透明陶瓷

透明陶瓷1.简介2.透明陶瓷的发展3.影响透明陶瓷性能的主要因素4.透明陶瓷的研究趋势1.简介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线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,随后美国陶瓷学家R·LCoble制备得到透明氧化铝陶瓷证实了这一点这种透明氧化铝陶瓷材料不仅具有良好的透光性,而且在力学、光学、热学、电学等诸多性能方面优于不透明陶瓷,在光学、照明技术、高温技术、激光技术及特种仪器制造等领域具有特殊的用途。由于这种材料在保持同类陶瓷材料所有的性能外还具有透光性，因而在许多情况下更显其优越性：高密度和没有玻璃相使这种陶瓷材料更能耐腐蚀，2.透明陶瓷的发展透明陶瓷是二十世纪50年代末发展起来的。经过几十年的发展，已制备了一系列的透明陶瓷。如氧化铝透明陶瓷、氧化钇透明陶瓷、氮化铝透明陶瓷以及电光透明陶瓷和激光透明陶瓷等。2.1氧化物透明陶瓷氧化物透明陶瓷是研究得最早的一类透明陶瓷也是研究较多的一类。因为非氧化物透明陶瓷的制备比氧化物透明陶瓷的制备要困难一些，这是由于非氧化物具有比较低的烧结活性以及非氧化物中杂质含量高，尤其是氧含量高。2.1.1氧化铝透明陶瓷氧化铝透明陶瓷是最早投入生产的透明陶瓷材料。这种透明陶瓷不仅能有效透过可见光和红外线，而且具有较高的热导率、较大的高温强度、良好的热稳定性和耐腐蚀性。主要应用于高压钠灯灯管、高温红外探测窗、高频绝缘材料及集成电路基片材料等。2.1.2氧化钇透明陶瓷由于氧化钇是立方晶系晶体，具有光学各向同性的性质，使得其具有优越的透光性能。氧化钇透明陶瓷在宽广的频率范围内，特别是在红外区中，具有很高的透光率。由于高的耐火度，可用作高温炉的观察窗以及作高温条件应用的透镜。此外，氧化钇透明陶瓷还可用于微波基板、红外发生器管、天线罩等。2.2透明铁电陶瓷PLZT电光陶瓷是一种典型的透明铁电陶瓷，是掺镧的锆钛酸铅。这种材料具有较高的光透过率和电光效应，人工极化后还具有压电、光学双折射等特性。主要用于制作光调制器、光衰减器、光隔离器、光开关等光电器件，也可制成PLZT薄膜，在电光和光学方面具有较多的应用。2.3氮化铝透明陶瓷氮化铝陶瓷具有高热导率、高电绝缘性、高硬度、低热膨胀系数、优良的光学性能和声波传播性能、优良的耐金属侵蚀性能，良好的耐化学腐蚀性能等。然而，AIN是共价键化合物，并且在合成AIN粉过程中残留有杂质碳或者其他金属杂质，而且AIN很容易水解引入氧杂质，影响制品的致密度和透光性，导致其发展缓慢。氮化铝陶瓷的突出用途是用做基板材料。目前国内外主要采用Al2O3陶瓷作为基板材料。然而近年来随着半导体元件的发展，要求导热系数大的陶瓷基板。AIN的热导系数是Al2O3的8～10倍，是很有发展前途的基板材料。相对于普通氮化铝陶瓷，氮化铝透明陶瓷具有较高的纯度和烧结性、优异的综合性能，应用前景广阔。2.4钇铝石榴石透明陶瓷钇铝石榴石化学式Y3Al5O12，是一种优良的激光基质。主要应用于医学和高能物理领域。提高透明性和光输出率仍是研究的关键技术问题。3.影响透明陶瓷性能的主要因素当光通过某一介质时，由于介质的吸收、散射和折射等效应而使其强度衰减，对于透明陶瓷而言，这种衰减除了与材料的化学组成有关外，主要取决于材料的显微组织结构。若入射光的强度为I0，试样的厚度为t，试样的反射率为r，则透过试样的光强度I为：（1）022221)1(IeerrItt式中反射率很小时可忽略多次反射，则式（1）可表示为：（2）其中，为线收缩系数，Sim为散射数，Sop为折射在不连续界面上（如晶界、晶界层等）的散射系数。SopSim])(2exp[)1(20tSopSimrII从式(2)可知，要获得高的透光率，必须使各个系数尽可能小或趋于零，因此透明陶瓷应该没有或尽量减少如气孔和晶界等这样的吸收中心和散射中心，同时还应是单相的、由均质晶体组成，并具有较高的光洁度。所以陶瓷的晶界组织结构和残余气孔是影响透光性的主要因素。陶瓷材料的透光性的主要影响因素：1.气孔率2.晶界结构3.原料与添加剂4.烧成气氛5.表面加工光洁度3.1气孔率对透明陶瓷透光性能影响最大的因素是气孔率。普通陶瓷即使具有很高的致密度，往往也不是透明的，这是因为其中有很多封闭的气孔。文献指出,总气孔率超过1%的氧化物陶瓷基本是不透明的，因为气孔的折射率非常低(约为1.0)，这些气孔在光线传播的过程中会使光线发生多次反射，从而大大降低材料的透明度。陶瓷内部的气孔可存在于晶体之间和晶体内部。晶体之间的气孔处于晶界上容易排除，而晶体内部的气孔即使是小于微米级的也很难排除。因此晶体内部气孔对于获得透明陶瓷是最危险的。因此要从每一个工艺阶段：原料粉体的制备、预烧、烧成。来防止气孔的产生。3.2晶界结构首先，晶界是破坏陶瓷体光学均匀性、从而引起光的散射、致使材料的透光率下降的重要因素之一。当单位体积晶界数量较多，晶体配置杂乱无序，入射光透过晶界时，必然引起光的连续反射、折射，这样其透光率也就降低。因此晶界应微薄、光匹配性好、无气孔及夹杂物、位错等缺陷。其次，陶瓷材料的物相组成中通常包含着两相或更多相，这种多相结构会导致光在相界表面上发生散射。材料的组成差异越大，折射率相差越大，整个陶瓷的透光率越低。3.3原料与添加剂原料的粉体粒径应小于1um以外，尺寸要均匀，不产生团聚。所以有时需加入添加剂。一方面是使烧结过程中出现液相，降低烧结温度，另一方面是抑制晶粒的长大，缩短晶内气孔的扩散路程，从而有利于得到致密的透光性好的透明陶瓷。添加剂用量一般很少，应能均匀分布于材料中，完全溶于主晶相，不生成第二相物质，也就是不破坏系统的单相性。只有这样，气孔脱离晶界时转变为晶内气孔的概率才小。例如在烧结Al2O3透明陶瓷时，加入MgO。但是由于MgO局部偏析，在MgO分布较高的区域超过了固溶极限，就会在晶界上析出第二相（MgAl2O3）尖晶石，从而成为光的散射中心，使Sim增长，降低了Al2O3陶瓷的透光性。3.4烧成气氛透明陶瓷和普通陶瓷不同，最后须经真空、氢气氛或其他气氛中烧成。对于阳离子和阴离子挥发性小的陶瓷，当尺寸差异不大时可以采用在真空气氛下烧成。在氢气氛中烧成透明氧化物陶瓷时，一般使用一定量的水蒸汽，具有水蒸气的气氛能给予氧化物还原反应，因为气体在固体中的扩散系数较小。3.5表面加工光洁度透明陶瓷的透光度还受表面加工光洁度的制约。烧结后未处理面具有较大的粗糙度，即呈现微小的凹凸状，光线入射到这种面上会发生漫反射。其表面的粗糙度越大，其透明度就越低。陶瓷表面的粗糙度与原料的细散度有关。除选用高细散度原料外，还应对陶瓷表面进行研磨和抛光。最终表面光洁度达到11～13级。4.透明陶瓷的研究趋势透明陶瓷自问世以来，其优异的性能以及广泛的用途受到了研究者的极大关注，无论是性能的提高还是新型透明陶瓷的研究都取得了很大的发展。但在具体研究和制备过程中仍然有不少问题存在，尤其是在制备过程中原有生产工艺比较单一。比如用传统工艺制备透明氧化铝陶瓷时，大部分制品可能会出现发灰、发黑的现象。对透明陶瓷的研究趋势将是：拓展其性能尽可能满足不同领域的应用要求；不断改善现有透明陶瓷的制备工艺；探索如何将其投入生产，逐步解决生产工艺过程中出现的技术问题，使得透明陶瓷的工业化生产以及应用技术趋于成熟。THEEND