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陶瓷是怎樣“煉成”透明陶瓷的？

日期：2020-01-02 瀏覽次數(shù)：次

引言：大家平時(shí)所見(jiàn)的陶瓷材料通常是不透明的，想要讓一塊不透明的陶瓷“變”透明需要具備哪些條件呢？下文小編將就相關(guān)內(nèi)容為大家做一個(gè)小小的科普。

透明陶瓷是指采用陶瓷工藝制備的具有一定透光性的多晶材料，又稱(chēng)為光學(xué)陶瓷。與玻璃或樹(shù)脂類(lèi)光學(xué)材料相比，透明陶瓷具有更強(qiáng)、更硬、更耐腐蝕、更耐高溫等特性，可應(yīng)用于極端惡劣的工況。而生產(chǎn)高性能的單晶體光學(xué)部件則需要大量的時(shí)間和精力，因?yàn)樗仨殢蔫T錠中切割出來(lái)，這涉及到相當(dāng)數(shù)量的材料損失在加工過(guò)程中。采用陶瓷的成型方法，可以近凈成型的制造出高性能的透明陶瓷零部件，可滿(mǎn)足小批量樣品制備和多品種制備或及大批量生產(chǎn)需求。

單晶氧化鋁圖片：Rubicon Technology,Inc

想將這堅(jiān)硬無(wú)比單晶氧化鋁切成想要的形狀來(lái)用，賊難

一、陶瓷材料為何不透明？

陶瓷是一種多晶的無(wú)機(jī)材料，一般是由晶粒、晶界、氣孔等組成。一般而言多晶陶瓷的不透明性是由非等軸(立方)晶系晶粒在排列取向上的隨機(jī)性導(dǎo)致晶粒間折射系數(shù)不連續(xù)，以及晶界效應(yīng)及氣孔等因素引起的散射等原因所致。

在制備陶瓷時(shí)，通過(guò)采用高純、超細(xì)原料，摻入盡可能少的添加劑和工藝上的嚴(yán)格控制，將陶瓷材料中的氣孔和雜質(zhì)充分排除并適當(dāng)控制陶瓷材料的晶粒尺寸，使制品接近于理論密度，從而制備出透明陶瓷。此外，制備透明陶瓷的首要條件是組成陶瓷的單晶體本身是透明的，同時(shí)具有高的對(duì)稱(chēng)性，一般為立方晶系。某些非立方品系的陶瓷材料如六方相的氧化鋁，一定條件下也可制得半透明陶瓷。

立方氮化硅透明陶瓷

高壓下形成的立方氮化硅硬度略次于金剛石，是迄今為止制備出的最強(qiáng)最硬的透明尖晶石型陶瓷，可在1400℃高溫下保持穩(wěn)定。

二、影響陶瓷透明性的因素

影響陶瓷透明性的因素很多，涉及陶瓷制備過(guò)程中的方方面面，其中主要控制的要素是：原料粉體、燒結(jié)過(guò)程、陶瓷的微觀(guān)結(jié)構(gòu)以及后處理過(guò)程。這些因素往往是相互關(guān)聯(lián)的，下面分別就各種影響因素進(jìn)行概述。

1、原料粉體的影響

①晶體結(jié)構(gòu)及缺陷：晶體結(jié)構(gòu)決定陶瓷多晶體的光學(xué)性能，直接影響其透明性。立方晶系的多晶陶瓷僅在晶界上產(chǎn)生散射，在可見(jiàn)光區(qū)域其透明度接近于透明玻璃。正方晶系、三方晶系、六方晶系的晶體，為一軸各向異性晶體，有雙折射現(xiàn)象產(chǎn)生及晶界界面反射損失，透光率較低。而單斜品系、三斜品系、正交晶系的晶體，為二軸各向異性晶體，雙折射現(xiàn)象及晶界界面反射損失更嚴(yán)重，相應(yīng)的多晶材料透光率更低，甚至不透光。有些各向異性晶體(α-氧化鋁)，主折射率的差別微小，晶界界面反射損失不足以嚴(yán)重影響其透明度，因而仍具有較高的透明度。

晶體結(jié)構(gòu)對(duì)陶瓷多晶體透明度影響很大，晶體結(jié)構(gòu)缺陷的影響亦不容忽視。例如：材料中O2-空位的存在，有利于O2-擴(kuò)散，可促進(jìn)氧化物透明陶瓷的燒結(jié)，但燒成的制品中殘留的氧空位會(huì)降低陶瓷的透明度。此外，晶體的位錯(cuò)缺陷、晶粒表面的生長(zhǎng)條紋、品粒結(jié)晶方向取向混亂等結(jié)構(gòu)缺陷也是影響透明度提高的不利因素。

②原料的純度及粒度：制備透明陶瓷要使用高純度(99.5%以上)、高分散、高燒結(jié)活性粉料。原料中雜質(zhì)會(huì)生成異相，形成光的散射中心，減弱投射光在入射方向上的強(qiáng)度，顯著降低制品的透明度。

另外，在保持粉體顆粒高度分散和較高的成型密度的前提下，原料粉體越小越有利于氣孔的排除及燒結(jié)性能提高，但實(shí)際上，原料粒度大小有一個(gè)適合的范圍，過(guò)細(xì)會(huì)導(dǎo)致成型密度低、易團(tuán)聚，以及吸附環(huán)境中的異質(zhì)分子等問(wèn)題。

③原料的分散性：粉體除具有高的純度和小的粒度外，同時(shí)顆粒應(yīng)高度分散，以保障高的燒結(jié)活性。所謂高度分散，是指原料顆粒達(dá)到一定的細(xì)度時(shí)，顆粒仍保持各自的獨(dú)立性，顆粒之間不因?yàn)橄嗷プ饔枚a(chǎn)生團(tuán)聚，形成較大尺寸的二次顆粒。

研究表明，制備透明陶瓷的理想粉體，除要求原料必須具備高純、超細(xì)等特性，制備過(guò)程中不能引入雜質(zhì)、顆粒應(yīng)呈等軸狀外，顆粒之間還不能產(chǎn)生明顯的團(tuán)聚。硬團(tuán)聚體的產(chǎn)生會(huì)使粉體原有的高分散和小顆粒尺寸的優(yōu)勢(shì)完全或部分喪失。當(dāng)粉體成型體中存在較大尺寸的氣孔，這類(lèi)氣孔相對(duì)較小氣孔而言熱力學(xué)穩(wěn)定性高，被排除的動(dòng)力學(xué)阻力較大，甚至難以被排除。團(tuán)聚體的存在，使得粉體成型體中的存在將導(dǎo)致材料無(wú)法燒結(jié)致密，最終難以獲得透明的陶瓷材料。

2、燒成工藝

①氣體介質(zhì)：明陶瓷和普通陶瓷不同，最后須在真空、氫氣氛或其他氣氛中燒成。正確選擇燒成時(shí)的氣體介質(zhì)，是制備透明陶瓷的重要條件之一。在空氣中或惰性氣體介質(zhì)中燒結(jié)，因空氣或惰性氣體殘留于氣孔中，不利于氣孔的排除，很難制得無(wú)氣孔的透明陶瓷。因此，有必要經(jīng)真空或使用氫氣氣氛燒結(jié)。對(duì)于陽(yáng)離子和陰離子揮發(fā)性小且區(qū)別不大的化合物可使用真空燒成，例如，使用真空燒結(jié)可以制得氧化鋁、氧化釔、氧化鈧和氧化鋯等透明陶瓷。

②燒成溫度：透明陶瓷需要比一般陶瓷制品更高的燒結(jié)溫度才能排除氣孔，達(dá)到透明化燒結(jié)。燒制透明陶瓷時(shí)，要根據(jù)燒結(jié)材料的性質(zhì)和坯體的性能及大小確定最高燒成溫度。最佳燒成溫度還與熱工設(shè)備的承受能力有關(guān)，同時(shí)要考慮節(jié)能?？偠灾?，在保證光學(xué)透明度的前提下，透明陶瓷的燒成溫度應(yīng)盡可能低一些。

③燒結(jié)添加劑：燒結(jié)添加劑一方面可以有效降低燒結(jié)溫度，二來(lái)可以抑制晶界的遷移和晶粒生產(chǎn)，促進(jìn)氣孔排除，有利于燒結(jié)的致密化，但過(guò)量的添加反而會(huì)產(chǎn)生第二相，影響透光性。確定添加劑的用量時(shí)應(yīng)保證它不以新的固相形式析出，而完全進(jìn)入主晶相形成固溶體為宜。

3、陶瓷的微觀(guān)結(jié)構(gòu)

①晶界結(jié)構(gòu)：晶界是破壞陶瓷體光學(xué)均勻性，從而引起光的散射，致使材料的透光率下降的重要因素之一。陶瓷材料的物相組成通常包含兩相或更多相，這種多相結(jié)構(gòu)容易導(dǎo)致光在相界表面上發(fā)生散射。材料的組成差異越大，折射率相差越大，整個(gè)陶瓷的透光率越低。因而透明陶瓷晶界區(qū)應(yīng)微薄、光匹配性好、無(wú)氣孔及夾雜物、位錯(cuò)等。具有各向同性晶體的陶瓷材料可以達(dá)到與玻璃相近的直線(xiàn)透光率。

②晶粒尺寸：陶瓷多晶體的晶粒尺寸對(duì)透明陶瓷的透光率也有很大的影響，當(dāng)入射光波長(zhǎng)相當(dāng)于晶粒直徑時(shí)，光的散射效應(yīng)最大，透光率最低。因此為提高透明陶瓷的透光率，應(yīng)將晶粒粒徑控制在入射光的波長(zhǎng)范圍之外。

③陶瓷的氣孔率：透明陶瓷的制備過(guò)程實(shí)質(zhì)上就是在燒結(jié)過(guò)程中完全排除顯微氣孔的致密化過(guò)程，材料中的氣孔尺寸、數(shù)量、種類(lèi)都會(huì)對(duì)陶瓷材料的透明性產(chǎn)生顯著影響。氣孔率的微小變化可顯著改變材料透光率。舉個(gè)例子，有研究表明，陶瓷體中的閉口氣孔率從0.25%變?yōu)?.85%時(shí)，透明度降低33%。盡管這可能是在某種特定情況下的結(jié)果，但從某些程度上我們可以看出氣孔率對(duì)陶瓷透明度的影響是會(huì)很直接暴力的體現(xiàn)。又有研究數(shù)據(jù)表明，氣孔體積占3%時(shí)，透光率0.01%，0.3%時(shí)，透光率10%。因此，透明陶瓷一定要提高致密度，降低氣孔率，通常致密度大于99.9%。

4、表面加工光潔度

透明陶瓷的透光率還受表面光潔度的制約。燒結(jié)后未經(jīng)處理的陶瓷表面具有較高的粗糙度，呈現(xiàn)微小的凹凸?fàn)?，光線(xiàn)入射到這種面上會(huì)發(fā)生漫反射。燒結(jié)陶瓷的組糙度越大，其透明度就越低。

粗糙度增加時(shí)的鏡反射（a）、漫反射（b）和完全反射（c）

下圖為透明陶瓷樣品的透過(guò)率測(cè)試曲線(xiàn)，樣品在拋光前最大透過(guò)率在15%左右，拋光后，最大透過(guò)率在60%左右，透過(guò)率大大提高。

透明陶瓷試樣拋光前后的透光率

三、透明陶瓷的主要應(yīng)用領(lǐng)域

透明陶瓷的種類(lèi)按材料體系分為氧化物、氟化物、氮化物、氧氮化物、氧硫化物、硫化物、硒化物和碲化物等。不同類(lèi)型的透明陶瓷材料，除了具有透光性外，還具有電光效應(yīng)，磁光效應(yīng)，以及高強(qiáng)度、耐高溫、耐腐蝕、耐沖刷等優(yōu)異性能，在工業(yè)上及軍事上有著廣泛的應(yīng)用。

其中工業(yè)上主要應(yīng)用于照明行業(yè)、激光領(lǐng)域、高能射線(xiàn)探測(cè)等領(lǐng)域，主要應(yīng)用的材料有：照明燈管用透明材料、透波材料、激光陶瓷、閃爍材料以及窗口材料等。由于透明陶瓷的獨(dú)特得性能及制備成本優(yōu)勢(shì)，在軍事上也有著廣泛應(yīng)用，例如MgF2作為紅外窗口材料、YAG作為激光材料，AlON透明陶瓷作為防護(hù)材料，MgAl2O4透明陶瓷作為導(dǎo)彈端頭帽以及窗口材料等。