相圖與相平衡

三元相圖(ternary phase diagram)

真實的陶瓷很少只有兩種成分。瓷器、爐渣、玻璃、水泥都是三種以上氧化物的雜燴,要把它畫出來,你需要多一個維度。三元相圖以在一個等邊三角形上標繪組成來處理三個組元:每個角是一種純組元,每條邊是其中兩者之間的二元,三角形內部任一點都是一個獨特的三方混合。這是個巧妙的幾何——三個比例永遠加起來是百分之百,所以一個三角形就能在一張平面上捕捉每一種可能的調配。

讀組成需要稍加練習。對三角形內的一點,每個組元的量由該點離「該組元角的對邊」有多遠來讀:越靠近某個角,就越富含該組元。但我們還需要溫度。完整的圖像是一個三維稜柱——三角形在底、溫度往上豎起——上方有像丘陵與谷地般的液相面。由於實體 3D 模型難以使用,陶瓷工作者用兩種方式把它壓平:液相投影把液相面的等溫線(isotherm)畫到底部三角形上,像地形圖;等溫截面則在某一選定溫度把稜柱水平切開,顯示在該溫度、橫跨所有組成時哪些相穩定。

相律也隨之放大:C = 3、壓力固定時,F = C − P + 1 = 4 − P,所以在固定溫度與壓力下,三元最多可有三個相達平衡,而一個不變的三元共晶則有四個相同時相會。重要的系統都很有名:CaO-Al2O3-SiO2 是水泥、玻璃與高爐爐渣的主圖;MgO-Al2O3-SiO2 主宰堇青石與塊滑石坯體及許多耐火材料;Na2O-CaO-SiO2 則是普通窗玻璃與容器玻璃的地圖。陶瓷工作者用這些來設計配料、預測燒成時的第一滴液相、並讀出冷卻熔體會沿三角形走的結晶路徑。

在 Na2O-CaO-SiO2 三角形上設計一款鈉鈣玻璃。把配料標成一點,由它到三條邊的距離讀出三種氧化物的比例,並找出它所在的液相谷地。那位置告訴你熔化溫度,並警告這款玻璃是否危險地靠近某個區域、以致冷卻時會結晶出白矽石或失透石。

三個組元置於三角形上,溫度為第三維;透過液相投影與等溫截面來讀取。

光是一個組成三角形不帶任何溫度資訊——別把一張純粹的三元三角形當成顯示了熔化行為。你需要液相投影(等溫線)或等溫截面;並要當心,平面的 2D 列印隱藏了那個垂直的溫度軸。

又称
three-component diagram三組元相圖Gibbs triangle