一般報導
科學發展 2010年2月，446期｜ 69
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68 ｜科學發展 2010年2月，446期
「壓電陶瓷」和「導電陶瓷」是 21世紀的新興電子材料，
它們的來源廣泛，而且就在我們的周遭環境中。
它們具有性能穩定、強度高、耐腐蝕和耐高溫的特性，
在光、電、磁、聲等方面有特殊的應用。
可以進行能量轉換
壓電陶瓷是一種可以使電能和機械能相互轉換的 特殊陶瓷材料。它主要是藉由燒結而形成的一種多晶材 料，與普通的單晶壓電材料相比，有相當多的優點，例 如價格低廉、容易加工成各種不同形狀的元件、能大量 生產等，因此頗受人們的青睞。
壓電陶瓷是由許多粒徑在幾個微米左右的小晶粒所 組成，主要成分是鉛、鈦和鋯的氧化物。在燒結的製備 過程中，這些小晶粒在高壓電場的作用下，會有規則地 排列而帶有壓電性。
雖然壓電陶瓷的種類很多，但比較有發展前途的是 鈦酸鋇和鋯鈦酸鉛的壓電陶瓷。除此之外，一些多成分 的複合型壓電陶瓷，像是鋯鈦酸鉛鑭等，不僅有良好的 壓電性能，還可以做成透明壓電陶瓷，使得壓電陶瓷的 應用可以推廣到光電領域中。因此，它們也是一種很有 應用潛力的新型壓電陶瓷材料。
■ 蘇明德
壓電陶瓷
及導電陶瓷
● 各種壓電陶瓷晶片
壓電陶瓷的主要功能是使得機械能與電能 可以相互轉換。
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壓 電 陶 瓷 的 主 要 功 能 是 使 得機械能與電能可以相互轉換。
對壓電陶瓷施加壓力時，它就會 產生電位差；如果對壓電陶瓷施 加電壓，它就會產生機械應力。
如果對壓電陶瓷施加一個高頻振 動，它就會產生高頻電流；如果 在 壓 電 陶 瓷 上 施 加 高 頻 的 電 訊 號 ， 它 就 會 產 生 高 頻 的 機 械 振 動。
壓電陶瓷的一種應用是利用 它把機械能轉換成電能，而製成 高壓電源，使用在點火、觸發、
引爆等目的上，例如煤氣爐的自 動點火裝置，就是利用這個原理 製成的。在這裝置內，有一塊壓 電陶瓷，當轉動按鈕時，一支被 強力彈簧控制的撞擊針會擊打在 壓電陶瓷上，瞬間放出高達幾萬 伏特的火花，點燃氣閥中噴出的 錐形氣流。這種點火裝置的點火 次數可以達到10萬次以上，使用 壽命可以達到20∼30年之久。
壓電陶瓷的另一種應用是把 電能轉換成機械能。例如設計師 通常在兒童的電子玩具小動物的 肚子裡，裝上用壓電陶瓷做成的 蜂鳴器。當電源接通後，壓電陶 瓷便在電壓作用下變形而產生振 動，進而發出人耳可以聽到的聲
音，像是玩具小狗發出「汪汪」
的 叫 聲 ， 或 玩 具 小 貓 發 出 「 喵 喵」的叫聲。
壓 電 陶 瓷 還 有 一 種 應 用 是 把它做為振動器使用，可做成濾 波器、變形器、換能器等電子元 件，用在電視、通訊、計算機等 裝置上。因為壓電陶瓷在電場作 用下，會變形而引起振動，所以 當電場的頻率與壓電陶瓷固有的 頻 率 之 一 相 同 時 ， 就 會 產 生 共 振。由於共振時壓電陶瓷的振幅 比 一 般 頻 率 下 的 振 幅 大 上 數 百 倍，可以在最大效率的情形下轉 變成機械能，因此用壓電陶瓷做 為 振 動 器 ， 在 外 界 電 壓 的 作 用 下，可以得到各種特定頻率的振 動，適合不同場合使用。
能以不同方式導電
顧名思義，導電陶瓷是一類 能導電的陶瓷材料。雖然傳統陶 瓷良好的絕緣性給人們留下了不 可磨滅的印象，但是一些新型陶 瓷能夠導電，卻是無可爭議的事 實。例如用碳化矽製成的陶瓷是電 的優良導體，而用氧化物或複合氧 化物製成的新型陶瓷材料，可以是 良好的絕緣體，也可以是電子的導 體、離子的導體或半導體等。
電子導電陶瓷 電子導電陶 瓷是依靠加熱或以其他方法啟動 後，產生自由電子，在外加電場 的作用下，進行導電的一種陶瓷 材料。
現在常用的電子導電陶瓷材 料，主要是碳化矽和二矽化鉬。
而目前主要的新型電子導電陶瓷 材料可以分成兩種：一種是氧化 物陶瓷，例如氧化鋯陶瓷、氧化 釷陶瓷等；另一種是複合氧化物 組成的陶瓷，如鉻酸鑭陶瓷等。
新型的電子導電陶瓷材料的 最大優點，是有良好的耐高溫性 和抗氧化能力。它們是高溫電子 設備的優良電熱材料，因此常稱 作新型高溫電子導體材料。
鎳 鉻 絲 是 常 用 的 一 種 金 屬 電熱材料，但由於在高溫下會氧 化，因此在空氣中的最高使用溫
● 電子導電陶瓷
雖然傳統陶瓷良好的絕緣性給人們留下了
不可磨滅的印象，但是一些新型陶瓷能夠導電，
卻是無可爭議的事實。
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度只有攝氏1,100度。即使是價 格昂貴，而且抗氧化性好的貴 金屬絲，例如鉑絲和銠絲，最 高的使用溫度也只有攝氏1,600 度左右。常用的電子導電陶瓷 材料，碳化矽的最高使用溫度 是攝氏1,450度，二矽化鉬是攝 氏1,650度。
新 型 的 電 子 導 電 陶 瓷 材 料的使用溫度就更高了，因此 它們也常應用在高溫電子設備 中，例如穩定狀態的氧化鋯陶 瓷的最高使用溫度是攝氏2,000 度，氧化釷陶瓷的最高使用溫 度甚至可以達到攝氏2,500度。
電 子 導 電 陶 瓷 不 僅 是 良 好 的電熱材料，也是磁流體發電 機優先考慮使用的電極材料。
尤其是鉻酸鑭陶瓷，不但可以 耐高溫、抗氧化，而且在空氣 中的使用壽命長，在攝氏1,800 度的高溫下，可以使用1,700個 小時以上。
離 子 導 電 陶 瓷 離 子 導 電 陶瓷是一種像電解質溶液或電 解質熔融體，具有高離子導電 性的固體陶瓷材料，又稱作離 子導體。
所 謂 離 子 導 電 性 ， 是 指 物 質的導電是依靠自由離子的定 向遷移所完成的。也就是說，
在外加電場的作用下，自由的 正離子向電源的負極移動，同 時自由的負離子向電源的正極 遷移，產生搬運電荷的作用。
像 氯 化 鈉 、 硝 酸 鈉 、 硫 酸 鉀等類的強電解質，它們的自 由離子只存在於水溶液中或熔 融狀態中，因此在外加電場的 作用下，它們的水溶液或熔融 液可以進行離子導電。然而，
當它們處在固體狀態時，由於 離子被束縛在晶格的定點上，
沒有自由離子的存在，即便是 在外加電場的作用下，離子也 不能定向移動，因此無法進 行離子導電。
固 體 狀 態 的 離 子 導 電 陶 瓷又是怎樣實現離子導電的現 象呢？在離子導電陶瓷的結構 中，有大量的缺陷、空洞、通 道等，使得離子可以遷移，而 產生搬運電荷的作用。被遷移 的離子可以是陽離子，也可以 是陰離子。例如，β－氧化鋁 陶瓷是典型的陽離子導電體，
主 要 依 靠 鈉 離 子 的 遷 移 而 導 電。相對地，氧化鋯陶瓷是陰 離子導電體，主要依靠氧負離 子的遷移而導電。
值 得 一 提 的 是 ， 離 子 導 電 陶瓷的工作溫度有相當大的不 同。像是摻雜的氧化鋯陶瓷的 工 作 溫 度 是 攝 氏 9 0 0 度 ， 而
壓電陶瓷及導電陶瓷材料不僅改變了我們身處的環境，
也使我們的生活日益美滿。
● 複合銀離子精細陶瓷濾芯
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β－氧化鋁陶瓷的工作溫度只有 攝氏300度。
離 子 導 電 陶 瓷 也 可 以 用 來 製作一些新型的固態電池，例如 鈉－硫電池，未來很有希望應用 在汽車電源和儲電電源上。這種 電池的組成不同於普通的化學電 池 ， 電 池 的 負 極 是 熔 融 的 金 屬 鈉 ， 正 極 是 熔 融 的 硫 和 多 硫 化 物，電池的電解質則採用固體的 β－氧化鋁陶瓷，工作溫度是攝 氏300∼350度。再如，高溫氫－
氧燃料電池也是很有開發前途的 一種燃料電池，對於氫能的開發 利用特別有價值。這種燃料電池 的 電 解 質 與 普 通 的 燃 料 電 池 不 同，它採用摻有雜質的氧化鋯陶
瓷，工作溫度則是攝氏1,000度。
另外，還可以利用離子導電 陶瓷的離子遷移特性，製成離子 選擇電極的選擇膜，也就是離子 濃度感測器，進而快速、準確地 量測被測離子的濃度，甚至可以 用來提煉純金屬等。
半導體陶瓷 半導體陶瓷是 具有半導體性能的一類陶瓷，主 要有鈦酸鐵陶瓷和氧化鋅陶瓷。
半 導 體 陶 瓷 可 以 做 為 氣 體 感 測 材 料 ， 有 著 廣 闊 的 應 用 前 景。由於半導體陶瓷對一些氣體 有高度的靈敏度，使用的溫度也 可以比較高，一般來說，可以達 到攝氏200∼300度，因此可以用 來檢測包括氧化性氣體、還原性 氣體和可燃性氣體的各類氣體。
例如：用薄膜氧化鋅陶瓷可以檢 測氫氣、氧氣、乙烯、丙烯等氣 體；用氧化鋅氣體感測材料可以 檢測甲烷、乙烷等可燃性氣體。
在工業上，半導體陶瓷可用 來對一些特殊氣體進行檢測和控 制，例如煤礦開採中瓦斯的檢測 和控制、煤氣運送，以及在化工 生產中管道氣體洩漏的監測等。
此外，半導體陶瓷還可以做 成各種電子元件。例如，鈦酸鋇 陶瓷可以用於定溫發熱體、溫度 檢測元件等；氧化鋅半導體陶瓷 可以用於各種電氣和電子線路的 穩壓元件等。今後的發展方向，
除了不斷地開發新的半導體陶瓷 材料外，另外一個重要課題是如 何提高對氣體的選擇吸附。
這 麼 多 種 的 壓 電 陶 瓷 及 導 電陶瓷材料，不僅改變了我們身 處的環境，也使我們的生活日益 美滿。你也可以來試試看，尋找 有趣、神奇的壓電或導電陶瓷材 料，也許下一世紀的某種新奇陶 瓷材料就是你的發明呢！
蘇明德
嘉義大學應用化學系
● 半導體氣密性陶瓷
● 氧化鋁陶瓷導電棒
