中國(guó)粉體網(wǎng)訊 隨著科技的進(jìn)步和現(xiàn)代化工業(yè)程度的提高,，人們對(duì)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?cè)O(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(qiáng)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(yùn)而生。
透明陶瓷的起源與發(fā)展
長(zhǎng)期以來(lái),，人們認(rèn)為陶瓷是不透明的,。
直到1957年，美國(guó)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(kāi)創(chuàng)了陶瓷領(lǐng)域的新紀(jì)元,。
自透明陶瓷問(wèn)世以來(lái)，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(guó)和日本率先對(duì)其進(jìn)行研究，之后英國(guó),、俄羅斯,、法國(guó)等國(guó)也都對(duì)其投入了極大的熱情，先后開(kāi)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(shì)
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(diǎn)明顯的優(yōu)勢(shì)：
（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(méi)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(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì),。
（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(zhǎng)一般需要幾周甚至更長(zhǎng)的時(shí)間,，高熔點(diǎn)氧化物單晶的生長(zhǎng)還需要昂貴的鉑金坩堝或銥坩堝,，并且由于生長(zhǎng)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(jiǎn)單,，燒結(jié)溫度通常比它的熔點(diǎn)要低幾百攝氏度，且可以實(shí)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(jià)值的新型功能材料,，透明陶瓷可以彌補(bǔ)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(guó)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(chǔ)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(hù)材料和各類(lèi)透波材料，例如可應(yīng)用于飛機(jī)透明防彈護(hù)板和窗口,、透明裝甲和導(dǎo)彈等飛行器頭部的雷達(dá)天線罩和紅外線整流罩,。
透明陶瓷的透光原理
長(zhǎng)期以來(lái)，陶瓷是不透明的,，這是因?yàn)橐话愣嗑沾煞橇⒎骄档木ЯＴ谌∠蛏暇哂须S機(jī)性,，以及陶瓷內(nèi)部的氣孔和第二相等缺陷對(duì)光線產(chǎn)生強(qiáng)烈的折射和反射,，導(dǎo)致光線通過(guò)陶瓷時(shí)被分散。當(dāng)光線通過(guò)介質(zhì)時(shí),，由于介質(zhì)對(duì)光線的反射,、折射和內(nèi)部的吸收散射等效應(yīng)，光線的強(qiáng)度在傳播過(guò)程中具有逐漸減弱的趨勢(shì),。當(dāng)將這些抑制光線傳播的問(wèn)題規(guī)避以后,，陶瓷即可實(shí)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(guò)程、燒成制度等等的影響,，尤其是粉體的性能的好壞,，對(duì)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(huì)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(guò)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(guò)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(zhǎng),，使氣孔有足夠時(shí)間依靠晶界擴(kuò)散而被排除,，有利于實(shí)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(huì)對(duì)光產(chǎn)生強(qiáng)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(guò)程實(shí)質(zhì)上就是制品在燒結(jié)過(guò)程中實(shí)現(xiàn)完全致密化的過(guò)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(shí)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(wú)光學(xué)各向異性,，晶界微薄，且無(wú)氣孔和第二相夾雜物及位錯(cuò)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(shí)要準(zhǔn)確知道燒結(jié)和熱處理時(shí)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(dá)80%,。可見(jiàn)對(duì)陶瓷表面進(jìn)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(xì)小且粒徑均勻，顆粒分散無(wú)團(tuán)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(guò)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(guò)處理,，再將其加工成特性形狀的過(guò)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(guò)坯體顆粒黏結(jié)、物質(zhì)傳遞,、體積收縮,、氣孔排除等過(guò)程形成一定的幾何形狀，并獲得一定程度的密度,、強(qiáng)度以及其他物理性能提升的過(guò)程,。通常意義上的燒結(jié)并不會(huì)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(huì)引起入射光的漫反射，降低陶瓷的透光率,。因此,，需要對(duì)制備的陶瓷進(jìn)行研磨和拋光以提高其透光率。大量實(shí)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(lái)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(zhǎng)得像不像玻璃.粉體網(wǎng)
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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