■邱耀弘/ACMT
摘要
在19世紀以前，陶瓷材料大概就是以容器和食器為主， 服務的是人類的眼和嘴、以及提供觸覺把玩上的感受，那些工匠大師們的精細陶瓷作品更是精雕細琢、美麗晶瑩， 在故宮博物院遠至英國的大英博物館，都有著中國陶瓷工藝品的極致收藏；然而易碎也是大家對於傳統陶瓷的共同認知。到了20世紀的今天，精細陶瓷已經扭轉了這個易碎的觀念，因此，結構陶瓷的分類從誕生到開始攻城略地的佔據材料應用的市場，也不過是近50年的事，我們一起來看看吧!
基礎原理
大家都知道材料在力學性能有非常多的挑戰，其中以大家熟悉的物理量：拉伸力(Tensile force)、壓縮力(Compressive force)、彎曲力(Bending force)、扭轉力(Torsion force) 、衝擊力(Impact force)這五種，堪稱材料的五大耐受力量之標準，
那麼結構陶瓷都能夠承受所有的力學性能嗎？答案是肯定的…沒辦法的！如果沒有評斷的 標準和施力的定量，像是多大的力量、什麼方向施力、反 复施力的頻率、作用的溫度，沒有這些的話，評斷陶瓷材 料的基準將會不公平。
說的直白一點，首先還是要來一點艱深的材料科學理論(請不要打瞌睡，或是如果您睡不著，就看看下一段文字， 可能直接睡著~)：Dr. Q從原子的鍵結(Bond)說起，自然界的材料三大化學鍵結(Chemical bond，有些人認 為氫鍵也算是化學鍵之一)為：金屬鍵、共價鍵與離子 鍵，好，請見圖(1)所示。
●金屬鍵：金屬原子間的鍵結方式，金屬陽離子透過與帶負電的電子間的庫侖靜電力而相互吸引，金屬各個原子間共享遊走於空價軌域的電子云(或稱電子海，所有原子共享電子)而結合成穩定態，因此金屬除了很好的導電性之外，並具有高的延展性(即便是最差的鋅合金， 都超過陶瓷材料的特性)，且有很高的熔點(汞除外)，
並無分子結構，也就是可以單獨一顆原子存在。
●共價鍵：原子間通過共享電子形成的化學鍵，叫做共 價(兩原子共同擁有，但不給別的用)。它通過兩個電 負度相近的原子，例如兩個氧，互相共享其外圍電子以 符合八隅體的鍵結方式結合，因此也有人說這是非金屬 原子間的結合方式。而共價鍵有鍵角及方向的限制，因此不能隨意延伸，
也就是有分子結構。共價鍵廣泛存在 於氣體之中，例如氫氣、氯氣、二氧化碳。有些物質如 金剛石，則是由碳原子通過共價鍵（巨型共價結構）形 成的。共價鍵又可分為非極性共價鍵與極性共價鍵，以 及配位鍵。
●離子鍵：正離子、負離子通過靜電作用形成的化學鍵 稱作離子鍵。兩個原子間的電負性相差極大時，一般是金屬與非金屬，典型的離子鍵材料就是氯與鈉，若他倆要結合在一起，電負性大的氯會從電負性小的鈉搶走一個電子，以符合八隅體。之後氯會以-1價的方式存在，
而鈉則以+1價的方式存在，兩者再以庫侖靜電力因正 負相吸而結合在一起。離子鍵可以延伸，理想的離子化 合物中並無分子結構。
圖2: 康寧產品線，最令人驚豔的還是直接由冷凍庫取出到爐火上加熱的玻璃餐具
圖3: 智慧手機鋼化玻璃( 取自康寧公司企業網站)
圖4: 智能穿戴手錶的玻璃面罩
然而實際上，由於離子間總有極化作用的發生，所以離 子之間的電子云並不可能完全無重迭，因此離子化合 物總是帶有一部份共價性。同時，離子鍵亦有強弱之分。其強弱影響該離子化合物的熔點、沸點和溶解性等 性質。離子鍵越強，其熔點越高。離子半徑越小或所帶電荷越多，
負、正離子間的作用就越強。例如鈉離子Na+的微粒半徑比鉀離子K+的微粒半徑小，電荷密度大，則氯化鈉NaCl中的離子鍵較氯化鉀KCl中的離子鍵強，而氯化鈉的熔點就比氯化鉀的高。
此外，離子鍵的材料會溶於水，必須要避免潮濕的使用 環境。所以，陶瓷結構的基礎在於共價或是離子鍵結， 堅硬高強度但脆性高，可溶解於極性液體則變成罩門， 要能夠知道陶瓷的特性才能適材適用。
結構陶瓷的挑戰
從鍋碗瓢盆到太空飛行的應用其實對於陶瓷材料的特性，用玻璃來說明是最簡單的了，玻璃可以說是最具有代表陶瓷特色的典型例子，它是一種過冷液體(Supercooling liquid)而不是有結晶的固體，很有趣，透明、絕緣、導熱快且易碎，但是卻不導電，有趣的是經過預應力處理，1cm厚的強化玻璃卻堅固異常，用時速150km的棒球(台灣和美國、日本很流行的一種球類，直接命中頭部人會死亡的球)撞擊也打不破它，所以玻璃是率先脫離鍋碗瓢盆而運用在結構上的陶瓷材料。
隨後，1970年代的美蘇太空競賽也帶動人類使用 材料的革命，尤其是美國康寧玻璃公司(Corning Incorporated)旗下的產品大猩猩玻璃(Gorilla Glass)，一再的突破人類過去對陶瓷材料刻板的印象，包含從冷凍庫中拿出來的玻璃鍋直接放到爐火上加熱也不會爆裂、掉下地面也不會破的玻璃咖啡杯以及保護航天員平安回到的球穿越大氣層的航天飛機絕熱貼片，以及大家每天用在手上的手機玻璃面板，康寧公司操作玻璃適應環境的手段真是令人驚艷，而它卻又是那樣親近我們的日常生活。圖(2)康寧的代表產品。
有了玻璃最佳的示範，我們知道在適合的條件下選擇適當的材料，陶瓷也能夠作為結構的支撐，例如厚度極薄(0.08mm)的氧化鋯用來作為手機的觸控按鍵，由於承受的是壓應力且因為具有極高的介電常數，可以到手機壽命結束都還沒有壞到它；用在水龍頭的止水閥片，氧化鋯也能夠發揮其耐磨、密接的特性，並沒有因為自身離子鍵結可被水溶解的⻛險，一直到水龍頭壞掉也都是堅持不漏水的結構設計，這就是陶瓷的好處!!只要設計用對它，尤其是再受壓力的表現，陶瓷的耐受度絕對超過其他材料。
常用的結構陶瓷 力學性能和額外的附屬功能
●玻璃是最大宗的結構陶瓷，遮⻛、避雨、透光是避雨最大的綜合功能，玻璃在結構上的應用通常必須伴隨的附屬功能就是透光，而玻璃的兄弟材料包含甚廣，包含最早發現的琉璃(不純物很高的玻璃)、釉料都算是玻璃的，沒有結晶形式的非晶玻璃到有結晶形式的陶瓷玻璃，如上述的康寧產品，甚至到單晶等級的光學玻璃。
●氧化鋁(Al2O3, Alumina，密度3.45~3.5 g/cc)：這好比於金屬中的鐵，在陶瓷材料的精細陶瓷分類氧化鋁是最被研究透澈的，用途也非常的廣泛，對於化學抵抗和氧化等惡劣高溫等環境的耐受度高，礦源豐富取得容易，說氧化鋁是陶瓷之王一點也不為過，尤其是高溫環境(500~2000℃)的一些工業爐體內襯，氧化鋁磚、 氧化鋁纖維、氧化鋁珠等等提供了工業製造上的穩定可靠，這是結構陶瓷最重要的應用之一；此外絕緣特性也使氧化鋁在電器接頭髮揮耐高溫與絕緣、低比重的多重特性，
其實汽油發動機用的火花塞(Spark plug，台灣管叫火星塞)用的絕緣套管就是氧化鋁所製作的，高壓電纜線的絕緣柱也是氧化鋁製作，在燒結的氧化鋁表面上了一層光釉防止鳥糞和落塵堆積以避免高壓電跳弧。但是氧化鋁鋒芒卻被下面這位老弟給掩蓋了，
主要在於 氧化鋁密度過低，拋光後的表面沒辦法呈現晶亮，只能 作為隱藏背後的王者了。
●氧化鋯(ZrO2, Zirconia，密度5.65~6.0 g/cc)：氧化鋯是陶瓷材料中認性最好的，破壞韌性值直逼鋅合金， 它的力學性能來自結晶轉變的相變化來導引必吸收能量，有點類似於太極拳法的借力使力，將破壞的能量吸收轉變成抑制破壞的有趣特性，為了減少篇幅的佔據， 有關氧化鋯的材料特性，Dr. Q再另寫一篇”陶瓷的鋼鐵人”專門介紹氧化鋯這支材料、加工工藝以及應用。
氧化鋯由於密度高，拋光後有一種晶瑩剔透的高極瓷器質感，在手錶和珠寶首飾業者被頻繁的添加不同色料所使用，隨著被手機產業興盛，氧化鋯的韌性和裝飾性也受到標榜式的幾家手機廠採用，作為智能手機外殼姑且不論，還被奉為未來5G手機必選用之材料，把玻璃這個材料真的當透明瓷材料給視而不見，足見氧化鋯的科技魅力，更有公司稱之為微晶鋯的上位名詞，花招和吹捧把陶瓷的本質掩蓋過去，真的不是好事!
●其他結構陶瓷，屬於窯爐內耐高溫的陶瓷類別我們就 在環境耐受陶瓷篇來說明。
