剛性

剛性回答一個簡單的問題：當你推或拉一個東西時，在你放手、它彈回原狀之前，它會屈服多少？一把鋼尺稍微彎一下就彈回筆直；一條橡皮筋在同樣的拉力下卻能伸得很長。鋼比較剛。陶瓷是我們手上最剛的固體之一。燒過的陶瓷是原子被強離子鍵與共價鍵鎖進剛硬籠子的泥土，要拉伸這樣的固體，就等於直接去拉那些又短又強的鍵，而它們會激烈抵抗。這就是為什麼一根氧化鋁棒幾乎不彎，換成同尺寸的鋁棒卻會明顯地彎垂。

衡量剛性的數字是楊氏模數（Young's modulus），寫作 E。在彈性範圍內，也就是材料能完全彈回的範圍，應力與應變同步增加：sigma = E times epsilon，其中 sigma 是應力（單位面積上的力），epsilon 是應變（伸長的比例）。E 就是那條直線的斜率，斜率越陡代表材料越剛。陶瓷的 E 非常高：氧化鋁（Al2O3）約 380 至 400 GPa，碳化矽（SiC）約 450 GPa，鑽石超過 1000 GPa，相較之下鋼約 200 GPa、鋁約 70 GPa。因為 E 來自原子鍵本身的剛度，它是一種整體的鍵結性質，各個零件之間變化不大；只有當固體被稀釋時（例如被氣孔稀釋）它才會下降，因為空的氣孔不承載荷。

凡是形狀在受力時必須守住尺寸的地方，剛性就很重要：精密工具機底座、半導體晶圓載台、望遠鏡鏡坯、切削刀片，都利用陶瓷的高 E 來維持剛硬、不振動。但剛性會一路走到突如其來、毫無預警的脆性破裂，因為陶瓷不像金屬那樣能屈服卸載。這裡最誠實的重點是：剛性不是強度。一塊很剛的陶瓷，若藏著一個壞瑕疵，仍可能在很低的應力下就斷。E 告訴你把材料彈性地彎曲有多難，而不是它在碎裂前能承受多大的應力。