硬度的知識 - 地球科學討論

經過我跟withdream大大一連串的討論

以及請我同學做了一點點分析

我想我應該是得到了足夠的答案

我將我們討論的內容稍微整理一下

在此跟大家分享。

首先我和withdream大大討論了有關分析試片的想法，

告知我們實驗室的試片在過去就已經做過的分析

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以下是我寫給withdream信的重點：


我們藍寶石在切成基板之前，會先以X-ray定出晶向，

並以特殊切割儀器沿著已定出的方向做切割

目前我們所使用的藍寶石基板是沿著c面切出來的，2英吋圓型薄片，約3～500um厚

並在表面做拋光處理

X-ray繞射圖
http://www.wretch.cc/album/show.php?i=jjleaf&b=13&f=1278786268&p=2
(連結已失效，請點以下連結)
http://photo.xuite.net/swa0303sea/12163593/2.jpg
可以確定我們的藍寶石是單晶。

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withdream大大回應：

我查過剛玉的資料，剛玉沒有解理，

但在{0001}和{101-1}的位置容易出現裂理(parting)，

你說你們的基板是沿著C面切開，我不太知道C面是什麼，

是不是言C軸，或是垂直C軸？

我也問過老師，老師的意思大概是如果你不是剛好割到裂理，

就是因為刀片刃端的應力集中，將剛玉壓破而不是劃傷，

所以嘗試不要拿刀刃的地方去劃剛玉，用刀背試試看，

如果還是劃傷了，你的剛玉就有問題，

因為我們實驗室之前也做過剛玉，小刀根本畫不動

另外就是一般測硬度是要拿兩種物質互磨，

軟的一方會被劃出粉墨，你可以仔細研究看看畫出刀痕的地方有沒有粉末出現。 　　

我今天有拿我們實驗室的剛玉來試過，小刀刃面的確可以畫出刀痕，

但是無法畫出粉末。所以你可以拿玻璃來試試看，如果玻璃無法畫傷剛玉，

小刀無法畫商玻璃，那麼可以間接證明你們的剛玉沒有問題，

不過請不要拿玻璃的尖角去試，結果可能跟小刀一樣。　　　　

關於實驗方式，因為我一開始預設你是用天然的剛玉，

所以我會想知道它是不是單晶，結晶方向如何，

如果你們自己做過一些基本分析的話，那其實也不需要我幫你們做分析，

我能幫忙的就是嘗試以礦物學的角度去解釋你的數據和疑問。

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我回應了withdream大大這樣的內容：

非常感謝大大的解釋

我覺得滿合理的

我所說的c面，就是沿著"垂直於c軸"做切片

也就是說我們的基板面都是C軸朝上

但不太了解"解理"與"裂理"是什麼意思？

另外，我想追根究柢的問一下

你們所謂的"壓破"與"劃傷"微觀上的差別究竟在那裡？

兩者都是在剛玉上留下一條一條的痕跡，為何會有有無粉末上的差異呢？為何不是粉末

上多與少的差異呢？

兩者差異在哪裡？


附件其中一張是我們實驗室所使用剛玉基板的照片，
http://www.wretch.cc/album/show.php?i=jjleaf&b=13&f=1278786270&p=4
（原連結已失效，改以下連結）
http://photo.xuite.net/swa0303sea/12163593/3.jpg

化學成分是99.99%以上的Al2O3，因此成透明無色

另一張就是那人工剛玉，以"柴氏提拉法"剛生長完，尚未切片的樣子
http://www.wretch.cc/album/show.php?i=jjleaf&b=13&f=1278786269&p=3
（原連結已失效，改以下連結）
http://photo.xuite.net/swa0303sea/12163593/4.jpg


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withdream大大給我了解答：

解理的定義是: 礦物受力沿鍵結脆弱方向破裂的平整破裂面(ex: 石墨的001)，如果一個
礦物在各結晶方向鍵結皆相等(ex: 石英)就不會有平整破裂面

裂理的定義是: 礦物結構脆弱的面，例如: 晶的接觸面。結構脆弱不代表鍵結較弱，所以
會有解理面和裂理面的差異

另外"壓破"或"劃傷"的差異，主要是因為你問的是硬度，硬度的定義是兩個礦物"互磨"，
硬的一方可以將另一方劃傷，或著是軟的一方可以在硬的一方上留下條痕。在礦物學裡，
條痕的定義是粉末的顏色，所以劃傷應該是會刮出粉末。另外因為你的試片很薄，才
300~500um ，本身剛玉非常的脆(理論上來說，硬度越高越脆)，所以不排除刀刃把基本
壓破的可能性，就像你不可能用指甲來切割玻璃，但是若你用一根指頭壓著載玻片，很容
易就能把載玻片壓碎。

關於偏光顯微鏡如何鑑定缺陷，首先你必須對晶體的光學性質有所了解，結晶物質會有一
些特別的光學性質，例如方解石的雙折射。但若經體內有缺陷，則晶體結構不完整，就無
法反映出相同的光學性質，那在偏光顯微鏡下，就會看到有不同的光學現象出現，例如
http://web2.nmns.edu.tw/PubLib/NewsLetter/91/179/images/10-7.jpg 連結的圖片上
，左下角的灰白色礦物顆粒上的線條，是長石常見的聚片雙晶。同樣缺陷也是晶體結構出
現差排或是不完整的部分，也會造成同一個礦物顆粒光學性質的不一致，如此可以初步鑑
定樣品是否有缺陷。

（連結在withdream大大寄給我時就已經不存在，可再向他要）

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最後，我請我們實驗室的學弟

將被小刀劃出刻痕的地方拿去做電子顯微鏡分析做表面形貌分析

（先補充一點：雖然基板只有300um，但小刀劃完，基板並沒有破，只是出現刮痕）

在1000倍下的SEM很明顯可以看出，什麼叫壓破
http://www.wretch.cc/album/show.php?i=jjleaf&b=13&f=1278786271&p=5
（原連結已失效，改以下連結）
http://photo.xuite.net/swa0303sea/12163593/5.jpg

圖中右邊很明顯有一道深深被小刀破壞的溝槽

從溝槽的痕跡，可以推測藍寶石被小刀破壞後，都依著一定的方向碎裂再掉下來。

（裂痕都是接近平行的方向，剝落後殘留的形狀也是互相平行）

到此，我覺得大概就明白，藍寶石是怎麼被小刀破壞的了。

以堅硬的東西，集中一點去施力，產生很強大的壓力，也就是應力集中，

該材料從該點周圍開始龜裂，

劃過後，就硬是將已龜裂的部分摳下來，

因此是一顆顆的大顆粒的剝落。

應該就是withdream大大所說的"壓破"

這種破壞方式，就算是鑽石，也可能被破壞。
http://tw.knowledge.yahoo.com/question/question?qid=1306021206428
（可參考這個回答者的參考資料）

並不是如今市面上買的小刀經過處理

想當然爾，這樣做刀子會鈍掉的更快。


而莫氏硬度的實驗，應該是在"避免應力集中"的條件下互磨，

方可比較出兩者的硬度。

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