【原创】透明陶瓷:你看我长得像不像玻璃


来源:中国粉体网   长安

[导读]  所谓透明陶瓷,就是能透过可见光的陶瓷。普通的多晶陶瓷材料,因其各向异性,低对称晶体结构体系的晶粒之间产生消光因素,加之其内部杂质和气孔吸收和散射可见光,所以一般是不透明的。

中国粉体网讯  所谓透明陶瓷,就是能透过可见光的陶瓷。普通的多晶陶瓷材料,因其各向异性,低对称晶体结构体系的晶粒之间产生消光因素,加之其内部杂质和气孔吸收和散射可见光,所以一般是不透明的。


20世纪50年代末,美国GE公司的Coble博士成功研制出半透明的Al2O3陶瓷—Lucalox,一举打破了陶瓷材料不透明的传统观念,这激起了人们对透明陶瓷的研究热情。


▲美国Surmet Corp生产的ALON®透明陶瓷(来源:Surmet Corp官网)


透明陶瓷既具有陶瓷材料所共有的高熔点、高强度、高绝缘、耐腐蚀、耐高温等性能,又具备良好的透光性,相较于普通的光学材料拥有许多优势,因此可制成多种用途的电-光、电-机军民两用器件,在空间科学、医学、激光、红外探测、特种仪器制造、电子技术及高温技术、航空航天和国防装备等方面具有广阔的应用前景。


透明陶瓷的分类及应用


根据透明陶瓷的功能和用途,可以将透明陶瓷分为以下几种类型。


激光透明陶瓷


红外透明陶瓷


2014年,我国确立了“空天一体,攻防兼备”的战略目标,红外成像、红外制导以及红外对抗等红外光学系统在现代化的军事战场上越来越具有举足轻重的地位。而红外整流罩和红外窗口则是保证其正常工作的关键部件,它能有效地保护内部的红外传感器在高马赫数飞行的过程中不被外界损伤。


红外光学材料根据其波长可以分为中波红外材料(3μm~5μm)和长波红外材料(8μm~12μm)。常见的中波红外材料有MgF2、氧化铝单晶、镁铝尖晶石(MgAl2O4)、AlON和Y2O3;长波红外材料有硫化物(ZnS)、硒化物(ZnSe)、碲化物(CdTe)。


▲常用中红外透明材料的性能参数(来源:韩丹.镁铝尖晶石透明陶瓷的制备与性能研究)


闪烁透明陶瓷


闪烁透明陶瓷在空间探索、无损检测、医疗安全影像应用以及高能物理等领域都有重要的潜在应用价值。其中,作为医疗影像应用的X-CT,X-ray等设备能够对一些重大病症进行早期发现而受到重视。该类应用所需要的闪烁材料通常需要具有高的发光强度,优异的光学透过率,高密度和离子幅照吸收能力以及转换高能光子成可探测的可见光信号的能力。近十几年来,国外相继开发出氧化钇钆(YGO)、硫氧化钆(GOS)、钆稼石榴石(GGG)等陶瓷闪烁体,并成功应用于医学X-CT上。


磁光透明陶瓷


磁光透明陶瓷是应用于光隔离器中的一种具有法拉第效应的材料。光隔离器是高功率激光系统中重要的组成器件之一,它能够有效的调控系统中光的传播,保证系统的稳定性。对于磁光材料,要求其Verdet常数高,具有低的吸收损耗以及高的热导率,优异的热力学性能。当前,应用于可见至红外波段的磁光材料主要为TGG和TAG透明陶瓷。


荧光透明陶瓷


荧光透明陶瓷作为一种光转换材料广泛应用于白光LED领域。白光LED作为照明光源,以其环保、高效、节能、高寿命等优点而成为21世纪最具发展潜力的高新技术之一。


与金属或者玻璃相比,荧光陶瓷具有更高的机械性能,更好的热稳定性和优异的光学性能。目前常用的荧光透明陶瓷以发光材料体系进行分类,主要可以分为氮化物体系、钇铝石榴石体系和多铝酸盐体系。


铁电透明陶瓷


铁电透明陶瓷在20世纪70年代初首次出现,除了具有高透明度外还具有铁电性能,可以将光、电、机械形变等物理性能耦合在一起。


锆钛酸铅镧(PLZT)透明陶瓷是一种典型的铁电透明陶瓷材料,具有高的透过率和电光效应,人工极化处理之后还具有压电和光学双折射性能,可以广泛地应用于核热闪光护目镜、光开关和图像存储、显示等领域。


透明装甲陶瓷


透明装甲陶瓷的主要应用有防弹窗口、导弹整流罩、航天器窗口等需要高硬度、高强度、高耐磨性和良好的抗冲击性能的透明材料的地方;同时,低面密度的材料可以解决透明装甲重量较大的问题。


以镁铝尖晶石(MgAl2O4)和AlON为代表的透明陶瓷广泛应用于透明装甲材料。它们的透过波段范围广(达到紫外到红外波长)、透过率高、力学性能优异、面密度低,不仅可以用作透明装甲, 还可用于头罩及可见和红外窗口等领域。


影响透明陶瓷透光性能的因素


微气孔

晶界


晶界对透明陶瓷透光性能的影响分为两个方面,一方面是由晶界本身的物性决定的,另一方面是因为在晶界上存在杂质或缺陷从而引起光的散射。

 

若陶瓷属于非立方晶系,当光入射到陶瓷样品内部时,光线从一个晶粒进入与之相邻的另一个晶粒,由于各个晶粒的取向均是随机的,便会在晶界面上产生折射和反射现象。这种在晶界上的折射和反射会大大降低光的透过率。


▲(a)晶粒取向和(b)晶粒无序氧化铝(来源:郭惠露.AlON透明陶瓷的微观结构及其对光学和力学性能的影响)


例如氧化铝属于三方晶系,具有光学各向异性的特性,而氧化铝陶瓷是多晶陶瓷。当光线透过氧化铝陶瓷时,在晶界上发生双折射,从而发生光强损耗,样品的直线透过率下降;虽然单晶蓝宝石的理论透过率是86%,但是氧化铝透明陶瓷在可见光波段的透过率仅为15%左右。


杂质和非主晶相


对于原料粉体或工艺制备过程中由于污染引入的杂质,如果其能溶入基质中,杂质中存在的显色离子可能引起不利的吸收带。


而对于那些溶解度极低甚至不溶解的杂质,则更容易聚集在晶界上或是晶粒内部,形成不同于主晶相的二次相,引起折射率的差异,在光透过的过程中起到散射的作用。


而对于过量掺入的杂质,当掺杂浓度原高于陶瓷基体的溶解度上限时,则将与陶瓷基体发生反应,形成非主晶相。其与主晶相会形成界面,从而构成折射率不同于主晶相的光学散射中心,严重损害透明陶瓷的光学透过率。 


表面散射


当透明陶瓷烧结完成后,必须对陶瓷表面进行高精度的光学加工,才可以进行光学性能测试。当光学加工的精度不够时,极易在表面形成划痕和起伏的凹坑,即呈微小的凹凸状,使得表面具有较大的粗糙度,当光线入射到这种表面上便会产生漫反射,从而严重降低透明陶瓷的透过率。 


▲多晶体陶瓷光散射来源示意图(来源:韩丹.镁铝尖晶石透明陶瓷的制备与性能研究)


透明陶瓷的制备工艺


透明陶瓷的制备工艺主要分为粉体制备、成型、烧结、后处理。


粉体制备


粉体的质量直接决定着透明陶瓷的质量。理想中的优质粉体应具备以下的特征:粉体纯度高,颗粒呈球形,颗粒细小且粒径均匀,颗粒分散无团聚现象。


目前,粉体的制备方法主要有固相反应法、溶胶-凝胶法、燃烧法、共沉淀法、水热法、醇盐水解法等。


陶瓷成型


陶瓷的成型过程是在陶瓷粉料加入一定量的粘接剂等制成陶瓷坯料,然后经过处理,再将其加工成特性形状的过程。


目前,透明陶瓷的成型方法主要有干压成型、等静压成型、流延成型、注射成型和注浆成型等。


陶瓷烧结


陶瓷烧结,是指成型后的陶瓷坯体在一定的温度、压力和气氛的条件下通过坯体颗粒黏结、物质传递、体积收缩、气孔排除等过程形成一定的几何形状,并获得一定程度的密度、强度以及其他物理性能提升的过程。通常意义上的烧结并不会使样品的化学组分或物质结构发生变化。


目前,透明陶瓷的烧结方法主要有常压烧结、真空烧结、热压烧结、微波烧结、气氛烧结和放电等离子烧结等。


陶瓷后处理


刚烧结制备的透明陶瓷表面非常的粗糙,表面凹凸不平,会引起入射光的漫反射,降低陶瓷的透光率。因此,需要对制备的陶瓷进行研磨和抛光以提高其透光率。大量实践和研究表明,陶瓷的透光率经研磨和抛光处理之后可以从40%增加到 80%以上。


参考来源:

1、邓佶睿等.透明陶瓷的超高压制备研究进展

2、荆延秋.高质量镁铝尖晶石透明陶瓷的制备和性能研究

3、郭惠露.AlON透明陶瓷的微观结构及其对光学和力学性能的影响

4、张丽庆.Yb:YAG和Tm:YAG 透明陶瓷的制备及其光学性能研究

5、韩丹.镁铝尖晶石透明陶瓷的制备与性能研究


(中国粉体网编辑整理/长安)

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作者:长安

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