熱分解(thermal decomposition)
許多陶瓷粉體不是靠把東西結合起來製成,而是靠加熱把一樣東西拆開。熱分解是這樣一種反應:單一固體受熱時,裂解成一種新的固體加上一種逸散的氣體。烘烤石灰石,它變成生石灰,同時吐出二氧化碳;加熱氫氧化鋁,它變成氧化鋁,並趕走水蒸氣。氣體離開,固體轉變,你就得到了想要的氧化物。
教科書上的例子是碳酸鹽的煆燒:CaCO3 受熱生成 CaO 加 CO2 氣體。氫氧化物的行為相同——Al(OH)3 或水鋁石(boehmite)分解成 Al2O3 加 H2O。有兩件事讓這些反應與眾不同。第一,它們由氣體的逸散所驅動:移走氣體產物(或降低它的分壓)會把反應往前拉,而每種反應都有一個溫度,高於它時反應想產生的氣壓超過周遭環境,於是分解便進行。第二,它們在固體上留下指紋:當氣體從原本緻密的晶粒中衝出,會撕開一個高度多孔、高比表面積的產物——一種很適合下一步燒結的活性粉末。質量損失往往很大;煆燒 CaCO3 會以 CO2 的形式損失約 44% 的重量。
熱分解(煆燒)是陶瓷製程中標準的早期步驟:它把便宜、易純化的前驅物——碳酸鹽、氫氧化物、硝酸鹽或草酸鹽——轉化成氧化物,燒掉揮發物,並在成形與燒成之前定下粉體的相與比表面積。誠實的提醒很實際。反應常受氣體能多快逸出產物層所控制(一種擴散與傳輸的限制),所以升溫太快可能困住氣體,使坯體膨脹或開裂;而表格中列出的分解溫度假設氣體能自由離開,這在一堆緊密堆積的粉末深處並不總是成立。
煆燒碳酸鈣製造生石灰:CaCO3 加熱到約 800 到 900 度 C 以上會釋出 CO2,留下多孔的 CaO。同樣的邏輯把氫氧化鋁變成氧化鋁粉末,把金屬碳酸鹽或草酸鹽變成電子陶瓷的氧化物原料。
熱分解:加熱把一種固體裂解成一種新固體加上一種逸散的氣體(碳酸鹽變氧化物加 CO2),留下多孔、活性的粉末。
表格中的分解溫度假設氣體能自由逸出。在緻密或厚實的坯體內部,氣體必須擴散出來,所以被困住的氣體會膨脹、開裂、或拖慢反應——這就是為什麼黏結劑燒除與煆燒需要緩慢、通風良好的升溫排程。