第二相(second phase)
陶瓷很少是從頭到尾一種純材料。很常見的是,一種不同的材料以各自獨立的顆粒、纖維或口袋散布在主體之中——餅乾裡的巧克力豆、麵包裡的葡萄乾、混凝土裡的碎石。那種嵌入的材料,其組成或晶體結構與周圍基質不同,就是第二相(second phase)。它可能坐落在晶粒內部、依附於晶界、或填在晶粒交會的角落;可能是結晶或玻璃質,可能是刻意加入、也可能是不請自來的雜質。
第二相有三個來路。有些是刻意的補強:攪進氧化鋁裡的氧化鋯顆粒(氧化鋯韌化氧化鋁)、穿織於基質中的碳化矽晶鬚或纖維、或切削刀具裡分散的硬相。有些是配方的天然產物:在三軸瓷(triaxial porcelain)裡,針狀的莫來石結晶與殘餘石英顆粒坐落在玻璃基質中,一次就是三相。有些則是意外——一顆從未溶解的氧化物雜質,或界面上的反應產物。使一顆顆粒成為第二相、而非只是摻質的關鍵,在於它保持為擁有自身邊界的獨立區域,而不是溶進母晶格裡。
第二相是顯微組織設計的一員大將,因為它能在不更動基材的情況下改變性質。一個堅韌的第二相能偏轉、橋接或鈍化裂縫,提高破裂韌性——這正是陶瓷基複合材料與相變韌化氧化鋯的核心。一個熱膨脹不同的第二相,能在冷卻時擠壓或拉伸基質,甚至刻意打開能吸收能量的微裂縫。但同樣的不匹配若不受控便是負債:膨脹差會累積殘留應力,可能讓產品自發開裂,而一個低熔點的第二相能把高溫強度悄悄抽乾。第二相是幫忙還是幫倒忙,取決於它有多少、有多大、以及坐落在何處。
用於髖關節球頭的氧化鋯韌化氧化鋁(ZTA),在氧化鋁基質中分散約 15 % 的細氧化鋯顆粒。當裂縫試圖行進,其尖端的應力觸發那些氧化鋯顆粒轉變晶形並膨脹,把裂縫擠合——第二相成了內建的止裂系統。
一個位置得當的第二相,能在不改變組成的前提下,把基質從脆變韌。
溶進母晶格的摻質不是第二相——那是固溶體。第二相必須保持為擁有自身邊界、物理上分立的區域;兩者的界線,正是燒成溫度下的溶解度極限。