硬度
硬度是材料抵抗被刮傷或壓凹的能力,正是這個性質讓陶瓷成為切削刀具、研磨磨料、裝甲、防刮錶面的天然選擇。把兩種礦物互相摩擦,較軟的那個會被刮傷;這個日常測試就是古老莫氏(Mohs)硬度標的基礎,從軟的滑石 1 一路到鑽石 10。陶瓷主宰那標度的堅硬端,因為它們又強、又短、又具方向性的離子-共價鍵,激烈抵抗原子的任何重排,所以很難把它們的表面推開。
工程上的度量是把一個硬鑽石尖端在已知荷載下壓入表面、量它留下永久凹痕的大小:凹痕越小,材料越硬。維氏(Vickers)試驗用一個方錐,報出 HV = 1.854 times F / d^2,其中 F 是荷載、d 是壓痕的對角線,給出以 GPa 或 kg/mm2 計的硬度。這些數值跨度很大:窗玻璃約 5 至 6 GPa、氧化鋁 15 至 20、碳化矽約 25、碳化硼近 30、鑽石則是無與倫比的 70 至 100 GPa。因為尖銳壓頭也會使脆性陶瓷開裂,從凹痕四角輻射出的裂縫長度甚至可用來估計破裂韌性,把硬度與韌性綁在同一個快速試驗裡。
凡是表面必須撐過接觸與磨耗的地方,硬度就很重要:氧化鋁與氮化矽切削刀片、碳化矽與碳化硼磨料、陶瓷軸承、以及碳化硼或碳化矽裝甲板。但這裡有一個直白的誠實提醒,值得記住。硬度通常與韌性相互權衡,因為讓陶瓷變硬的那份差排不可動性,正是讓它變脆的原因。最硬的陶瓷,碳化硼與鑽石,位列最不韌之屬、容易開裂。所以硬度不是強度、也不是韌性;它量的是抵抗壓凹的能力,而一個硬得出色的材料,仍可能被一記尖銳的敲擊震碎。
碳化硼(B4C)被選作輕量防彈裝甲,因為近 30 GPa 的它是已知最硬的材料之一,能鈍化並震碎來襲的彈頭。然而同一份極端硬度伴隨著低韌性,所以板材會因衝擊而開裂,往往在同一點只能擋下一兩發。
極端硬度擋下彈頭,但它形影不離的夥伴——脆性——卻讓同一塊裝甲板開裂。
硬度與韌性通常方向相反:讓陶瓷變硬的那些不可動鍵結,也讓它變脆,所以最硬的陶瓷(碳化硼、鑽石)容易開裂。硬度量的是抵抗壓凹,而非抵抗斷裂。