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粉体百科 | 影响透明陶瓷透光性能的因素有哪些?


来源:中国粉体网   初末

[导读]  大量的研究结果表明:影响陶瓷透光性能的因素有气孔率、晶界结构、烧成制度、原料与添加剂和表面加工光洁度几个方面。

所谓透明陶瓷就是能透过光线的陶瓷。通常陶瓷是不透明的,其原因是陶瓷材料内部含有的微气孔等缺陷对光产生折射和散射作用,使得光线几乎无法透过陶瓷体。1959年通用电气公司首次提出了一些陶瓷具有可透光性,随后1962年R.L.Coble首次制备了半透明的Al2O3陶瓷证实了这一点,同时也为陶瓷材料开辟了新的应用领域。



普通陶瓷由于对光有较强的反射,因而是不透明的。大量的研究结果表明:影响陶瓷透光性能的因素有气孔率、晶界结构、烧成制度、原料与添加剂和表面加工光洁度几个方面。


气孔率


对透明陶瓷透光性能影响最大的因素是气孔率,可更细分为气孔尺寸、数量、种类。普通陶瓷即使具有高的密度,往往也是不透明的,这是因为其中有很多闭口气孔,陶瓷体中闭口气孔率从0.25%变为0.85%时,透过率降低33%。许多文献指出,总气孔率超过1%的氧化物陶瓷剧本上是不透明的,因此,生产具有较高透光率陶瓷的一个主要条件,就是最大限度降低增加光散射的残余气孔率,特别是显微气孔率。


陶瓷内的气孔可以存在于晶体之间和晶体内部。晶体之间的气孔处于晶界面上容易排除,它可以随着晶界的移动而迁移,最终排出体外,而晶体内部的气孔即使是小于微米级的也很难排除,而且在封闭气孔中还能进入水蒸气、氮气和碳等。因此晶体内气孔对于获得透明陶瓷是最危险的,从而应该在任何工艺阶段防止气孔的产生。


晶界结构


晶界结构对透明陶瓷的透光性能也有较大影响。它破坏了陶瓷体的光学均匀性,也会引起光的反射和散射,导致材料的透光率下降。当单位体积内晶界数量较多,晶体配置杂乱无序时,入射光透过晶界,必然引起光的连续反射、折射,这样其透光率也就降低。而规则的晶体排列则会为光线提供定向的光通路,减少晶界对光的折射。因此晶界应微薄、透光性好,没有气孔、第二相界夹杂物及位错等缺陷。


烧成制度


烧成制度影响陶瓷材料的透明度,一般的陶瓷烧结温度更高才能排除气孔,达到透明化烧结。烧结透明陶瓷时,要根据烧结材料的性能和坯体的性能及大小来确定最终烧结温度。烧结透明陶瓷时,必须控制升温速度,确定整个坯体均匀加热,控制晶体生长速度和经历尺寸,并达到消除气孔的目的。保温时间的选择可依照晶粒的大小和气孔有无而定,冷却制度的确定应以陶瓷无变形且无应力为准。


透明陶瓷和普通陶瓷不同,最后需经真空、氢气气氛或其它气氛中烧成。在真空或氢气气氛中,陶瓷烧结体的气孔被置换后很快的进行扩散,从而达到消除气孔的目的,使用这种烧结方法能制成透明陶瓷。


原料与添加剂


原料的纯度是影响透明性诸多因素中的主要因素之一,原料中杂质容易生成异相,形成光的散射中心,减弱透射光在入射方向的强度,降低陶瓷的透光率,甚至失透。当原料的粒度很小,处于高度分散,烧结时微细颗粒可缩短气孔扩散的路程,颗粒越细,气孔扩散到境界的路程就越短,容易排除气孔和改善原料的烧结性能,使透明陶瓷结构均匀,透过率高。原料的活性不仅与原料的分散状态且与原料的相变或预烧温度有关,预烧温度过高,则活性降低;过低则相变转化不完全,制品在烧结过程中会产生变形等不良影响。


为了获得透明陶瓷,有时需要加入添加剂,抑制晶粒生长。添加剂的用量一般很少,所以要求添加剂能均匀分布于材料中。另外,添加剂还能完全溶于主晶相,不生成第二相物质 ,也就是说,不破坏系统的单相性。


表面加工光洁度


透明陶瓷的透光度受表面加工光洁度的制约。烧结后未经处理的陶瓷表面具有较高的粗糙度,即呈现微小的凹凸状,光线入射到这种面上会产生漫反射。其表面的粗糙度越大,则其透光性能就越差。陶瓷表面的粗糙度除了与原料的细散度有关,一般应对陶瓷的表面进行研磨和抛光。只有在陶瓷表面的光洁度达到11~13光洁度后,才可能把透光率提高到受烧结时陶瓷吸收中心和散射中心清除率制约的最高可能程度。


参考资料:

刘军芳、傅正义.透明陶瓷的制备技术及其透光因素的研究
李长青、张明福.影响透明陶瓷透光性能的因素

 

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