陶瓷刀可以“逃”过安检吗？

                 

	虽然陶瓷刀表面看起来没有寒光闪闪的金属光泽，以致很多人觉得像是塑料做的，但其实它的硬度高于钢刀。陶瓷刀锋利的刀刃可以轻易切割食物，而且对柔软多汁的食物不会产生明显的挤压，所以切水果时不容易汁水四溅。此外，陶瓷刀耐腐蚀、不生锈，切过的食物也不会留下“金属味道”。 陶瓷刀虽然名字里有“陶瓷”二字，但它与我们平时用的陶瓷碗、陶瓷杯却有天壤之别。陶瓷刀所用的是一种先进陶瓷，是用人工合成原料烧制而成，具有远超传统陶瓷的优异力学性能。

刀身成分是氧化锆陶瓷

在远古时代，古人用石头打磨成带有刃口的工具。然而这种石刀的刀刃通常不够锋利，容易崩口，当金属工具出现以后，石刀就被淘汰了。

20世纪70年代，人们发现一种亚稳四方相氧化锆陶瓷，具有很高的韧性，掉在地上也不会摔碎，有“陶瓷钢”的美称。具有这么好的韧性，同时具有陶瓷的高硬度等优点，做成刀具可以长时间保持锋利，因此，非金属材质的陶瓷刀又回到人们的视野中。

在传统陶瓷领域，有结晶相、玻璃相和气相3种相态。其中，结晶相占主要部分；玻璃相起着把分散的结晶相粘接在一起的作用；气相表现为孔隙，是容易诱发裂纹的缺陷之一。我们知道玻璃脆且强度低，因此，先进陶瓷具有优异力学性能的前提是玻璃相和气孔尽量少，并且晶粒细小。

陶瓷刀是如何制作的？

陶瓷刀的制备工艺和传统陶瓷乍一看非常相近，但严格控制成分和粗细的原料、压制出高体积密度的素坯和精确控温的烧结工艺，赋予了它更好的性能。

首先，制备极细的（原始粒径小于100纳米）氧化锆陶瓷粉体，将粉体装入模具中，加高压预制成型，得到平板素坯。随后素坯在窑炉中经过精确控温的高温烧结，得到四方相氧化锆陶瓷刀坯。在这个过程中，陶瓷刀坯会比刚开始的素坯尺寸收缩1/4，体积缩小近一半。

素坯烧结收缩率会经过严格的测定并用于成型模具设计，以保证刀坯的尺寸精度。最后，刀坯用金刚石砂轮打磨出平面和刃口形成刀片，再将刀片与手柄结合，就做成了一把陶瓷刀。

用扫描电子显微镜观察四方相氧化锆陶瓷的表面，陶瓷在1390℃烧结，烧结后在1360℃经过30分钟热腐蚀。

一把刀是否锋利，取决于能否磨出尖锐光滑的刃口。氧化铝、碳化硅和氮化硅陶瓷，材料脆性大，且晶粒尺寸易大于1微米，在开刃的时候，晶粒剥落而难以磨出尖锐的刃口。氧化锆陶瓷一方面韧性好，开刃时晶粒不易剥落；另一方面，其晶粒尺寸非常细小，所以刃口可以磨得非常锋利。

氧化锆陶瓷刀制作流程

利用相变增强韧性

氧化锆的晶体结构有3种类型：室温下的单斜相、900℃以上的四方相和立方相（晶体的相变是化学组成不变，但由于温度、压力或者其他因素影响，使微观的晶体结构或者宏观的物理、化学性质发生变化）。高温下烧结致密的氧化锆陶瓷为四方相，冷却到室温时要转变为单斜相，由于单斜相相对于四方相有7%左右的体积膨胀，这时，每个晶粒都膨胀，就会形成很大的内应力，导致致密的块体陶瓷开裂。因此在20世纪70年代之前，氧化锆只被做成非致密的耐火材料。

后来人们发现，往氧化锆中掺杂一些作为稳定剂的低价态元素（如Y³⁺、Ca²⁺等)，会导致四方相的晶格畸变，使其从高温冷却到室温时，依然保持为高温时存在的四方相。四方相的稳定程度和稳定剂的加入量多少有关系，多了就会很稳定，少了就不稳定。

如果加入质量分数为5.4%左右的氧化钇，就可以获得“亚稳态”的四方相氧化锆陶瓷。这里提到的“亚稳态”，就是指氧化锆晶粒在室温具有相变趋势。如果陶瓷内部有裂纹扩展，亚稳的四方相就会向单斜相转变，发生体积膨胀。这时的体积膨胀是有益处的，它可以使处于裂纹尖端相互分开的晶粒又挤在一起，闭合裂纹尖端，甚至还会产生一定的压应力抵消外加的拉应力。裂纹在亚稳四方相氧化锆陶瓷内不易扩展，因此这种陶瓷刀就具有良好的韧性。

陶瓷刀的缺点是什么？

陶瓷材料大都是共价键或离子键结合，结合力强，弹性模量高，硬物压入时不易发生变形，因此具有高的硬度（材料抵抗硬物压入发生变形的能力）。但同时，这类材料对内部结构缺陷敏感，微小的划痕等都可能在外加载荷的作用下诱发成裂纹，并且裂纹易失稳扩展。陶瓷材料抵抗裂纹扩展的能力弱，断裂韧性低，普遍表现出“脆”的特性。

虽然氧化锆陶瓷刀的韧性在陶瓷领域已经算很强的了，但是与金属刀具相比，它的主要缺点还是脆。在劈砍物体或者切特别硬的物体时，容易崩口，崩口后的陶瓷刀锋利度会大幅度下降。因此，使用时最好在塑料或木头制作的砧板上切割不硬的食物，并避免砍砸和撬起的动作。

但是即使我们一直小心地使用，时间长了，陶瓷刀还是会崩口，这是为什么呢？前面我们说过，陶瓷刀使用的是“亚稳态”四方相氧化锆陶瓷，其稳定性和氧化钇的含量有关。固溶在氧化锆晶粒中的氧化钇有个特点，在高温、潮湿的环境下，有可能会析出，这样导致四方相氧化锆的稳定性下降，发生向单斜相的转变，这就是氧化锆材料的“老化现象”。另外，刃口处非常薄，晶粒之间互相抑制的作用也较弱，因此，时间长了，“亚稳态”四方相向“稳态”的单斜相转变。 

这样转相导致的晶粒体积膨胀，就会把附近的晶粒一起崩下来形成缺口。现在陶瓷刀的制造商也在寻找方法，提高氧化锆材料的抗老化性能，在没有完全解决之前，制造商还提供磨刀器，这样可以把缺口部分磨掉，使刀刃恢复锋利状态。

氧化锆晶体的3种相态

氧化锆陶瓷的立方相（a）、四方相（b）和单斜相（c）的单胞。红球表示锆原子，蓝球表示氧原子。

陶瓷刀会逃过安检吗？

由于陶瓷刀是非金属材料制作的，因此可以躲过金属探测器的检测，这有一定的安全隐患。但是在检查行李的X射线机之下，陶瓷刀还是会“现形”的。这是因为X射线机是按照有效原子序数和密度来显示图像的，氧化锆的有效原子序数和密度都比较大，因此能够在X射线机上显示出来。对于人体安检设备，目前采用两种方法能让它们“现形”。一种是在刀柄中加入金属片，这样金属探测器可以检测出陶瓷刀；另一种是用毫米波或X射线人体检查设备，能像X射线机一样检测出陶瓷刀。

新媒体编辑/小帆帆