112 年 國立成功大學口腔醫學研究所丙組《材料科學》

這是一題概念解釋題，涵蓋材料科學、化學、冶金學等多個領域的基本名詞。需要針對每個名詞給出精確且簡潔的定義與說明。

(a) Transgranular fracture (穿晶斷裂)：材料斷裂時，斷裂面會穿過晶粒內部，沿著晶界的機率較低。在金屬材料中，通常發生在韌性斷裂時，斷裂路徑會經過晶粒。

(b) Whiteware (白瓷)：一種陶瓷材料，通常由高嶺土、長石和石英組成，經過高溫燒結而成。燒結後呈現白色，具有良好的機械強度、硬度和絕緣性，常用於製造餐具、衛浴設備和電子元件。

(c) True strain (真應變)：應變的一種定義方式，相對於工程應變。真應變的定義為 $\epsilon = \ln(L/L_0)$，其中 $L_0$ 是初始長度，$L$ 是當前長度。在材料發生較大形變時，真應變比工程應變更能準確描述材料的變形。

(d) Thermal shock (熱衝擊)：材料因承受劇烈的溫度變化而產生的應力，當應力超過材料的強度極限時，會導致材料破裂或損壞。陶瓷材料對熱衝擊較為敏感，因為它們的導熱性較差且熱膨脹係數較大。

(e) Superheating (過熱)：液體在達到沸點後，溫度繼續升高，但仍未沸騰的現象。過熱的液體處於不穩定狀態，微小的擾動（如加入晶種或振動）即可引發劇烈的沸騰。

(f) Standard half-cell (標準半電池)：電化學中，用於測量標準電極電位的參考電極。標準半電池的定義為在標準條件下（25°C，1 atm 壓力，1 M 濃度），金屬電極與其離子溶液構成的電化學電池。例如標準氫電極 (SHE) 就是一個常用的標準半電池。

(g) Spheroidizing (球化)：一種熱處理過程，用於改善鋼材的切削性。透過長時間加熱至接近或略低於共晶溫度，使碳化物從片狀或網狀轉變為球狀，從而降低硬度，提高延展性。

(h) Schottky defect (肖特基缺陷)：晶體中由於原子或離子離開其正常晶格位置而產生的空位缺陷。在離子晶體中，陽離子空位和陰離子空位通常成對出現，以維持電荷平衡。

(i) Sacrificial anode (犧牲陽極)：一種用於防止金屬腐蝕的裝置。將一種比被保護金屬更活潑的金屬（如鋅、鎂）連接到被保護金屬上，犧牲陽極會優先被氧化，從而保護了較不活潑的金屬。

核心觀念

本題考查利用 $ZrO_2-Al_2O_3$ 二元相圖選擇 ZTA（zirconia toughened alumina）的組成，以降低燒結溫度。

燒結溫度的主要判斷原則是：

1. 若組成接近液相線或共晶組成，升溫時較容易產生液相，可利用液相燒結降低緻密化所需溫度。
2. 若全程位於固相區，則屬固相燒結，通常需要較高溫度與較長保溫時間。
3. 相圖中的 $1150^\circ\text{C}$ 水平線是 $ZrO_2$ 的四方相—單斜相轉變相關區域，並非液相共晶線，因此不能直接把 $1150^\circ\text{C}$ 當作 ZTA 的液相燒結溫度。

解題方法

觀察圖中的液相區可知，$ZrO_2-Al_2O_3$ 系統的主要液相最低點約位於：

且對應組成約為 $60\ \text{wt}\%\,Al_2O_3$、$40\ \text{wt}\%\,ZrO_2$。

若選擇接近此共晶組成，材料加熱至約 $1860^\circ\text{C}$ 附近才會形成液相。此溫度雖然比純 $ZrO_2$ 或純 $Al_2O_3$ 的熔融溫度低，但對生醫用 ZTA 而言仍屬相當高的燒結溫度，並不符合「低溫燒結」的設計目標。

因此，在僅能使用 $ZrO_2$ 與 $Al_2O_3$、不能加入低熔點燒結助劑的限制下，應選擇：

實際上可採用約 $10\sim20\ \text{vol}\%$ 的 $ZrO_2$、其餘為 $Al_2O_3$，亦即典型的 ZTA 組成。若以重量百分比表示，約相當於：

但需注意，這個組成並不會因相圖而在 $1150^\circ\text{C}$ 產生液相；其低溫燒結仍是以固相擴散、晶界擴散與氧化鋁基體的緻密化為主。