中國粉體網(wǎng)訊  隨著科技的進步和現(xiàn)代化工業(yè)程度的提高，人們對光學(xué)功能材料性能的要求也逐漸提高，但由于傳統(tǒng)的光學(xué)材料玻璃的力學(xué)和耐熱等性能太差，而單晶材料成本太高，且不易加工，因此人們設(shè)想制備出一種既具有玻璃和單晶的光學(xué)性能又具有陶瓷的耐高溫、耐腐蝕、高強度等特性的新型材料，在這樣的大背景下透明陶瓷材料應(yīng)運而生。

透明陶瓷的起源與發(fā)展

長期以來，人們認(rèn)為陶瓷是不透明的。

直到1957年，美國GE公司的Coble等陶瓷學(xué)家根據(jù)晶體透明原理，采用陶瓷制作方法，成功制備出第一塊透明氧化鋁陶瓷——“Lucalox”，率先改變了陶瓷材料難以透明的傳統(tǒng)概念，由此開創(chuàng)了陶瓷領(lǐng)域的新紀(jì)元。

自透明陶瓷問世以來，其廣泛的應(yīng)用和發(fā)展前景，使其迅速成為新材料領(lǐng)域的一顆“璀璨新星”。美國和日本率先對其進行研究，之后英國、俄羅斯、法國等國也都對其投入了極大的熱情，先后開發(fā)出了Al₂O₃、Y₂O₃、YAG、ZrO₂、CaO、ThO₂、BeO和Gd₂O₃等氧化物透明陶瓷，MgF₂、BaF₂和CaF₂等氟化物透明陶瓷，AlN等氮化物透明陶瓷，Dy：CaF₂透明激光陶瓷及透明閃爍體陶瓷（Y，Gd）₂O₃:Eu等。

透明陶瓷的優(yōu)勢

透明陶瓷作為光功能材料，與常用的單晶和玻璃材料相比，其具有以下兩點明顯的優(yōu)勢：

（1）具有和單晶相似的物理化學(xué)性質(zhì)和光譜特性

有研究表明，高光學(xué)質(zhì)量的透明陶瓷在熱導(dǎo)率、熱膨脹系數(shù)、吸收光譜和發(fā)射光譜等方面的性能和單晶幾乎沒有差別，并且透明陶瓷在力學(xué)性能和熱學(xué)性能方面具有玻璃無法比擬的優(yōu)勢。

（2）制備周期短，生產(chǎn)成本低，可制備大尺寸

常規(guī)單晶的生長一般需要幾周甚至更長的時間，高熔點氧化物單晶的生長還需要昂貴的鉑金坩堝或銥坩堝，并且由于生長方式的限制，很難制備出大尺寸的單晶材料。而陶瓷成型工藝簡單，燒結(jié)溫度通常比它的熔點要低幾百攝氏度，且可以實現(xiàn)大尺寸批量化生產(chǎn)。

透明陶瓷的應(yīng)用

透明陶瓷是有較高應(yīng)用價值的新型功能材料，透明陶瓷可以彌補單晶和玻璃的不足，因而在光學(xué)、高溫技術(shù)、電子技術(shù)、航空、航天以及國防工業(yè)等領(lǐng)域都具有重要應(yīng)用。

透明陶瓷可用于高壓鈉燈燈管、光學(xué)儀器透鏡、存儲設(shè)備的基片和集成電路板；其優(yōu)良的介電性能使它能夠在電纜方面得到應(yīng)用；超高的耐磨性使得透明陶瓷能廣泛的應(yīng)用于精密儀器；耐高溫性能使其在較高的溫度下使用。另外，其在工業(yè)中的應(yīng)用涉及照明行業(yè)，激光領(lǐng)域，核醫(yī)學(xué)成像領(lǐng)域，核熱閃光領(lǐng)域和光學(xué)成像領(lǐng)域等；在軍事中的應(yīng)用包括高能激光介質(zhì)，防護材料和各類透波材料，例如可應(yīng)用于飛機透明防彈護板和窗口、透明裝甲和導(dǎo)彈等飛行器頭部的雷達天線罩和紅外線整流罩。

透明陶瓷的透光原理

長期以來，陶瓷是不透明的，這是因為一般多晶陶瓷非立方晶系的晶粒在取向上具有隨機性，以及陶瓷內(nèi)部的氣孔和第二相等缺陷對光線產(chǎn)生強烈的折射和反射，導(dǎo)致光線通過陶瓷時被分散。當(dāng)光線通過介質(zhì)時，由于介質(zhì)對光線的反射、折射和內(nèi)部的吸收散射等效應(yīng)，光線的強度在傳播過程中具有逐漸減弱的趨勢。當(dāng)將這些抑制光線傳播的問題規(guī)避以后，陶瓷即可實現(xiàn)透明。

光在陶瓷中的傳播和散射示意圖

影響透明陶瓷透光率的因素

影響透明陶瓷透光率的因素很多，除材料本征因素外還包括如：粉體性能、成型過程、燒成制度等等的影響，尤其是粉體的性能的好壞，對所獲得的陶瓷體透明與否幾乎起著決定性的作用。

（1）原料

制備透明陶瓷的原料要具備以下要求：高純度、高燒結(jié)活性、高分散性。如果原料中存在雜質(zhì)，雜質(zhì)會在透明陶瓷內(nèi)部形成光的散射中心，從而使光發(fā)生散射，從而降低陶瓷的透光率。

（2）添加劑

為了降低陶瓷材料的燒結(jié)溫度并改善其晶界結(jié)構(gòu)，在制備的過程中，可選擇加入合適的添加劑。一方面添加劑可以在燒結(jié)過程中形成液相或活化晶格能，從而降低燒結(jié)溫度；另一方面添加劑可以抑制晶界的遷移和晶粒生長，使氣孔有足夠時間依靠晶界擴散而被排除，有利于實現(xiàn)陶瓷的完全致密致密化，大大提高陶瓷的透光率。

（3）氣孔率

氣孔率是影響透明陶瓷透光率最大的因素。存在于陶瓷內(nèi)部的氣孔會對光產(chǎn)生強烈的散射和反射，研究表明氣孔率大于1%的氧化物陶瓷是不透明的。因此，制備透明陶瓷的過程實質(zhì)上就是制品在燒結(jié)過程中實現(xiàn)完全致密化的過程。

（4）晶界與晶體結(jié)構(gòu)

晶界能夠破壞陶瓷的光學(xué)均勻性，從而引起光的散射，同時其也是光的吸收源。若晶界清晰，必然引起光的散射和折射。因此，要使材料獲得較高的透光率，必須保證材料無光學(xué)各向異性，晶界微薄，且無氣孔和第二相夾雜物及位錯等缺陷。

（5）燒結(jié)環(huán)境

制備透明陶瓷需要在真空或者氣氛條件下燒結(jié)。在選擇燒結(jié)氣氛時要準(zhǔn)確知道燒結(jié)和熱處理時發(fā)生的主要缺陷形成反應(yīng)，例如，氧化物陶瓷，為增加氧空位濃度而選擇氫氣氣氛燒結(jié)。正確的選擇燒結(jié)氣氛有利于氣孔的排除，加速陶瓷的透明化燒結(jié)。

（6）表面光潔度

表面粗糙度也是透明陶瓷透光率的重要影響因素之一。研究表明經(jīng)研磨后的陶瓷的透光率為50%-60%，拋光后可達80%。可見對陶瓷表面進行研磨和拋光處理能夠極大的提高陶瓷的透光率。

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(yīng)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(yīng)法、溶膠-凝膠法、燃燒法、共沉淀法、水熱法、醇鹽水解法等。

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。

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(xué)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]陳鵬輝.釔穩(wěn)定氧化鋯透明陶瓷的制備與性能研究

[2]羅軍明.ZrO₂基透明陶瓷的制備及其發(fā)光性能研究

[3]透明陶瓷：你看我長得像不像玻璃.粉體網(wǎng)

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）

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