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文／楊嘉慧
審稿／台灣大學材料科學與工程學系博士 林頌恩
圖為利用高純度、超細粉末加以處理成形的精密陶瓷。
（影像來源：達陣科技股份有限公司）
陶瓷是我們日常生活中非常重要的應用材料，尤其在 1940 年代之後，由於化學及材料工業迅速發展，使得陶瓷的使用從傳統的器皿、衛浴用品、壁磚，擴大至目前的資訊電子、生醫、機械、能源、通訊等產業，如CPU 承載基板、多層電容器、人造牙齒、人工關節、引擎汽缸、切削加工刀具、太陽能電池、燃料電池等，都可見到陶瓷的應用。
燒結帶來的緻密性
陶瓷是泛指將具離子鍵的非金屬無機材料製成粉末狀，再以高溫燒結製成的各種產品。燒結過程原子會重新排列，使粉體顆粒逐漸長為晶粒。晶粒長大速率的快慢，會影響晶粒與晶粒間的孔洞大小，長大速度過快或過慢，都會降低緻密性。一般而言，燒結溫度及時間不足，成品的孔洞會增多、增大；燒結溫度及時間適中，緻密度會越好，強度、硬度也會相對增強。但若燒太久，會使得晶粒變大，強度下降；溫度過高，晶粒長大速度過快，則會使孔洞被晶粒包在其中，降底緻密度。
陶瓷依使用原料以及純度不同，產品的特性可相差很多。傳統陶瓷如一般熟知的陶瓷器皿、磚塊，都是用混雜多種化學物質的黏土製成，如氧化矽、氧化鋁、氧化鈣、氧化鎂、鉀長石、鈉長石、雲母等氧化物，再利用窯燒而成。不同地區的黏土所含成份與比例各不相同，燒結出來的器皿顏色、表面粗糙度等也各有差異。
精密陶瓷是 20 世紀才研發出來、應用在汽車、手機、電腦、醫療的陶瓷產品，以粉體、塊材、薄膜三種型態應用，如二氧化鈦粉體應用於油漆與造紙業；氧化鋁薄板應用於 IC 晶片的承載基板。精密陶瓷使用的都是高純度原料，如以化學合成法製作得到高純度粉體。高純度的優點是可以掌握分子特性，製作出所想要的產品特性，如高硬度、耐高溫、透光性或導電性等。
挑選原料，創造不同特性的精密陶瓷
精密陶瓷主要分成結構陶瓷、電子陶瓷與生物陶瓷。結構陶瓷的特色是高溫機械性質，電子陶瓷是具光、電、磁特性，而生物陶瓷則可用於生物體內，三者的特性與使用原料的分子結構有關。
陶瓷原料的分子都含有一定比例的陰離子及陽離子。陰、陽離子的電性相差越多，它們形成的化合物「離子鍵性」越高，反之則「共價鍵性」高。大部份陶瓷材料的分子鍵結都具有兩種鍵性。
共價鍵性強，高溫機械性好
結構陶瓷材料主要以共價鍵結合，並含部份離子鍵，亦即該陰陽離子的電性相差較少，材料鍵結力強，不易被打斷；再加上各原子間的堆疊方式均呈三維堆疊，結構穩固，因此結構陶瓷產品均具高硬度且耐高溫的特性，加熱至上千度，鍵結才可能被打斷，如碳化矽、氮化矽。
一般用來切割的陶瓷刀具是將碳化矽、工業鑽（人造鑽石）或蘇聯鑽（氧化鋯單晶）壓成粉狀，鋪在塗有金屬黏結劑的金屬表面上，再以適當溫度燒結，讓碳化矽或鑽石粉鑲嵌其上；而陶瓷不沾鍋則是金屬鍋具上塗上一層包括氮化物或工業鑽石、碳化矽等薄膜，增加耐磨能力；再如裝在機車上的陶瓷汽缸，是於鋁矽合金基材內，鍍上碳化矽及鎳的複合鍍層，使其耐磨耗能力更佳、熱傳導更快。
不過陶瓷產品對裂縫成長的抵抗力（即強度）有限，所以儘管硬度高、耐磨，卻很容易因外力而破裂，於應用上有一定限制。例如陶瓷刀便不適合用來剁骨頭，否則會產生裂痕或缺口；再如應用在汽車上的陶瓷汽缸，也不是以陶瓷材料製成整顆汽缸，因為運作過程會震動，故必須以延展性好的金屬當外殼，將陶瓷材料噴在內壁。
提升陶瓷可靠度的做法有很多種，例如避免使用大物件的陶瓷材料，同一材料，物件越大，其強度與可靠度都會降低，所以陶瓷薄膜、微小電子元件與感測器等，在應用上較有利；將陶瓷表面拋光加工，消除表面的淺裂縫，也可以提升強度。
離子鍵性強，易創造光電磁特性
隨處可在電子產業見到的陶瓷產品，多半具有光電磁特性，它們主要以離子鍵結，多數為氧化物，其鍵結較結構陶瓷弱，原子容易被置換，所以可使其產生半導體特性，或創造出光、電、磁等特性，進而具備特殊功能，代表材料如二氧化鈦、氧化鋅、電容式透明觸控螢幕（Indium Tin Oxide，ITO）、透明導電氧化物等。
假設在離子鍵性強的氧化鋅中以適當比例的鋁離子（Al3+）取代鋅離子（Zn2+），晶體結構會出現很多電子，從而提升導電特性；再如氧化鋁單晶中摻入三價鉻（Cr3+），會使原本透明的氧化鋁單晶透出紅光，即成為所謂紅寶石；若在氧化鋁單晶摻入鐵離子和鈦離子（Fe2+、 Ti4+），就會變成藍寶石。具光電磁特性的陶瓷應用很廣，像紅藍寶石目前可用來激發雷射光；冷氣機的濕度感測器也是陶瓷產品，其原理是透過陶瓷吸水的特性，改變電阻，藉由電阻的變化，感測環境濕度變化。
可與人體相融的生物陶瓷
陶瓷產品也應用在生醫產業，最常用來修復人體的硬組織，如人造牙齒、人造關節、接骨螺釘等。生物陶瓷的耐熱性比可用在人體的金屬或高分子材料佳，便於進行高溫滅菌；其製程中，還可經過設計，模仿人體骨骼的微小孔洞，比金屬或塑膠材質更接近人體。
生物陶瓷產品的原料選擇，優先考量的不是共價鍵性或離子鍵性的強弱，而是原料必須具備無毒害、不會引起異常代謝、和細胞等生物組織的親和力佳、不會致癌、沒有免疫排斥等特點。此外，原料的化學性也要穩定，在 10~20 年的長期使用中，表面不能變質，強度也不可降低。
目前，生物陶瓷中的接骨螺釘、人造膝關節、指關節等，常用化學性質穩定的氧化鋁製成；人工假牙也可使用氧化鋁為原料製成，其顏色、導熱性等與牙齒相近；製造人造關節則使用磷酸鈣系陶瓷，例如與組成骨骼等硬組織的無機鈣質成份幾乎一樣的羥基磷灰石[Ca10(PO4)6(OH)2]，可見得其應用也相當廣泛。
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延伸閱讀
- 〈壓電陶瓷及導電陶瓷〉，蘇明德撰文，《科學發展》2010年2月號
- 《電子陶瓷》，吳朗著，全欣資訊圖書出版
- 《功能陶瓷材料》，曲遠方著，曉園出版
- 高二課本《化學》下冊
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【本文轉載自科學Easy Learn網路版‧行政院國科會補助案】
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