中國粉體網(wǎng)訊 所謂透明陶瓷，就是能透過可見光的陶瓷。普通的多晶陶瓷材料，因其各向異性，低對稱晶體結(jié)構(gòu)體系的晶粒之間產(chǎn)生消光因素，加之其內(nèi)部雜質(zhì)和氣孔吸收和散射可見光，所以一般是不透明的。
20世紀50年代末，美國GE公司的Coble博士成功研制出半透明的Al2O3陶瓷—Lucalox，一舉打破了陶瓷材料不透明的傳統(tǒng)觀念，這激起了人們對透明陶瓷的研究熱情。
▲美國Surmet Corp生產(chǎn)的ALON®透明陶瓷（來源：Surmet Corp官網(wǎng)）
透明陶瓷既具有陶瓷材料所共有的高熔點、高強度、高絕緣、耐腐蝕、耐高溫等性能，又具備良好的透光性，相較于普通的光學材料擁有許多優(yōu)勢，因此可制成多種用途的電-光、電-機軍民兩用器件，在空間科學、醫(yī)學、激光、紅外探測、特種儀器制造、電子技術(shù)及高溫技術(shù)、航空航天和國防裝備等方面具有廣闊的應用前景。
透明陶瓷的分類及應用
根據(jù)透明陶瓷的功能和用途，可以將透明陶瓷分為以下幾種類型。
激光透明陶瓷
紅外透明陶瓷
2014年，我國確立了“空天一體，攻防兼?zhèn)洹钡膽?zhàn)略目標，紅外成像、紅外制導以及紅外對抗等紅外光學系統(tǒng)在現(xiàn)代化的軍事戰(zhàn)場上越來越具有舉足輕重的地位。而紅外整流罩和紅外窗口則是保證其正常工作的關鍵部件，它能有效地保護內(nèi)部的紅外傳感器在高馬赫數(shù)飛行的過程中不被外界損傷。
紅外光學材料根據(jù)其波長可以分為中波紅外材料（3μm~5μm）和長波紅外材料（8μm~12μm）。常見的中波紅外材料有MgF2、氧化鋁單晶、鎂鋁尖晶石（MgAl2O4）、AlON和Y2O3；長波紅外材料有硫化物（ZnS）、硒化物（ZnSe）、碲化物（CdTe）。
▲常用中紅外透明材料的性能參數(shù)（來源：韓丹.鎂鋁尖晶石透明陶瓷的制備與性能研究）
閃爍透明陶瓷
閃爍透明陶瓷在空間探索、無損檢測、醫(yī)療安全影像應用以及高能物理等領域都有重要的潛在應用價值。其中，作為醫(yī)療影像應用的X-CT，X-ray等設備能夠?qū)σ恍┲卮蟛“Y進行早期發(fā)現(xiàn)而受到重視。該類應用所需要的閃爍材料通常需要具有高的發(fā)光強度，優(yōu)異的光學透過率，高密度和離子幅照吸收能力以及轉(zhuǎn)換高能光子成可探測的可見光信號的能力。近十幾年來，國外相繼開發(fā)出氧化釔釓（YGO）、硫氧化釓（GOS）、釓稼石榴石（GGG）等陶瓷閃爍體，并成功應用于醫(yī)學X-CT上。
磁光透明陶瓷
磁光透明陶瓷是應用于光隔離器中的一種具有法拉第效應的材料。光隔離器是高功率激光系統(tǒng)中重要的組成器件之一，它能夠有效的調(diào)控系統(tǒng)中光的傳播，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。對于磁光材料，要求其Verdet常數(shù)高，具有低的吸收損耗以及高的熱導率，優(yōu)異的熱力學性能。當前，應用于可見至紅外波段的磁光材料主要為TGG和TAG透明陶瓷。
熒光透明陶瓷
熒光透明陶瓷作為一種光轉(zhuǎn)換材料廣泛應用于白光LED領域。白光LED作為照明光源，以其環(huán)保、高效、節(jié)能、高壽命等優(yōu)點而成為21世紀最具發(fā)展?jié)摿Φ母咝录夹g(shù)之一。
與金屬或者玻璃相比，熒光陶瓷具有更高的機械性能，更好的熱穩(wěn)定性和優(yōu)異的光學性能。目前常用的熒光透明陶瓷以發(fā)光材料體系進行分類，主要可以分為氮化物體系、釔鋁石榴石體系和多鋁酸鹽體系。
鐵電透明陶瓷
鐵電透明陶瓷在20世紀70年代初首次出現(xiàn)，除了具有高透明度外還具有鐵電性能，可以將光、電、機械形變等物理性能耦合在一起。
鋯鈦酸鉛鑭（PLZT）透明陶瓷是一種典型的鐵電透明陶瓷材料，具有高的透過率和電光效應，人工極化處理之后還具有壓電和光學雙折射性能，可以廣泛地應用于核熱閃光護目鏡、光開關和圖像存儲、顯示等領域。
透明裝甲陶瓷
透明裝甲陶瓷的主要應用有防彈窗口、導彈整流罩、航天器窗口等需要高硬度、高強度、高耐磨性和良好的抗沖擊性能的透明材料的地方；同時，低面密度的材料可以解決透明裝甲重量較大的問題。
以鎂鋁尖晶石（MgAl2O4）和AlON為代表的透明陶瓷廣泛應用于透明裝甲材料。它們的透過波段范圍廣（達到紫外到紅外波長）、透過率高、力學性能優(yōu)異、面密度低，不僅可以用作透明裝甲, 還可用于頭罩及可見和紅外窗口等領域。
影響透明陶瓷透光性能的因素
微氣孔
晶界
晶界對透明陶瓷透光性能的影響分為兩個方面，一方面是由晶界本身的物性決定的，另一方面是因為在晶界上存在雜質(zhì)或缺陷從而引起光的散射。
若陶瓷屬于非立方晶系，當光入射到陶瓷樣品內(nèi)部時，光線從一個晶粒進入與之相鄰的另一個晶粒，由于各個晶粒的取向均是隨機的，便會在晶界面上產(chǎn)生折射和反射現(xiàn)象。這種在晶界上的折射和反射會大大降低光的透過率。
▲(a)晶粒取向和(b)晶粒無序氧化鋁（來源：郭惠露.AlON透明陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)及其對光學和力學性能的影響）
例如氧化鋁屬于三方晶系，具有光學各向異性的特性，而氧化鋁陶瓷是多晶陶瓷。當光線透過氧化鋁陶瓷時，在晶界上發(fā)生雙折射，從而發(fā)生光強損耗，樣品的直線透過率下降；雖然單晶藍寶石的理論透過率是86%，但是氧化鋁透明陶瓷在可見光波段的透過率僅為15%左右。
雜質(zhì)和非主晶相
對于原料粉體或工藝制備過程中由于污染引入的雜質(zhì)，如果其能溶入基質(zhì)中，雜質(zhì)中存在的顯色離子可能引起不利的吸收帶。
而對于那些溶解度極低甚至不溶解的雜質(zhì)，則更容易聚集在晶界上或是晶粒內(nèi)部，形成不同于主晶相的二次相，引起折射率的差異，在光透過的過程中起到散射的作用。
而對于過量摻入的雜質(zhì)，當摻雜濃度原高于陶瓷基體的溶解度上限時，則將與陶瓷基體發(fā)生反應，形成非主晶相。其與主晶相會形成界面，從而構(gòu)成折射率不同于主晶相的光學散射中心，嚴重損害透明陶瓷的光學透過率。
表面散射
當透明陶瓷燒結(jié)完成后，必須對陶瓷表面進行高精度的光學加工，才可以進行光學性能測試。當光學加工的精度不夠時，極易在表面形成劃痕和起伏的凹坑，即呈微小的凹凸狀，使得表面具有較大的粗糙度，當光線入射到這種表面上便會產(chǎn)生漫反射，從而嚴重降低透明陶瓷的透過率。
▲多晶體陶瓷光散射來源示意圖（來源：韓丹.鎂鋁尖晶石透明陶瓷的制備與性能研究）
透明陶瓷的制備工藝
透明陶瓷的制備工藝主要分為粉體制備、成型、燒結(jié)、后處理。
粉體制備
粉體的質(zhì)量直接決定著透明陶瓷的質(zhì)量。理想中的優(yōu)質(zhì)粉體應具備以下的特征：粉體純度高，顆粒呈球形，顆粒細小且粒徑均勻，顆粒分散無團聚現(xiàn)象。
目前，粉體的制備方法主要有固相反應法、溶膠-凝膠法、燃燒法、共沉淀法、水熱法、醇鹽水解法等。
陶瓷成型
陶瓷的成型過程是在陶瓷粉料加入一定量的粘接劑等制成陶瓷坯料，然后經(jīng)過處理，再將其加工成特性形狀的過程。
目前，透明陶瓷的成型方法主要有干壓成型、等靜壓成型、流延成型、注射成型和注漿成型等。
陶瓷燒結(jié)
陶瓷燒結(jié)，是指成型后的陶瓷坯體在一定的溫度、壓力和氣氛的條件下通過坯體顆粒黏結(jié)、物質(zhì)傳遞、體積收縮、氣孔排除等過程形成一定的幾何形狀，并獲得一定程度的密度、強度以及其他物理性能提升的過程。通常意義上的燒結(jié)并不會使樣品的化學組分或物質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。
目前，透明陶瓷的燒結(jié)方法主要有常壓燒結(jié)、真空燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、微波燒結(jié)、氣氛燒結(jié)和放電等離子燒結(jié)等。
陶瓷后處理
剛燒結(jié)制備的透明陶瓷表面非常的粗糙，表面凹凸不平，會引起入射光的漫反射，降低陶瓷的透光率。因此，需要對制備的陶瓷進行研磨和拋光以提高其透光率。大量實踐和研究表明，陶瓷的透光率經(jīng)研磨和拋光處理之后可以從40％增加到 80％以上。
參考來源：
1、鄧佶睿等.透明陶瓷的超高壓制備研究進展
2、荊延秋.高質(zhì)量鎂鋁尖晶石透明陶瓷的制備和性能研究
3、郭惠露.AlON透明陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)及其對光學和力學性能的影響
4、張麗慶.Yb:YAG和Tm:YAG 透明陶瓷的制備及其光學性能研究
5、韓丹.鎂鋁尖晶石透明陶瓷的制備與性能研究
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/長安）
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