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氧化鋯陶瓷為何能受到智能手機的青睞?

氧化鋯陶瓷為何能受到智能手機的青睞?


陶瓷材料也好,金屬材料也好,在物理量施加的特殊情況(例如極快速的沖擊、很低的溫度)下都有可能產生破裂,任何材料在加厚或是減薄到某一程度,機械性能上的表現都會產生與通常條件下有所差異。

因此我們僅能夠以相對強度高于其他陶瓷材料,甚至略超過其他性脆的金屬來強調氧化鋯陶瓷的優勢,但不要把它神話化了。

現在,為您介紹陶瓷材料中被稱為陶瓷的鋼鐵人 – 氧化鋯陶瓷,為何獨受智能手機青睞?

先認識斷裂韌性或破裂韌性(Fracture toughness)

在評價脆性材料的強度有以斷裂韌性這個名詞來闡釋脆性材料的破裂耐受度,這是最為恰當的物理量指標,注意到是脆性材料才用這個。

斷裂韌性指的是對材料表面施加應力造成的裂痕(但修正因子必須找到正確的數值),然后量測裂痕的長度和施加應力的數值來計算,其通用公式如下:

 

其中最簡易的方式,則是以維克氏硬度(Vickers hardness)硬度測量方法相同的壓痕法(Indentation method, IM),來測得脆性材料的斷裂韌性最為方便。

方法如下:將測試試樣表面先拋光成鏡面,在顯微硬度儀上,以10Kg負載在受測材料的拋光表面,以維克氏硬度計的錐形金剛石壓痕器對表面施加壓力產生壓痕,這樣在壓痕的四個頂點就產生了裂紋。

 

 

一些脆性材料經過壓痕產生的裂縫影像

根據壓痕載荷P和平均壓痕裂紋擴展長度C=(C1+C2+C3+C4)/4計算出斷裂韌性數值(KIC)。 計算公式簡化如下:

 

以上看不懂沒關系,因為大多材料的數據都能通過互聯網搜索找到。

我們從維基百科(Wiki)和文獻中可以查到一些代表材料的斷裂韌性。

 

部分常用材料的破斷韌性數值

根據上述的公式和材料破斷韌性的數據,各位讀者就很容易明白:任何材料的物理性質評價都是有一種定性且定量的方法,而非那種無法測得的神祕說法,如”水晶磁場”說。

科學上的測試當然無法解釋那些奇幻的商品,不在此評論,ACMT講究的是具體科學論證的報導。那么,對于氧化鋯或微晶鋯等名詞,也就不再那樣的神秘了!

再來看看氧化鋯的相轉變特性,這關乎選擇的材料是否合適

首先要知道氧化鋯是一種多種結晶體相的材料,如下圖是其晶體結構。

 


▲氧化鋯的三種相型態,其中注意到正方晶相轉變成單斜晶會有3~4%的體積增量。

所示在溫度的作用下,晶體會改變其結構形式,會使體積有所改變。最有趣的是正方晶轉變成單斜晶(Tetragonal phase change to Monoclinic phase)時必須吸收能量,同時會有3~4%的體積增加量(Volume increase),這樣就會出現一些很有趣的基理。

所以CMF設計師在選擇材料時,要根據材料特性進行選擇。比如

正方晶氧化鋯,這是氧化鋯存在的一種不安定性相,一般氧化鋯粉末燒制制作成形后都以小于1um(微米)的正方晶這種不安定相晶體形式出現,而原料的來源本就是細微的納米晶體顆粒。

各位,請注意到這是氧化鋯最重要的相,也就是一般市面稱為微晶鋯(Microcrystal Zirconia),或是多晶態正方晶氧化鋯(TZP, Tetragonal Zirconia Polycrystal)。

我們會在氧化鋯添加的第二相或第三相氧化物,除了要在比較低溫下(1360~1450℃)內快速的燒以節省能源,也藉由添加物安定正方晶氧化鋯,獲得完全的正方晶相以作為增韌效果。最常見的就是3Y-TZP, 5Y-TZP(其中Y代表氧化釔Y2O3,成分添加量以mol%比例。)

單斜晶氧化鋯,正方晶氧化鋯受力后會造成麻田散相轉變,單斜晶相的鋯氧共價因為應力或能量吸收滑移成特殊角度,類似于碳鋼因為急速水冷造成淬火形成麻田散鐵相的體積膨脹。很有趣的是,陶瓷材料中的氧化鋯也有這種現象。

立方晶氧化鋯,當燒結溫度高過2320℃,或是在平常燒結到1450℃附近時由于添加物形成晶粒肥大超過5um以上,氧化鋯由其他相轉變成立方晶就變成全安定氧化鋯,使氧化鋯失去了增韌特性,請注意到我們在技術上要避免這相的出現。

既然提到了機理,就多說點,關于氧化鋯增韌特性的三大機理

相變化增韌

正方晶轉變成單斜晶至少有3~4%體積的增加量,除了吸收掉裂縫的能量之外,還會壓緊裂縫,使裂縫無法擴展,這是一種很有趣的物理現象。請見下圖。

 

▲當裂縫進入正方晶晶體相群中,裂縫附近的正方晶相吸收能量后相轉變成為單斜晶,除了吸收了裂縫的能量,又因體積的膨脹迫使裂縫被擠壓而縮小。

微裂縫 - 多晶界能量分散

由于正方晶相的晶界多,裂縫進入后沿著較弱的晶界分散其能量,除了相轉變發生,眾多晶界以及燒結后正方晶晶界留有微裂縫(Micro-crack)也誘導破裂能量因而消散。

 

▲ 多晶界的正方晶晶界誘導主要裂縫分散造成增韌特性

添加相直接停止裂縫延伸

這里分為兩種添加相的強化增韌方式,這是傳統復合材料的技術,裂縫遭到添加相的高硬度或高強度阻擋,使得裂縫行徑被牽制而停止甚至偏轉

終于說到CMF設計師感興趣的了,來聊聊氧化鋯被青睞的主要原因

一、高密度與豐富色彩

氧化鋯依據添加物相不同,會出現5.6~6.0 g/c.c.的密度變化,加上因為燒結多采用液相燒結(Liquid Phase Sintering)而得到近似100%相對密度,因此拋光之后表面會呈現鏡面,這點在裝飾上有特別吸引人目光的特性。

加上高韌性與多種染色可能性,在智能手機和穿戴裝置上便成為新寵,設計師采用陶瓷元素引領了設計風潮,造成一波波的流行。如下圖就是氧化鋯添加不同的高溫釉料,可以出現不同的顏色。

 

 

▲由湖南正揚精密陶瓷有限公司所提供的有色氧化鋯樣板,調配的顏色可以和客戶協商,做出不顏色的差異。(由于Dr. Q照相技術不佳加上位置取景燈光影響,并無法顯示真實顏色)

注意純白色氧化強度是最好,添加的顏色釉料會降低氧化強度,這是因為釉料造成葉香出現更多使正方晶氧化鋯容易粗大化導致成為全安定相的立方晶氧化鋯。

在Dr. Q于博士班年代(1993~1996)的研究,就已經證實可以采用氧化鋁和高溫釉料形成安定相尖晶石相,可以改善釉料對氧化鋯變色的強度下降缺陷。

此外,由于氧化鋯容易受到鐵銹和雜質的污染形成點斑缺陷,一但出現這種問題,就把氧化鋯以真空高溫滲碳約1450℃/12小時,就可以獲得黑色氧化鋯,以黑色遮瑕來增加產品良率。

二、人體親和性與化學安定性

氧化鋯是安定的氧化物,抗氧抗酸鹼,在人體接觸上應用多,能拋亮且顏色豐富與珠寶搭配,可以制作成人工玉石和多顏色寶石,在化學環境中也有優異的表現。

 

三、高耐磨機械性質

氧化鋯的單晶化就是鋯鉆,其硬度微莫氏硬度8~8.5,僅次于紅寶石和鉆石。由于硬度高耐磨性能好,被用來作為紡織零件的線拖架與輥、摩擦件,甚至高爾夫球頭打擊片、手表表殼與表鏈,都是早過智能穿戴裝置的發展之前的事,也一直被使用。

四、高溫耐火領域

由于氧化鋯材料高熔點(Tm~2300℃)、抗高溫鋼水侵蝕之特性,早期應用于耐火零件,如煉鋼業的鋼水流嘴、噴嘴、閥門、高溫纖維、高溫鍍層等。

五、電子特性領域

氧化鋯的電性在十九世紀末即被注意到,研究添加不同氧化物使其在氧化鋯中形成不同固溶體,使氧化鋯産生離子電導(Ionic Conduction)效應,具有高溫固態電解質的特性。

從高溫的發熱元件、磁動力能量産生器(magneto- hydrodynamic powder generator, MHD)的高溫電極,到氧離子的傳感器,以及常溫態介電常數遠高于玻璃和藍寶石,作為智能手機的指紋辨識器都有其應用實例。

另外,由于氧化鋯的絕緣特性和高介電常數,用在光纖套管與插芯,也是常用的材料,每年都有數億支以上的需求(不過根據市場的調查,光纖套管和插芯價格很低)。

最后,回到開頭關于氧化鋯鋼鐵的稱謂,在此還是提一下:不破是神話,請適材適用。

這樣經過解說,相信大家可以清楚的理解為何氧化鋯被稱為陶瓷中鋼鐵人,這是一種具有【鋼鐵金屬具所擁有的麻田散相變化】的材料。

然而,也一在強調不要被商業手法的廣告所誤導,買的新陶瓷手機就拿來開摔,可以保證,機殼不破玻璃面板也會破,更難過的是陶瓷機殼一但破損,跟它的產出一樣的難以修復,那就得不償失了!



氧化鋯陶瓷為何能受到智能手機的青睞?
點擊次數:1158次 發布時間:2020/2/23 【打印此頁】【關閉
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