基礎:什麼是陶瓷?
氧化物陶瓷
這是家族中最常見的一支。氧化物陶瓷是金屬(或矽)與氧的化合物:氧化鋁 Al2O3、氧化鋯 ZrO2、氧化鎂 MgO、二氧化鈦 TiO2、二氧化矽 SiO2。鐵鏽是鐵的氧化物;氧化鋁是鋁的氧化物;兩者都是金屬與空氣中的氧完全結合後的產物。某種意義上,氧化物是已經燒過的材料,所以安於被放著不動。
因為氧的電負度很高,金屬-氧鍵有強烈的離子性,其結構是把氧離子密堆、金屬陽離子塞進空隙裡(結構章節會替它們命名:岩鹽結構的 MgO、剛玉結構的 Al2O3、螢石型的氧化鋯、金紅石結構的 TiO2)。實務上的後果是:氧化物已經氧化,所以在熱空氣中格外穩定(不像碳化物與氮化物會燒起來),它們又硬又耐火,而且多半是優異的電絕緣體。單單氧化鋁就是技術陶瓷的主力,火星塞絕緣體、電子基板、耐磨件,以及純度 99.9% 的燈用透光窗。
氧化物橫跨從傳統到尖端的整個範圍:茶壺裡的黏土與二氧化矽、髖關節植入物裡的高純度氧化鋁、被韌化後用於刀刃與牙冠的氧化鋯、你手機裡數十億顆電容中的鈦酸鋇 BaTiO3、燃料電池中傳導氧離子的 YSZ。唯一誠實的弱點是:它們在空氣中的穩定並不延伸到強還原或酸性環境;而有些(例如純氧化鋯)必須經化學穩定化,才能撐過自身在加熱與冷卻時的相變。
火星塞絕緣體是氧化鋁(Al2O3):它得在數千度的燃燒中維持完美的電絕緣、又不氧化,對氧化物來說輕而易舉,因為它已經沒有什麼可以再交給周遭的氧了。
金屬加氧:離子性、硬、耐火、絕緣,且在熱空氣中穩定。
氧化物最大的優勢,已經氧化、故在空氣中穩定,正是非氧化物陶瓷(碳化物、氮化物)所缺乏的;這個取捨是高溫下陶瓷選材的主軸。
另见