為台灣加油打氣專欄 (113) 工業基礎技術計畫——精密陶瓷

陶瓷是大家都知道的材料,我們家裡用很多的盤子都是陶瓷做的。我們只知道要堅固、耐用、耐熱等等,我們也以為陶瓷就是用來做杯子、盤子等等,其實現在很多工業用零組件都是陶瓷做的。半導體工業的製程就需要用到很多非常特別的陶瓷盤子,這些盤子目前都還要進口,每一年我們要花上很多的錢來進口這種特別的陶瓷盤子。

現在我要介紹一種精密陶瓷的製程。陶瓷的最基本原料通常是Al2O3(氧化鋁),但是我們總要加一些添加物進去,至於加什麼添加物那就要看我們要製造什麼樣的陶瓷了。我聽了一下那些工程師所說的添加物,我連聽都沒有聽過,我也不一一介紹了。可是我發現他們常常用的一種添加物是鎂(Mg),加入以後所形成的化合物是Al2MgO4,我們所希望的是這種目標化合物要越多越好,或者我們這樣講,我們的雜物要越少越好。

首先,我們要搞清楚的是為何能夠使Mg以原子的身分進入化合的過程,這是因為我們利用了Mg的化合物,如碳酸鎂或硝酸鎂,這種化合物會溶於水,Mg就變成了帶電的離子,因此可以經過一種化學的方法成為Al2MgO4。這種方法對化學家而言,叫做螯合,我這篇文章其實就是介紹螯合。精密陶瓷常常是經由螯合而製成的。

我要介紹的製程如下:

1. 在某一種並不太高的溫度之下,將Mg+(鎂離子)附著在Al2O3分子上,成為一種混合物。但是必須附合螯合的條件,這些條件是:

(a)每一個Al2O3分子上,必要有Mg+附著在上面。

(b)只有Mg+(鎂離子)可以附著在Al2O3上面。

要達到第一個條件,我們必須要利用混合分散的技術,使Mg+和Al2O3 混合得非常均勻。

要達到第二個條件,當然是要利用化學的方法。

2. 將溫度再度提高,使Mg+和Al2O3經由化學反應產生,Al2MgO4 。

在這個化學反應中,Mg會偷偷地溜出來,這下陶瓷裡就有雜質,也就是說陶瓷的成分是不夠純的,要做到這一點那是要靠化學過程中的溫度,升溫速率外加氣體以及壓力等等。在過去這一定要靠一個老師傅,現在工程師利用很多的學問以及實驗,將不同的材料所需要的參數定下來,這樣我們所製造的陶瓷當然就會更加精密。

3. 再加高溫使陶瓷成形

比方說我們要做個杯子就在這一個階段做出來的。

現在舉一個例子來說明台灣精密陶瓷的進步情形。在過去有一種水閥片,這種水閥片是陶瓷做成的,當然陶瓷中有一個目標化合物,這個目標化合物要越多越好。在過去,我們陶瓷的目標化合物純度是85%,也就是說裡面有15%仍然是雜質,這種水閥片只能用在普通的水龍頭上,昂貴的名牌水龍頭就要用純度高的陶瓷水閥片;現在我們的精密陶瓷水閥片純度是95%,也就是只有5%是雜質,因此可以供應給名牌的水龍頭廠商。這種水閥片非常耐磨,而且也耐腐蝕。

大家可以看出一件事,那就是大家不要以為傳統工業是不重要的,陶瓷有幾百年的歷史,可是現在的陶瓷也要用在工業上,因此精密陶瓷乃是我們大家要努力的目標。可是要做到精密陶瓷仍然要知道很多的基本的工業技術,這篇文章所介紹的技術都是工業基礎技術計畫中所發展出來的。

這篇文章又提到了混和分散,可見混和分散是很重要的基礎技術。當年工業基礎技術計畫中,混和分散的技術佔了一個重要的比重。我們應該感謝清華大學的萬其超教授,因為他一再強調這個技術的重要性,顯然國家需要很好的學者,能夠對政府提出很好的建議。好的建議絕對不是人云亦云、見到風就是雨的建議。