摩登「新石器」——精密陶瓷

中國的老祖宗幾千年前就發現陶瓷耐酸、不腐蝕的特性，用它來醃製醬菜。

現在，這項材料更被用在工業上，還帶給人類下一世紀材料運用上的新希望。

陶器與瓷器在古老的中國，一直是民生的主要用品，舉凡碗碟、茶器、花瓶……等，幾乎都仰賴陶瓷。實用之外，精緻的手藝與燒窯技術更聞名於世，談到中國文化，西方人很自然就會聯想到中國的陶瓷，甚至在英文裡，中國與陶瓷還是同一個字。

高速公路上的照明設備，就是用陶瓷材料做的鈉燈管。（下圖為國立工業技術研究院提供）。（鐘永和）

「新陶瓷」問世

晚近由於塑膠與金屬製品的大量開發與使用，逐漸取代陶瓷用品的地位。但事實上，陶瓷正改頭換面，以另一種姿態，不拘形式地潛入每一個人的生活中。

日常觸目所及的東西，如打火機、瓦斯爐的點火器，音響、電視機內所用的電容器，錄音機、錄影機的磁頭，乃至於烹飪器具的新寵兒微波爐與電磁爐等，都是陶瓷出沒的新領域。有別於傳統陶瓷，它們叫做「新陶瓷」或「精密陶瓷」。

如何「精密」呢？成功大學材料研究所教授洪敏雄指出，最主要是原料上的講求。

傳統陶瓷器皿為捏土燒窯；黏土是種化合物，主要成分有氧化鋁，氧化矽及水等，因其成分與結構的不同，可以做出不同質感的成品。像江西景德鎮、台灣鶯歌都是靠著當地土質，成為著名的陶瓷器中心。

傳統陶瓷的原料是直接取自大自然，精密陶瓷則多經一道分解、提煉的手續，取出純度高、細顆粒的氧化鋁，氧化矽、氧化鎂等，再根據需要，加以調配。

經過粉末原料的純化，以及燒結技術的加強後，不但強化了傳統陶瓷堅硬耐磨、不腐蝕、耐高壓、耐高溫等特性，依化合物的成分及晶體結構的不同，又能調配出種種具不同特性的材料。

就是用陶瓷材料做的鈉燈管。（鐘永和）

做成日本「國寶」

例如：以氧化物為主的陶瓷粉末，晶體結構會隨溫度改變而變，被日本奉為「國寶」的陶瓷感測器，就是利用它這個特性。在微波爐內壁中裝上一小片感測器，當食物濕度到一定地步，晶體結構產生變化、觸動電流開關，因此可以自動控制解凍時間。大樓的自動警報系統，也是同一個原理。

有的陶瓷材料絕緣特佳，薄薄一層就能抵擋住巨大電流，又能快速散熱，用在電路板上，可以進一步提高元件排列密度，對電子、電腦產品朝向「輕薄短小」發展，幫了很大的忙。

在堅硬度方面，屬於精密陶瓷的碳化矽硬度僅次於鑽石，價格卻比鑽石便宜了將近三分之一，在工業運用上，可取代鑽石，做為各項切割、研磨工具。

此外，由於它不會腐蝕，也已被用來製造人工骨骼，供醫療方面的運用；因為耐高溫，快速飛行時會與大氣層磨擦產生超過金屬材料能承受的高溫的太空梭外殼、飛彈彈頭、火箭噴火口，依賴陶瓷材料，更是必行的趨勢。

陶瓷粉末是影響精密陶瓷成品品質的關鍵。（鐘永和）

冒險家的樂園

一九八三年，美國開發出陶瓷引擎，雖然因為成本偏高、品質不穩定，至今尚未商品化，但已震撼工業界。目前所用的金屬引擎，使用時會發熱，必須用一個冷卻器來降溫，大量的能源就在這一熱一冷間損耗掉；而陶瓷材料，由於有耐高溫，及散熱的特性，不必再冷卻，車子也就不必拖著一大堆冷卻器滿街跑，再加上質料輕、耐磨損，可以節省將近一半的能源。

小至電子零件，大到太空科技，精密陶瓷已經逐漸散佈在現代人的生活中。正如配藥，不同的成分、劑量會產生不同的療效，在相生相剋之間，甚至有「以毒攻毒」、「負負得正」的效果；像一般傳統陶瓷都是絕緣體，精密陶瓷卻開發出導電材料，現在熱門的高溫超導體正是精密陶瓷之一。

成大材料研究所教授洪敏雄指出，由於陶瓷粉末是一種化合物，往往添加一種元素，就產生令人意外的變化。「周期表上的元素雖然只有一百多種，但加上它們的氧化物、碳化物，及各種組合方式，可以產生的氧化，至今仍是一望無際的浩瀚領域」，他說。

已經運用在生活中或工業上的陶瓷成品： 火星塞。（國立工業技術研究院提供）（國立工業技術研究院提供）

最公平的材料來源

「這也是一種最公平的材料來源」，一位材料工程博士指出，精密陶瓷不似地球上另兩種主要材料——金屬及塑膠，那個國家得「地」獨厚，擁有礦藏就佔優勢。陶瓷原料源大家都觸手可得，「完全比技術」，他強調。

事實上，精密陶瓷的興起與它這種「公平、普遍性」密切相關。第二次世界大戰時，由於許多製造武器的重要金屬，如鈷、鎳等礦藏多控制在共產國家或政局不穩定的第三世界國家手裡，美國於是另闢蹊徑，發展來源不虞匱乏的陶瓷材料。一九六○年代以後，英國、西德、日本也相繼投下大筆研究經費，資源稀少的日本尤其積極，也已得到相當回饋。「光是感測器運用在微波爐上，就不知道賺了多少錢」，工業技術研究院工業材料研究所陶瓷組主任汪建民說。

我國目前也把材料工程列為重點發展科技之一，國內兩大科技重鎮——工業技術研究院、中山科學研究院，以及各大專院校在精密陶瓷的研究上，已經有了初步的成果，一些切削工具、研磨器、IC的封裝與基板、感測器元件等，都已開發成功，並正嘗試將技術轉移給民間廠商，以進行大量生產。

絕緣體。（鐘永和）

碎碎不平安

但是就像塑膠，質輕是優點，怕火即是缺點；陶瓷材料雖然變化多，也有它不易克服的短處——容易脆裂。

做為傳統家庭用品，通常打破一隻碗、摔破一支花瓶，並不是什麼大不了的事，或許說句「碎碎平安」，就可一笑了之；但發展為工業用途，就不能稍有差池，態度自然要嚴謹得多。

到目前為止，雖然已有些「配方」可使陶瓷材料的強度加大，容易脆裂的「弱點」仍是各國對它較為頭痛的地方。而且，這個領域中的許多部分人類都還未知，往往東西做出來後，才發覺跟預期結果有段差距，卻又無法準確地知道是那個階段出了問題。

「高溫結構陶瓷的可靠性差，大量生產時，每批產品還無法控制到品質完全一致，再加上研究發展費用太高，市場競爭力仍差，因此採用更精密的結構陶瓷材料的物品，目前上市的還不多」，汪建民說。

他也認為，雖然我國在近幾年才開始發展精密陶瓷，但挾電子工業的良好基礎，將它應用在電子產品的「電子陶瓷」是我們相當有潛力的項目。

IC基板。（鐘永和）

「新石器時代」來臨？

「雖然這個科學的風險性大，全世界醉心於此的研究單位卻不在少數，這個領域是一個冒險家的樂園」，洪敏雄說：「金屬與石化材料，能開發的別人都開發了，而精密陶瓷，嚴格說起來還是個開始，一點點小發現；都可能改變整個人類的生活。」

可能會有大改變，但現在還沒有人知道，甚至也還無法想像。唯一可以預知的是，許多過去科技上不能做到的事，因新材料的出現，將一一實現。

人類文明在歷經石器（陶瓷材料）、鐵器（金屬材料）、塑膠（石化有機材料）三個階段後，廿一世紀會是一個「新石器時代」嗎？

切削工具。（鐘永和）