陶瓷化學計量
化學計量是一個化合物固定、整數的配方,化學式裡各種原子各佔幾個。對離子陶瓷而言,這個配方並非任意:它由電中性強制決定,也就是晶體不得帶淨電荷這條嚴格規則。把所有陽離子的正電荷與所有陰離子的負電荷加起來,兩者必須恰好相消。
這一條規則就生成了整個陶瓷化學式家族。若陽離子與陰離子電荷大小相等,得到 AX(Mg2+ 配 O2- 成 MgO;Na+ 配 Cl- 成 NaCl)。若陽離子電荷是陰離子的兩倍,得到 AX2(Ti4+ 配兩個 O2- 成 TiO2);若陰離子帶兩價、陽離子帶一價,得到 A2X(兩個 Li+ 配一個 O2- 成 Li2O)。3+ 陽離子配 2- 氧則得 M2O3(兩個 Al3+ 平衡三個 O2- 成 Al2O3)。混入兩種陽離子時,總和仍須平衡氧:ABO3 中 A 與 B 的電荷加起來為 6(BaTiO3:2 + 4),AB2O4 中加起來為 8(MgAl2O4:2 + 2 times 3)。
所以化學計量與結構是同一枚硬幣的兩面:化學式告訴你離子的比例,結構告訴你它們佔據哪些空隙,以在達成該比例的同時有效堆積。誠實提醒:真實陶瓷常刻意做成非化學計量。像浮士德體(Fe(1-x)O)、氧化鈾(UO2+x)與氧化鈦(TiO2-x)這樣的氧化物,會藉由造出空位或改變陽離子電荷而偏離理想配方,而這種對化學計量有節制的「作弊」,正是我們用來調控其電性與擴散行為的手段。
為什麼是氧化鈦 TiO2 而不是 TiO?這裡的鈦是 Ti4+、氧是 O2-,所以需要兩個氧才能吸收一個鈦的四個正電荷,逼出 AX2 化學式,以及容納它的金紅石結構。
電荷平衡定住化學式;化學式指向結構。
化學式是平衡、無缺陷的理想。真實陶瓷透過點缺陷容許對它的小幅偏離,而那些非化學計量的偏差,往往正是讓陶瓷在電性上有用的原因。