陶瓷是怎样“炼成”透明陶瓷的？

日期：2020-01-02 浏览次数：次

引(yin)言(yan)：大家平时(shi)所见的(de)陶(tao)瓷材(cai)料通(tong)常(chang)是不透(tou)明(ming)的(de)，想要让(rang)一(yi)块不透(tou)明(ming)的(de)陶(tao)瓷“变(bian)”透(tou)明(ming)需(xu)要具(ju)备哪些条件呢？下文(wen)小编(bian)将就相关内容为大家做一(yi)个小小的(de)科普。

透(tou)明(ming)陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)是指采用(yong)陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)工(gong)(gong)艺制备的(de)(de)具(ju)有(you)一(yi)定透(tou)光(guang)性(xing)的(de)(de)多晶材(cai)料(liao)，又称(cheng)为光(guang)学(xue)陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)。与玻璃或树脂类(lei)光(guang)学(xue)材(cai)料(liao)相(xiang)比(bi)，透(tou)明(ming)陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)具(ju)有(you)更强、更硬(ying)、更耐(nai)腐蚀、更耐(nai)高(gao)温等特性(xing)，可(ke)应(ying)用(yong)于(yu)极端恶(e)劣的(de)(de)工(gong)(gong)况(kuang)。而生产(chan)高(gao)性(xing)能的(de)(de)单晶体光(guang)学(xue)部(bu)件则(ze)需要(yao)大量(liang)的(de)(de)时间(jian)和精力，因为它必(bi)须从铸锭中切割出(chu)来，这涉及到相(xiang)当数(shu)量(liang)的(de)(de)材(cai)料(liao)损失(shi)在(zai)加工(gong)(gong)过程中。采用(yong)陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)的(de)(de)成(cheng)型方法，可(ke)以近净成(cheng)型的(de)(de)制造出(chu)高(gao)性(xing)能的(de)(de)透(tou)明(ming)陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)零部(bu)件，可(ke)满足小批量(liang)样(yang)品制备和多品种制备或及大批量(liang)生产(chan)需求。

单晶(jing)氧化铝图片：Rubicon Technology,Inc

想将(jiang)这坚硬无(wu)比(bi)单晶(jing)氧(yang)化铝切成想要的形状来用，贼难

一、陶瓷材料为何不透明？

陶(tao)瓷是一种(zhong)多晶(jing)(jing)的(de)无机(ji)材料，一般(ban)是由(you)晶(jing)(jing)粒(li)、晶(jing)(jing)界、气(qi)(qi)孔等(deng)(deng)组成。一般(ban)而(er)言多晶(jing)(jing)陶(tao)瓷的(de)不透明性(xing)是由(you)非等(deng)(deng)轴(立方)晶(jing)(jing)系(xi)晶(jing)(jing)粒(li)在排列取向上的(de)随机(ji)性(xing)导(dao)致晶(jing)(jing)粒(li)间折射系(xi)数不连续，以(yi)及晶(jing)(jing)界效应及气(qi)(qi)孔等(deng)(deng)因素引起的(de)散射等(deng)(deng)原(yuan)因所致。

在制(zhi)备陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci)(ci)时，通过采用高(gao)纯(chun)、超细原(yuan)料(liao)，掺入尽(jin)可能少的(de)(de)添加剂和(he)工(gong)艺上的(de)(de)严(yan)格控制(zhi)，将陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci)(ci)材料(liao)中的(de)(de)气孔和(he)杂质充分排除并适当控制(zhi)陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci)(ci)材料(liao)的(de)(de)晶粒(li)尺寸，使制(zhi)品(pin)接近于(yu)理论密度，从而制(zhi)备出透(tou)明(ming)陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci)(ci)。此外，制(zhi)备透(tou)明(ming)陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci)(ci)的(de)(de)首(shou)要条件是组(zu)成陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci)(ci)的(de)(de)单(dan)晶体本身是透(tou)明(ming)的(de)(de)，同时具有高(gao)的(de)(de)对称性，一(yi)般为(wei)立方(fang)晶系(xi)。某些(xie)非(fei)立方(fang)品(pin)系(xi)的(de)(de)陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci)(ci)材料(liao)如(ru)六方(fang)相的(de)(de)氧化铝，一(yi)定条件下也可制(zhi)得半透(tou)明(ming)陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci)(ci)。

立方氮化硅透明陶瓷(ci)

高压下形成的立方(fang)氮化(hua)硅硬度略(lve)次于金刚石，是(shi)迄(qi)今为(wei)止制(zhi)备出的最强最硬的透(tou)明(ming)尖(jian)晶石型陶(tao)瓷，可在1400℃高温(wen)下保(bao)持稳定。

二、影响陶瓷透明性的因素

影响(xiang)陶(tao)瓷透明性的(de)(de)因素(su)很多(duo)，涉及陶(tao)瓷制备过程(cheng)(cheng)中(zhong)的(de)(de)方方面(mian)面(mian)，其(qi)中(zhong)主要(yao)控制的(de)(de)要(yao)素(su)是：原料粉体(ti)、烧结过程(cheng)(cheng)、陶(tao)瓷的(de)(de)微观结构以及后处理过程(cheng)(cheng)。这些(xie)因素(su)往往是相互关联的(de)(de)，下面(mian)分别就各种影响(xiang)因素(su)进行概述。

1、原料粉体的影响

①晶(jing)(jing)体结构及(ji)(ji)缺陷：晶(jing)(jing)体结构决定(ding)陶(tao)瓷多(duo)晶(jing)(jing)体的(de)光(guang)(guang)学性(xing)能，直(zhi)接影(ying)响(xiang)其(qi)透(tou)(tou)(tou)(tou)明(ming)(ming)性(xing)。立(li)方晶(jing)(jing)系(xi)的(de)多(duo)晶(jing)(jing)陶(tao)瓷仅在晶(jing)(jing)界(jie)上(shang)产生散射(she)，在可见光(guang)(guang)区域其(qi)透(tou)(tou)(tou)(tou)明(ming)(ming)度(du)接近于透(tou)(tou)(tou)(tou)明(ming)(ming)玻璃。正方晶(jing)(jing)系(xi)、三方晶(jing)(jing)系(xi)、六(liu)方晶(jing)(jing)系(xi)的(de)晶(jing)(jing)体，为一轴(zhou)各向(xiang)异(yi)性(xing)晶(jing)(jing)体，有(you)双(shuang)折射(she)现象产生及(ji)(ji)晶(jing)(jing)界(jie)界(jie)面反射(she)损(sun)失，透(tou)(tou)(tou)(tou)光(guang)(guang)率(lv)较(jiao)低。而(er)单(dan)斜品(pin)系(xi)、三斜品(pin)系(xi)、正交晶(jing)(jing)系(xi)的(de)晶(jing)(jing)体，为二轴(zhou)各向(xiang)异(yi)性(xing)晶(jing)(jing)体，双(shuang)折射(she)现象及(ji)(ji)晶(jing)(jing)界(jie)界(jie)面反射(she)损(sun)失更(geng)严重，相(xiang)应的(de)多(duo)晶(jing)(jing)材料(liao)透(tou)(tou)(tou)(tou)光(guang)(guang)率(lv)更(geng)低，甚至(zhi)不(bu)透(tou)(tou)(tou)(tou)光(guang)(guang)。有(you)些各向(xiang)异(yi)性(xing)晶(jing)(jing)体(α-氧化铝)，主折射(she)率(lv)的(de)差别微小，晶(jing)(jing)界(jie)界(jie)面反射(she)损(sun)失不(bu)足以(yi)严重影(ying)响(xiang)其(qi)透(tou)(tou)(tou)(tou)明(ming)(ming)度(du)，因(yin)而(er)仍具有(you)较(jiao)高的(de)透(tou)(tou)(tou)(tou)明(ming)(ming)度(du)。

晶体(ti)结(jie)(jie)构对陶瓷(ci)(ci)多晶体(ti)透(tou)(tou)(tou)明度(du)影响很大，晶体(ti)结(jie)(jie)构缺陷(xian)的(de)(de)影响亦不(bu)容忽(hu)视。例如：材料(liao)中O2-空(kong)位(wei)的(de)(de)存在，有利(li)(li)于(yu)O2-扩散，可(ke)促进氧化物透(tou)(tou)(tou)明陶瓷(ci)(ci)的(de)(de)烧结(jie)(jie)，但烧成(cheng)的(de)(de)制品(pin)中残(can)留的(de)(de)氧空(kong)位(wei)会降低陶瓷(ci)(ci)的(de)(de)透(tou)(tou)(tou)明度(du)。此外，晶体(ti)的(de)(de)位(wei)错(cuo)缺陷(xian)、晶粒表面的(de)(de)生长条(tiao)纹、品(pin)粒结(jie)(jie)晶方(fang)向(xiang)取向(xiang)混(hun)乱等结(jie)(jie)构缺陷(xian)也是影响透(tou)(tou)(tou)明度(du)提高的(de)(de)不(bu)利(li)(li)因素。

②原(yuan)料的(de)(de)纯度(du)(du)及粒度(du)(du)：制备透明陶(tao)瓷(ci)要使用高(gao)纯度(du)(du)(99.5%以上(shang))、高(gao)分散、高(gao)烧结活(huo)性(xing)粉料。原(yuan)料中杂质会生成(cheng)异相，形成(cheng)光(guang)的(de)(de)散射(she)中心，减弱(ruo)投射(she)光(guang)在(zai)入射(she)方向上(shang)的(de)(de)强度(du)(du)，显著降(jiang)低制品的(de)(de)透明度(du)(du)。

另外，在保持粉体颗(ke)粒高(gao)(gao)度(du)分散和(he)较高(gao)(gao)的(de)(de)成型密(mi)(mi)度(du)的(de)(de)前提下，原料(liao)粉体越小(xiao)越有利于气(qi)孔的(de)(de)排除(chu)及(ji)烧(shao)结性(xing)能提高(gao)(gao)，但实际上，原料(liao)粒度(du)大小(xiao)有一(yi)个(ge)适合(he)的(de)(de)范围，过(guo)细会导(dao)致成型密(mi)(mi)度(du)低、易团聚，以及(ji)吸附环境(jing)中的(de)(de)异质分子等(deng)问题(ti)。

③原(yuan)料的(de)(de)分(fen)散性：粉(fen)体除具有高的(de)(de)纯度和(he)小的(de)(de)粒(li)(li)度外(wai)，同(tong)时颗粒(li)(li)应(ying)高度分(fen)散，以保(bao)障高的(de)(de)烧结(jie)活性。所谓(wei)高度分(fen)散，是指原(yuan)料颗粒(li)(li)达(da)到一(yi)定(ding)的(de)(de)细度时，颗粒(li)(li)仍保(bao)持各自的(de)(de)独立性，颗粒(li)(li)之间不因为相(xiang)互作用而产生团聚(ju)，形成较大尺寸(cun)的(de)(de)二次颗粒(li)(li)。

研究表明，制备(bei)透(tou)(tou)明陶瓷的(de)理想粉(fen)体，除要(yao)求原料必(bi)须具备(bei)高纯、超(chao)细等特性，制备(bei)过程中不(bu)能(neng)引入杂质、颗粒应呈等轴状外，颗粒之间还不(bu)能(neng)产生明显的(de)团(tuan)聚。硬团(tuan)聚体的(de)产生会使粉(fen)体原有的(de)高分(fen)散和小颗粒尺(chi)寸的(de)优势(shi)完全或部分(fen)丧失。当粉(fen)体成(cheng)型(xing)体中存在较(jiao)大(da)尺(chi)寸的(de)气(qi)孔(kong)，这类气(qi)孔(kong)相(xiang)对较(jiao)小气(qi)孔(kong)而言热力学(xue)稳定性高，被(bei)(bei)排除的(de)动力学(xue)阻(zu)力较(jiao)大(da)，甚(shen)至难(nan)以(yi)被(bei)(bei)排除。团(tuan)聚体的(de)存在，使得粉(fen)体成(cheng)型(xing)体中的(de)存在将导致(zhi)(zhi)材料无法烧结(jie)致(zhi)(zhi)密，最(zui)终难(nan)以(yi)获(huo)得透(tou)(tou)明的(de)陶瓷材料。

2、烧成工艺

①气(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)体(ti)介质(zhi)(zhi)：明陶瓷(ci)(ci)(ci)和(he)普通陶瓷(ci)(ci)(ci)不(bu)同，最后(hou)须在真(zhen)(zhen)空、氢气(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)氛(fen)或(huo)其(qi)他气(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)氛(fen)中烧(shao)(shao)成。正(zheng)确选择(ze)烧(shao)(shao)成时的(de)(de)(de)气(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)体(ti)介质(zhi)(zhi)，是制(zhi)备透明陶瓷(ci)(ci)(ci)的(de)(de)(de)重要条(tiao)件之一。在空气(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)中或(huo)惰(duo)性气(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)体(ti)介质(zhi)(zhi)中烧(shao)(shao)结，因空气(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)或(huo)惰(duo)性气(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)体(ti)残留于(yu)(yu)气(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)中，不(bu)利于(yu)(yu)气(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)的(de)(de)(de)排除(chu)，很(hen)难制(zhi)得(de)无气(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)孔(kong)的(de)(de)(de)透明陶瓷(ci)(ci)(ci)。因此，有(you)必(bi)要经真(zhen)(zhen)空或(huo)使(shi)用氢气(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)气(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)氛(fen)烧(shao)(shao)结。对于(yu)(yu)阳(yang)离子和(he)阴离子挥发(fa)性小且区(qu)别(bie)不(bu)大的(de)(de)(de)化(hua)合物可使(shi)用真(zhen)(zhen)空烧(shao)(shao)成，例(li)如(ru)，使(shi)用真(zhen)(zhen)空烧(shao)(shao)结可以制(zhi)得(de)氧(yang)(yang)化(hua)铝、氧(yang)(yang)化(hua)钇(yi)、氧(yang)(yang)化(hua)钪和(he)氧(yang)(yang)化(hua)锆等透明陶瓷(ci)(ci)(ci)。

②烧(shao)成(cheng)(cheng)(cheng)温(wen)度(du)：透(tou)(tou)明陶瓷(ci)需要(yao)比一般陶瓷(ci)制(zhi)品更(geng)高的烧(shao)结(jie)温(wen)度(du)才能排(pai)除气孔，达到透(tou)(tou)明化烧(shao)结(jie)。烧(shao)制(zhi)透(tou)(tou)明陶瓷(ci)时(shi)，要(yao)根据(ju)烧(shao)结(jie)材料的性质和坯体(ti)的性能及大小确定(ding)最(zui)高烧(shao)成(cheng)(cheng)(cheng)温(wen)度(du)。最(zui)佳烧(shao)成(cheng)(cheng)(cheng)温(wen)度(du)还与热工设(she)备的承受能力有关，同时(shi)要(yao)考虑节能。总而言(yan)之(zhi)，在保证(zheng)光学(xue)透(tou)(tou)明度(du)的前提下，透(tou)(tou)明陶瓷(ci)的烧(shao)成(cheng)(cheng)(cheng)温(wen)度(du)应尽可能低一些。

③烧(shao)(shao)结添加剂：烧(shao)(shao)结添加剂一方面可以(yi)有(you)效降低烧(shao)(shao)结温度(du)，二(er)(er)来可以(yi)抑制晶(jing)(jing)界的(de)迁移和晶(jing)(jing)粒生产，促进(jin)气孔排除(chu)，有(you)利于烧(shao)(shao)结的(de)致密化，但过量的(de)添加反而(er)会产生第(di)二(er)(er)相(xiang)(xiang)，影响(xiang)透光性。确(que)定添加剂的(de)用量时应保(bao)证它(ta)不以(yi)新的(de)固(gu)(gu)相(xiang)(xiang)形式(shi)析出，而(er)完全进(jin)入(ru)主晶(jing)(jing)相(xiang)(xiang)形成固(gu)(gu)溶体为宜。

3、陶瓷的微观结构

①晶界(jie)结构：晶界(jie)是(shi)破坏陶瓷(ci)(ci)体光(guang)学均匀(yun)性(xing)，从而(er)引起光(guang)的(de)散射(she)，致(zhi)使(shi)材(cai)料的(de)透(tou)光(guang)率下降的(de)重要因(yin)(yin)素之(zhi)一(yi)。陶瓷(ci)(ci)材(cai)料的(de)物相(xiang)组成(cheng)通(tong)常包含两相(xiang)或更多相(xiang)，这(zhei)种(zhong)多相(xiang)结构容易导致(zhi)光(guang)在(zai)相(xiang)界(jie)表面上(shang)发生散射(she)。材(cai)料的(de)组成(cheng)差异越大(da)，折射(she)率相(xiang)差越大(da)，整个陶瓷(ci)(ci)的(de)透(tou)光(guang)率越低。因(yin)(yin)而(er)透(tou)明(ming)陶瓷(ci)(ci)晶界(jie)区应微薄、光(guang)匹(pi)配性(xing)好、无气孔(kong)及(ji)夹杂物、位错等。具有各向同(tong)性(xing)晶体的(de)陶瓷(ci)(ci)材(cai)料可以(yi)达到与(yu)玻璃(li)相(xiang)近的(de)直线透(tou)光(guang)率。

②晶(jing)粒(li)尺(chi)寸：陶瓷(ci)(ci)多晶(jing)体(ti)的晶(jing)粒(li)尺(chi)寸对透明陶瓷(ci)(ci)的透光率(lv)也有很(hen)大的影响，当(dang)入(ru)射光波长相(xiang)当(dang)于晶(jing)粒(li)直径时(shi)，光的散射效应(ying)最大，透光率(lv)最低。因此为提高透明陶瓷(ci)(ci)的透光率(lv)，应(ying)将晶(jing)粒(li)粒(li)径控制(zhi)在(zai)入(ru)射光的波长范围之外。

③陶(tao)瓷的(de)(de)(de)气(qi)孔(kong)(kong)率(lv)：透(tou)(tou)(tou)(tou)(tou)明(ming)(ming)陶(tao)瓷的(de)(de)(de)制(zhi)备过(guo)(guo)程实质上就是在烧结(jie)过(guo)(guo)程中完(wan)全(quan)排(pai)除(chu)显(xian)微气(qi)孔(kong)(kong)的(de)(de)(de)致(zhi)密(mi)化过(guo)(guo)程，材料(liao)中的(de)(de)(de)气(qi)孔(kong)(kong)尺(chi)寸、数(shu)量、种(zhong)类都会对(dui)陶(tao)瓷材料(liao)的(de)(de)(de)透(tou)(tou)(tou)(tou)(tou)明(ming)(ming)性产生显(xian)著影响。气(qi)孔(kong)(kong)率(lv)的(de)(de)(de)微小变(bian)化可显(xian)著改变(bian)材料(liao)透(tou)(tou)(tou)(tou)(tou)光(guang)(guang)率(lv)。举个(ge)例子，有研究(jiu)(jiu)表明(ming)(ming)，陶(tao)瓷体中的(de)(de)(de)闭口气(qi)孔(kong)(kong)率(lv)从(cong)(cong)0.25%变(bian)为0.85%时(shi)(shi)，透(tou)(tou)(tou)(tou)(tou)明(ming)(ming)度降(jiang)低33%。尽管这可能是在某(mou)(mou)种(zhong)特定情况下的(de)(de)(de)结(jie)果(guo)，但(dan)从(cong)(cong)某(mou)(mou)些(xie)程度上我(wo)们可以(yi)看出气(qi)孔(kong)(kong)率(lv)对(dui)陶(tao)瓷透(tou)(tou)(tou)(tou)(tou)明(ming)(ming)度的(de)(de)(de)影响是会很直(zhi)接暴力的(de)(de)(de)体现。又有研究(jiu)(jiu)数(shu)据表明(ming)(ming)，气(qi)孔(kong)(kong)体积占3%时(shi)(shi)，透(tou)(tou)(tou)(tou)(tou)光(guang)(guang)率(lv)0.01%，0.3%时(shi)(shi)，透(tou)(tou)(tou)(tou)(tou)光(guang)(guang)率(lv)10%。因此，透(tou)(tou)(tou)(tou)(tou)明(ming)(ming)陶(tao)瓷一定要提高致(zhi)密(mi)度，降(jiang)低气(qi)孔(kong)(kong)率(lv)，通常致(zhi)密(mi)度大于(yu)99.9%。

4、表面加工光洁度

透(tou)明陶瓷的透(tou)光(guang)(guang)率(lv)还受(shou)表面(mian)光(guang)(guang)洁度(du)(du)的制约。烧(shao)结后未(wei)经处理(li)的陶瓷表面(mian)具有(you)较(jiao)高的粗糙(cao)度(du)(du)，呈现微小的凹凸状，光(guang)(guang)线入射到这种面(mian)上会发生漫反(fan)射。烧(shao)结陶瓷的组糙(cao)度(du)(du)越(yue)大，其透(tou)明度(du)(du)就越(yue)低。

粗糙度增(zeng)加(jia)时的镜反(fan)射（a）、漫反(fan)射（b）和完(wan)全反(fan)射（c）

下图为(wei)透明陶瓷(ci)样品的(de)透过率测试曲线，样品在抛光(guang)前最(zui)大(da)透过率在15%左右(you)，抛光(guang)后(hou)，最(zui)大(da)透过率在60%左右(you)，透过率大(da)大(da)提高。

透(tou)明陶瓷试样抛光前(qian)后的透(tou)光率

三、透明陶瓷的主要应用领域

透(tou)(tou)明陶(tao)(tao)瓷的种类按材料体系分为氧(yang)化(hua)(hua)物(wu)(wu)、氟化(hua)(hua)物(wu)(wu)、氮化(hua)(hua)物(wu)(wu)、氧(yang)氮化(hua)(hua)物(wu)(wu)、氧(yang)硫(liu)化(hua)(hua)物(wu)(wu)、硫(liu)化(hua)(hua)物(wu)(wu)、硒化(hua)(hua)物(wu)(wu)和碲化(hua)(hua)物(wu)(wu)等。不同类型的透(tou)(tou)明陶(tao)(tao)瓷材料，除(chu)了具(ju)有(you)透(tou)(tou)光性外，还具(ju)有(you)电光效应，磁(ci)光效应，以及高强度、耐(nai)高温(wen)、耐(nai)腐蚀、耐(nai)冲(chong)刷(shua)等优(you)异(yi)性能(neng)，在工(gong)业上及军事上有(you)着(zhe)广泛的应用。

其中工业上主要应(ying)用于照(zhao)明行业、激(ji)光领域、高能射(she)线探测等领域，主要应(ying)用的材(cai)(cai)(cai)料有(you)：照(zhao)明灯管用透明材(cai)(cai)(cai)料、透波材(cai)(cai)(cai)料、激(ji)光陶瓷(ci)、闪烁(shuo)材(cai)(cai)(cai)料以及(ji)窗(chuang)口(kou)材(cai)(cai)(cai)料等。由于透明陶瓷(ci)的独特得性能及(ji)制备成本优势，在军事上也有(you)着广(guang)泛应(ying)用，例如MgF2作为(wei)红(hong)外窗(chuang)口(kou)材(cai)(cai)(cai)料、YAG作为(wei)激(ji)光材(cai)(cai)(cai)料，AlON透明陶瓷(ci)作为(wei)防护材(cai)(cai)(cai)料，MgAl2O4透明陶瓷(ci)作为(wei)导弹端头(tou)帽以及(ji)窗(chuang)口(kou)材(cai)(cai)(cai)料等。