陶瓷是怎样“炼成”透明陶瓷的？

日期：2020-01-02 浏览次数：次

引言(yan)：大家平时所见的(de)陶(tao)瓷材料通常是不透明的(de)，想要让一(yi)块不透明的(de)陶(tao)瓷“变”透明需要具备哪些(xie)条(tiao)件呢(ni)？下(xia)文小编将(jiang)就相关内(nei)容为(wei)大家做一(yi)个(ge)小小的(de)科普(pu)。

透(tou)(tou)明(ming)(ming)陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)是(shi)指采(cai)用陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)工艺(yi)制(zhi)备(bei)(bei)的(de)(de)具(ju)有(you)(you)一定(ding)透(tou)(tou)光(guang)(guang)性(xing)(xing)的(de)(de)多(duo)晶材料(liao)，又称为光(guang)(guang)学陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)。与玻璃或树脂类光(guang)(guang)学材料(liao)相比(bi)，透(tou)(tou)明(ming)(ming)陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)具(ju)有(you)(you)更(geng)强、更(geng)硬、更(geng)耐腐(fu)蚀、更(geng)耐高温(wen)等特(te)性(xing)(xing)，可(ke)应用于极端恶劣的(de)(de)工况。而(er)生产(chan)高性(xing)(xing)能(neng)的(de)(de)单晶体光(guang)(guang)学部件则需要大量(liang)的(de)(de)时间和精力(li)，因为它必须从(cong)铸锭中(zhong)切割出来，这(zhei)涉及(ji)到相当(dang)数量(liang)的(de)(de)材料(liao)损失在(zai)加工过程中(zhong)。采(cai)用陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)的(de)(de)成型(xing)方法，可(ke)以近(jin)净(jing)成型(xing)的(de)(de)制(zhi)造出高性(xing)(xing)能(neng)的(de)(de)透(tou)(tou)明(ming)(ming)陶(tao)(tao)(tao)瓷(ci)零部件，可(ke)满(man)足小批量(liang)样品制(zhi)备(bei)(bei)和多(duo)品种(zhong)制(zhi)备(bei)(bei)或及(ji)大批量(liang)生产(chan)需求。

单晶(jing)氧化铝图片：Rubicon Technology,Inc

想(xiang)将(jiang)这(zhei)坚硬(ying)无比单晶氧化铝(lv)切成想(xiang)要的形状来用，贼(zei)难

一、陶瓷材料为何不透明？

陶瓷是(shi)一种多晶的(de)无机(ji)(ji)材料，一般(ban)是(shi)由晶粒(li)、晶界、气(qi)孔等组成。一般(ban)而言多晶陶瓷的(de)不透明性(xing)是(shi)由非等轴(立方)晶系晶粒(li)在(zai)排列取向上的(de)随机(ji)(ji)性(xing)导致(zhi)晶粒(li)间折射(she)系数不连(lian)续，以(yi)及晶界效应及气(qi)孔等因素引(yin)起的(de)散射(she)等原(yuan)因所致(zhi)。

在(zai)制备(bei)陶(tao)瓷时，通过采用(yong)高纯、超细原料，掺入尽可能少的(de)添(tian)加剂和工(gong)艺上(shang)的(de)严格控制，将陶(tao)瓷材(cai)料中的(de)气孔(kong)和杂(za)质充分排除(chu)并(bing)适当控制陶(tao)瓷材(cai)料的(de)晶粒尺寸，使(shi)制品(pin)接近于理(li)论密度，从而制备(bei)出(chu)透明(ming)陶(tao)瓷。此外，制备(bei)透明(ming)陶(tao)瓷的(de)首要条件是(shi)组成陶(tao)瓷的(de)单晶体本身是(shi)透明(ming)的(de)，同时具(ju)有高的(de)对称性，一(yi)般为(wei)立(li)(li)方(fang)晶系。某些非立(li)(li)方(fang)品(pin)系的(de)陶(tao)瓷材(cai)料如六方(fang)相(xiang)的(de)氧化(hua)铝，一(yi)定条件下也(ye)可制得半透明(ming)陶(tao)瓷。

立(li)方氮化硅透明陶瓷

高(gao)压下(xia)形(xing)成的立方氮(dan)化硅硬度(du)略次于金刚(gang)石，是(shi)迄(qi)今为止(zhi)制备出的最(zui)强最(zui)硬的透明尖晶石型陶瓷(ci)，可在1400℃高(gao)温下(xia)保(bao)持稳定。

二、影响陶瓷透明性的因素

影响陶瓷透明性(xing)的(de)因素很多，涉及(ji)(ji)陶瓷制备过(guo)程中的(de)方(fang)方(fang)面面，其中主要(yao)控制的(de)要(yao)素是：原料粉体(ti)、烧结过(guo)程、陶瓷的(de)微(wei)观(guan)结构以及(ji)(ji)后(hou)处理(li)过(guo)程。这(zhei)些因素往(wang)往(wang)是相互关联(lian)的(de)，下面分别(bie)就(jiu)各种影响因素进行概述。

1、原料粉体的影响

①晶(jing)(jing)体(ti)(ti)结构及(ji)缺陷：晶(jing)(jing)体(ti)(ti)结构决定(ding)陶瓷多(duo)晶(jing)(jing)体(ti)(ti)的(de)光(guang)(guang)(guang)学性(xing)(xing)(xing)(xing)能，直(zhi)接(jie)(jie)影(ying)(ying)响其透(tou)明性(xing)(xing)(xing)(xing)。立方(fang)晶(jing)(jing)系(xi)(xi)的(de)多(duo)晶(jing)(jing)陶瓷仅在(zai)晶(jing)(jing)界(jie)上产生散射，在(zai)可见(jian)光(guang)(guang)(guang)区域其透(tou)明度接(jie)(jie)近于透(tou)明玻(bo)璃。正(zheng)方(fang)晶(jing)(jing)系(xi)(xi)、三(san)方(fang)晶(jing)(jing)系(xi)(xi)、六方(fang)晶(jing)(jing)系(xi)(xi)的(de)晶(jing)(jing)体(ti)(ti)，为一(yi)轴(zhou)各向异性(xing)(xing)(xing)(xing)晶(jing)(jing)体(ti)(ti)，有双折(zhe)射现象产生及(ji)晶(jing)(jing)界(jie)界(jie)面反(fan)射损失，透(tou)光(guang)(guang)(guang)率较低。而(er)单(dan)斜品(pin)系(xi)(xi)、三(san)斜品(pin)系(xi)(xi)、正(zheng)交晶(jing)(jing)系(xi)(xi)的(de)晶(jing)(jing)体(ti)(ti)，为二轴(zhou)各向异性(xing)(xing)(xing)(xing)晶(jing)(jing)体(ti)(ti)，双折(zhe)射现象及(ji)晶(jing)(jing)界(jie)界(jie)面反(fan)射损失更严(yan)重，相应的(de)多(duo)晶(jing)(jing)材料透(tou)光(guang)(guang)(guang)率更低，甚至不透(tou)光(guang)(guang)(guang)。有些各向异性(xing)(xing)(xing)(xing)晶(jing)(jing)体(ti)(ti)(α-氧化铝(lv))，主折(zhe)射率的(de)差(cha)别微小，晶(jing)(jing)界(jie)界(jie)面反(fan)射损失不足以严(yan)重影(ying)(ying)响其透(tou)明度，因(yin)而(er)仍具有较高的(de)透(tou)明度。

晶体(ti)结构对陶(tao)瓷多晶体(ti)透(tou)明度(du)影(ying)(ying)响很大，晶体(ti)结构缺陷的影(ying)(ying)响亦不容忽视。例(li)如：材料中O2-空(kong)位(wei)的存在(zai)，有利(li)于(yu)O2-扩(kuo)散，可促进氧化物透(tou)明陶(tao)瓷的烧结，但烧成的制品(pin)中残留的氧空(kong)位(wei)会降低陶(tao)瓷的透(tou)明度(du)。此外，晶体(ti)的位(wei)错缺陷、晶粒表(biao)面的生长(zhang)条纹、品(pin)粒结晶方向取向混乱(luan)等(deng)结构缺陷也是影(ying)(ying)响透(tou)明度(du)提高的不利(li)因(yin)素(su)。

②原(yuan)料(liao)的(de)(de)纯(chun)度(du)(du)及粒度(du)(du)：制备透(tou)明陶(tao)瓷要使用高纯(chun)度(du)(du)(99.5%以(yi)上)、高分散(san)、高烧结活(huo)性粉料(liao)。原(yuan)料(liao)中杂质会生(sheng)成异相，形成光的(de)(de)散(san)射中心，减弱投(tou)射光在入(ru)射方向上的(de)(de)强度(du)(du)，显著降低(di)制品(pin)的(de)(de)透(tou)明度(du)(du)。

另外，在保(bao)持粉体颗粒高度(du)分散和(he)较高的成型密度(du)的前提下，原(yuan)料粉体越小(xiao)越有利(li)于气(qi)孔的排(pai)除及(ji)烧结性能提高，但实际上，原(yuan)料粒度(du)大(da)小(xiao)有一个适(shi)合(he)的范(fan)围，过细会导致成型密度(du)低、易(yi)团聚(ju)，以及(ji)吸附(fu)环境(jing)中的异质分子等问题。

③原料(liao)(liao)的分(fen)(fen)散性：粉体除具有高的纯度(du)和小的粒(li)度(du)外，同(tong)时颗(ke)粒(li)应高度(du)分(fen)(fen)散，以保障高的烧结活(huo)性。所谓高度(du)分(fen)(fen)散，是指原料(liao)(liao)颗(ke)粒(li)达到(dao)一定(ding)的细度(du)时，颗(ke)粒(li)仍保持各自的独立性，颗(ke)粒(li)之间不因为相互作用而产生团(tuan)聚，形(xing)成较大尺(chi)寸的二(er)次颗(ke)粒(li)。

研究表明(ming)(ming)(ming)，制备(bei)透明(ming)(ming)(ming)陶(tao)瓷的(de)(de)理(li)想粉(fen)体(ti)(ti)，除要(yao)求原(yuan)料必须具备(bei)高纯、超细等(deng)特性(xing)，制备(bei)过程中(zhong)(zhong)(zhong)不能(neng)引(yin)入杂质(zhi)、颗(ke)(ke)粒应呈等(deng)轴(zhou)状外，颗(ke)(ke)粒之间还(hai)不能(neng)产生明(ming)(ming)(ming)显的(de)(de)团聚(ju)。硬团聚(ju)体(ti)(ti)的(de)(de)产生会使粉(fen)体(ti)(ti)原(yuan)有的(de)(de)高分(fen)(fen)散和小颗(ke)(ke)粒尺(chi)寸的(de)(de)优(you)势完全或部分(fen)(fen)丧失。当粉(fen)体(ti)(ti)成(cheng)型体(ti)(ti)中(zhong)(zhong)(zhong)存(cun)在较大(da)尺(chi)寸的(de)(de)气孔，这类气孔相对(dui)较小气孔而言(yan)热(re)力学稳定性(xing)高，被排除的(de)(de)动力学阻力较大(da)，甚至难(nan)以被排除。团聚(ju)体(ti)(ti)的(de)(de)存(cun)在，使得粉(fen)体(ti)(ti)成(cheng)型体(ti)(ti)中(zhong)(zhong)(zhong)的(de)(de)存(cun)在将导(dao)致(zhi)(zhi)材(cai)料无法烧结致(zhi)(zhi)密，最(zui)终难(nan)以获得透明(ming)(ming)(ming)的(de)(de)陶(tao)瓷材(cai)料。

2、烧成工艺

①气(qi)(qi)(qi)体介(jie)质：明陶(tao)瓷和(he)普通(tong)陶(tao)瓷不同，最后须在(zai)真空、氢(qing)气(qi)(qi)(qi)氛或其(qi)他气(qi)(qi)(qi)氛中(zhong)烧(shao)成。正确(que)选择烧(shao)成时的(de)(de)气(qi)(qi)(qi)体介(jie)质，是制备(bei)透(tou)明陶(tao)瓷的(de)(de)重要条件之一。在(zai)空气(qi)(qi)(qi)中(zhong)或惰性气(qi)(qi)(qi)体介(jie)质中(zhong)烧(shao)结(jie)，因(yin)空气(qi)(qi)(qi)或惰性气(qi)(qi)(qi)体残留于(yu)气(qi)(qi)(qi)孔(kong)中(zhong)，不利于(yu)气(qi)(qi)(qi)孔(kong)的(de)(de)排除(chu)，很难制得(de)无气(qi)(qi)(qi)孔(kong)的(de)(de)透(tou)明陶(tao)瓷。因(yin)此，有(you)必(bi)要经(jing)真空或使用(yong)氢(qing)气(qi)(qi)(qi)气(qi)(qi)(qi)氛烧(shao)结(jie)。对于(yu)阳离子(zi)和(he)阴(yin)离子(zi)挥(hui)发性小(xiao)且区别不大的(de)(de)化(hua)(hua)合(he)物(wu)可使用(yong)真空烧(shao)成，例如，使用(yong)真空烧(shao)结(jie)可以制得(de)氧化(hua)(hua)铝、氧化(hua)(hua)钇(yi)、氧化(hua)(hua)钪和(he)氧化(hua)(hua)锆等(deng)透(tou)明陶(tao)瓷。

②烧(shao)(shao)成(cheng)温度：透明陶瓷(ci)(ci)需要(yao)比一般(ban)陶瓷(ci)(ci)制(zhi)品更(geng)高(gao)(gao)的(de)烧(shao)(shao)结(jie)温度才能(neng)排除气孔(kong)，达到透明化烧(shao)(shao)结(jie)。烧(shao)(shao)制(zhi)透明陶瓷(ci)(ci)时(shi)，要(yao)根据(ju)烧(shao)(shao)结(jie)材(cai)料(liao)的(de)性质(zhi)和(he)坯体的(de)性能(neng)及大小(xiao)确定最高(gao)(gao)烧(shao)(shao)成(cheng)温度。最佳烧(shao)(shao)成(cheng)温度还(hai)与热工设(she)备的(de)承受(shou)能(neng)力有关，同时(shi)要(yao)考虑节能(neng)。总而言之(zhi)，在保证光学透明度的(de)前提下，透明陶瓷(ci)(ci)的(de)烧(shao)(shao)成(cheng)温度应(ying)尽可能(neng)低(di)一些。

③烧结(jie)添加(jia)剂(ji)：烧结(jie)添加(jia)剂(ji)一方(fang)面可以有效降低烧结(jie)温度，二来可以抑制(zhi)晶界(jie)的迁(qian)移和晶粒生产(chan)，促进(jin)气孔(kong)排除，有利于烧结(jie)的致密化(hua)，但过量(liang)的添加(jia)反(fan)而会产(chan)生第二相，影响透(tou)光性。确定添加(jia)剂(ji)的用量(liang)时应保(bao)证它不以新的固(gu)相形(xing)式(shi)析出，而完全进(jin)入主晶相形(xing)成固(gu)溶体为(wei)宜。

3、陶瓷的微观结构

①晶界(jie)(jie)结(jie)构：晶界(jie)(jie)是破坏陶瓷(ci)体光学(xue)均匀性(xing)，从(cong)而引起光的(de)散射(she)，致使材料(liao)的(de)透(tou)光率(lv)下降的(de)重要(yao)因素之一。陶瓷(ci)材料(liao)的(de)物相(xiang)(xiang)(xiang)组成通常包(bao)含两相(xiang)(xiang)(xiang)或(huo)更多相(xiang)(xiang)(xiang)，这种多相(xiang)(xiang)(xiang)结(jie)构容易(yi)导致光在相(xiang)(xiang)(xiang)界(jie)(jie)表面上发生散射(she)。材料(liao)的(de)组成差异越(yue)大(da)，折(zhe)射(she)率(lv)相(xiang)(xiang)(xiang)差越(yue)大(da)，整(zheng)个陶瓷(ci)的(de)透(tou)光率(lv)越(yue)低。因而透(tou)明(ming)陶瓷(ci)晶界(jie)(jie)区应微(wei)薄、光匹配性(xing)好(hao)、无气孔及(ji)夹杂物、位错等。具有各向同性(xing)晶体的(de)陶瓷(ci)材料(liao)可以达(da)到与(yu)玻(bo)璃相(xiang)(xiang)(xiang)近的(de)直线透(tou)光率(lv)。

②晶粒尺(chi)(chi)寸：陶瓷(ci)多晶体的(de)晶粒尺(chi)(chi)寸对透明陶瓷(ci)的(de)透光(guang)(guang)率(lv)也(ye)有很大的(de)影响，当(dang)入射(she)(she)光(guang)(guang)波长相当(dang)于晶粒直径(jing)时，光(guang)(guang)的(de)散射(she)(she)效应最大，透光(guang)(guang)率(lv)最低。因此(ci)为(wei)提高透明陶瓷(ci)的(de)透光(guang)(guang)率(lv)，应将晶粒粒径(jing)控(kong)制在入射(she)(she)光(guang)(guang)的(de)波长范围之外。

③陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci)的(de)(de)(de)气(qi)(qi)(qi)孔(kong)率(lv)(lv)：透(tou)(tou)明(ming)(ming)陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci)的(de)(de)(de)制备过程(cheng)(cheng)实质上(shang)就是(shi)在(zai)烧(shao)结过程(cheng)(cheng)中完全(quan)排除显微(wei)气(qi)(qi)(qi)孔(kong)的(de)(de)(de)致密(mi)化(hua)过程(cheng)(cheng)，材料(liao)中的(de)(de)(de)气(qi)(qi)(qi)孔(kong)尺寸、数量、种(zhong)类都会对(dui)陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci)材料(liao)的(de)(de)(de)透(tou)(tou)明(ming)(ming)性产生(sheng)显著影响(xiang)。气(qi)(qi)(qi)孔(kong)率(lv)(lv)的(de)(de)(de)微(wei)小变(bian)化(hua)可(ke)显著改(gai)变(bian)材料(liao)透(tou)(tou)光率(lv)(lv)。举(ju)个例子，有研(yan)(yan)究表明(ming)(ming)，陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci)体中的(de)(de)(de)闭口气(qi)(qi)(qi)孔(kong)率(lv)(lv)从0.25%变(bian)为0.85%时，透(tou)(tou)明(ming)(ming)度(du)降低33%。尽管这可(ke)能(neng)是(shi)在(zai)某(mou)种(zhong)特(te)定情况下的(de)(de)(de)结果，但从某(mou)些程(cheng)(cheng)度(du)上(shang)我们(men)可(ke)以看出气(qi)(qi)(qi)孔(kong)率(lv)(lv)对(dui)陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci)透(tou)(tou)明(ming)(ming)度(du)的(de)(de)(de)影响(xiang)是(shi)会很(hen)直(zhi)接暴力的(de)(de)(de)体现。又有研(yan)(yan)究数据(ju)表明(ming)(ming)，气(qi)(qi)(qi)孔(kong)体积占3%时，透(tou)(tou)光率(lv)(lv)0.01%，0.3%时，透(tou)(tou)光率(lv)(lv)10%。因(yin)此，透(tou)(tou)明(ming)(ming)陶(tao)(tao)瓷(ci)(ci)(ci)一定要提高(gao)致密(mi)度(du)，降低气(qi)(qi)(qi)孔(kong)率(lv)(lv)，通(tong)常(chang)致密(mi)度(du)大于99.9%。

4、表面加工光洁度

透(tou)明陶瓷(ci)的透(tou)光率(lv)还受表(biao)面光洁度的制约。烧结(jie)后未(wei)经处理(li)的陶瓷(ci)表(biao)面具有较高的粗糙度，呈现微小的凹凸状，光线(xian)入射到这种面上会发(fa)生漫反射。烧结(jie)陶瓷(ci)的组糙度越大，其(qi)透(tou)明度就(jiu)越低。

粗糙度增加(jia)时(shi)的(de)镜反射(she)（a）、漫反射(she)（b）和完全反射(she)（c）

下图为透明陶瓷样品的(de)透过率(lv)测试曲(qu)线，样品在抛(pao)光(guang)前最大透过率(lv)在15%左(zuo)(zuo)右(you)，抛(pao)光(guang)后，最大透过率(lv)在60%左(zuo)(zuo)右(you)，透过率(lv)大大提高。

透(tou)(tou)明陶(tao)瓷试样抛光前后的透(tou)(tou)光率

三、透明陶瓷的主要应用领域

透(tou)明(ming)陶瓷(ci)的(de)(de)种类按材(cai)料(liao)体(ti)系分为氧(yang)化(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)、氟(fu)化(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)、氮(dan)化(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)、氧(yang)氮(dan)化(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)、氧(yang)硫化(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)、硫化(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)、硒化(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)和(he)碲化(hua)物(wu)(wu)(wu)(wu)等。不同类型的(de)(de)透(tou)明(ming)陶瓷(ci)材(cai)料(liao)，除了具有(you)透(tou)光性(xing)外，还具有(you)电(dian)光效(xiao)应，磁光效(xiao)应，以及高强度、耐高温、耐腐蚀、耐冲刷等优(you)异(yi)性(xing)能，在工业上及军(jun)事上有(you)着广(guang)泛的(de)(de)应用。

其中工业上主要(yao)应用(yong)(yong)于(yu)(yu)照(zhao)明(ming)行业、激光领域、高能射线探测等(deng)(deng)领域，主要(yao)应用(yong)(yong)的材(cai)料(liao)有(you)：照(zhao)明(ming)灯管用(yong)(yong)透明(ming)材(cai)料(liao)、透波材(cai)料(liao)、激光陶(tao)(tao)瓷(ci)、闪烁材(cai)料(liao)以及窗(chuang)口材(cai)料(liao)等(deng)(deng)。由于(yu)(yu)透明(ming)陶(tao)(tao)瓷(ci)的独特(te)得性能及制(zhi)备成(cheng)本优势，在(zai)军事上也(ye)有(you)着广泛应用(yong)(yong)，例如MgF2作(zuo)(zuo)为红外窗(chuang)口材(cai)料(liao)、YAG作(zuo)(zuo)为激光材(cai)料(liao)，AlON透明(ming)陶(tao)(tao)瓷(ci)作(zuo)(zuo)为防护材(cai)料(liao)，MgAl2O4透明(ming)陶(tao)(tao)瓷(ci)作(zuo)(zuo)为导弹端头帽(mao)以及窗(chuang)口材(cai)料(liao)等(deng)(deng)。