成形缺陷(forming flaw)
當陶瓷斷裂時,幾乎從不是因為鍵結撐不住——而是因為一條裂縫從某個微小缺陷起始、然後奔跑。成形缺陷就是任何在成形步驟中誕生的這類缺陷:一個大氣孔、一顆硬團聚體、一條裂縫或分層、一個被困的氣泡、一片外來物、一塊燒除後留下孔洞的有機夾雜,或一個密度梯度。它是你的成形方法在零件內部留下的指紋,而且往往正是它決定了燒成陶瓷會有多強。
它之所以如此舉足輕重,直接來自格里菲斯:脆性陶瓷的強度由它最糟的缺陷決定,而非由平均品質。強度正比於 K_IC 除以 sqrt(pi times c),其中 c 是缺陷尺寸、K_IC 是破裂韌性——所以最大的缺陷加倍,強度就掉約 30 percent。在一個 K_IC = 3 MPa sqrt(m) 的材料裡,團聚體留下的一個 30 micron 氣孔把強度封在約 300 MPa,遠低於理論鍵結強度。而因為最糟的缺陷因件而異,一批名義上相同的陶瓷會有一段強度分布,不由單一數字、而由韋伯分布來描述——這也是為什麼較大的零件,含有更多缺陷,統計上更弱。
這整個領域誠實而統一的原則是:成形缺陷會被繼承。燒結讓生坯收縮、關閉細小孔隙,卻不會癒合一個大空洞、一條裂縫或一個夾雜——若真要說,燒得太猛反而更糟,因為晶粒長大會把氣孔困在內部、再也出不來。所以你壓進、澆進或印進生坯的缺陷,極可能就在成品裡,坐鎮為那個決定韋伯強度的裂縫起點。這就是為什麼每一種成形方法,最終都以它留下或不留下的缺陷來評判,也是為什麼乾淨的粉末、良好的分散與均勻的堆積如此值錢。
氧化鋁壓坯裡的一顆硬團聚體燒成一個 30 micron 的氣孔。以 K_IC = 3 MPa sqrt(m),格里菲斯給出強度約為 sigma = K_IC / sqrt(pi times c),約 300 MPa——即使同樣的氧化鋁若做到無缺陷,可以強得多。是那一個缺陷、而非材料本身,定下了這個數字。
成形缺陷是限制陶瓷強度的裂縫起點;燒成會收縮它們,卻不會癒合它們。
燒成不會修好成形缺陷——它繼承它們,而燒得太猛還可能把氣孔困進長大的晶粒裡,使它永久留存。這就是為什麼陶瓷量到的強度是一個韋伯分布、而非單一數值,也是為什麼較大的零件統計上更弱。