混合氧化物法
製作陶瓷粉末最古老、至今也仍最常見的方法簡單到近乎難為情:把原料粉末拿來,混合,再烘烤到它們反應。這就是混合氧化物法(mixed-oxide route),有時被暱稱為「搖一搖再烤一烤」。舉例來說,要做鈦酸鋇(BaTiO3),你就秤出碳酸鋇(BaCO3)與二氧化鈦(TiO2),一起研磨,再燒這混合物,讓兩種固體反應成你真正想要的化合物。它是工業的主力,因為起始的氧化物與碳酸鹽便宜、量大、又好儲存。
反應完全在固態下發生,不經熔化,而這正是它又慢又難搞的原因。原子必須跨過兩顆不同顆粒相接的邊界擴散,長出一層產物,而這層產物又擋住原子所需的通道。因為一個擴散的原子可能得走過整顆顆粒的寬度,所以當粉末夠細又充分混合時,反應會大幅加速,於是經典配方是一個重複的循環:混合、煆燒(calcine,燒到反應)、再球磨(mill,研磨)以打碎已反應的塊、露出新的未反應物,往往還要再混合-煆燒-球磨一次,直到反應完全且均勻。每一輪都讓混合更均質,並縮短下一次燒製要跨越的擴散距離。
混合氧化物法之所以受推崇,是因為便宜、可放大到噸級、又寬容耐錯,大多數量產陶瓷,從火星塞到電容器介電體到肥粒鐵磁石,其實都是這樣做出來的。它誠實的弱點正是簡單的反面。因為混合的好壞終究看你球磨得如何,某些區域可能某一成分偏多,留下不想要的第二相。反覆的高溫燒製會使粉末粗化並長出硬團塊,而每一道球磨都有把磨機本身磨進批料的風險。當任務要求極高純度、極細、或完美的化學均勻性時,工程師就會改用濕式化學法。
經典的鈦酸鋇:BaCO3 + TiO2 加熱到約 1100 至 1200 度 C,得到 BaTiO3 + CO2。碳酸鹽在分解時方便地釋出二氧化碳,推動反應向前;但任何未反應的 TiO2 都會留下一個富鈦的雜相,損害電容器的性能。
固態反應加上一個有用的氣體副產物:便宜又可放大,但均勻度只等於混合的好壞。
研磨並不會讓粉末反應,它只是縮短原子必須擴散的距離、更新接觸面。真正的反應是靠燒製時的固態擴散完成的,這就是為什麼粗而混合不良的批料,不管燒多久都反應不完全。