔體積(或氣孔數量)。它是氣孔世界版的「一班孩子按身高排隊」——同樣的平均值,底下可能藏著非常不同的分散。

這個分布有幾種量法,各有其尺寸範圍。壓汞法(mercury intrusion porosimetry)在逐漸升高的壓力下,把不潤濕陶瓷的液態汞壓入開放氣孔;華胥朋(Washburn)關係說要把汞壓進更窄的氣孔需要更高的壓力,於是壓力對體積的曲線可直接換算成孔徑曲線,適用範圍從毫米到幾奈米。氣體吸附法(BET 型等溫線)則能觸及最細的奈米孔。對磨面直接做影像分析,則計數並量測顯微鏡下看得見的氣孔。分布可以很窄(氣孔尺寸幾乎一致,往往是你要的),也可以很寬,甚至可能雙峰(兩個駝峰)——透露出例如顆粒間的細孔加上團聚體之間的粗孔。

為什麼要在意分散、而不只是總量?因為在脆性陶瓷裡,單一最大的氣孔通常就是限制強度的瑕疵,而格里菲斯法則把強度綁在那個最嚴重瑕疵尺寸的平方根上——所以兩件總孔隙率相同的產品,若其中一件藏著幾個大氣孔,強度會相差甚遠。在薄膜或濾材裡,最大的氣孔決定什麼東西能溜過去、因而決定過濾的截留尺寸,最小的氣孔則決定流動阻力。真正被濾材、觸媒載體或高可靠度結構件設計者所調控的,是孔徑分布,而非那個乾巴巴的孔隙率數字。

兩批結構用氮化矽測起來都是 2 % 孔隙,但 A 批平均弱了 30 %。壓汞法顯示 A 批的分布有一小段來自軟團聚體的 40 微米氣孔尾巴,而 B 批的氣孔全都在 3 微米以下。禍首是那條尾巴,而不是總量。

折斷脆性件的是分布尾端最大的那個氣孔,而不是平均值。

壓汞法只看得到連通表面的氣孔(開放孔隙),因此可能低估或漏掉封閉的孔。而所用的壓力還可能壓垮脆弱的孔壁,扭曲你正想量測的那個分布本身。

又稱
PSD (pore)pore-size spectrum孔隙尺寸分布孔徑分布