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透明陶瓷，又称光学陶瓷，顾名思义就是运用特殊工艺烧结制备出的能够透光的陶瓷，行业内一般会把直线透过率10%作为透明陶瓷与半透明陶瓷的分界线。

既然是(shi)陶(tao)瓷(ci)，那么透明(ming)陶(tao)瓷(ci)自(zi)然也具备陶(tao)瓷(ci)固(gu)有的耐高(gao)温、耐腐蚀(shi)、高(gao)绝缘、高(gao)强度等(deng)特性，因此可应用于条(tiao)件极度(du)严苛的环境或是工(gong)程设计(ji)当中(zhong)，如国防(fang)工(gong)业、特殊(shu)工(gong)业设备(bei)等；同时又因为(wei)透光(guang)，还拥(yong)有类(lei)似玻璃的光(guang)学(xue)性能，在(zai)照(zhao)明(ming)技(ji)术、光(guang)学(xue)技(ji)术、特种仪器制(zhi)造、无线电(dian)子学(xue)、信(xin)息探测(ce)、高温技(ji)术以(yi)及(ji)军事工业等领域应用前景(jing)广(guang)阔。

不(bu)仅性能优，就连颜值也高(gao)的(de)透(tou)明陶瓷（来源(yuan)：konoshima）

目前，透明陶瓷在未来技术发(fa)展上(shang)的潜力(li)已受到广泛认(ren)可，下面将对几种透明陶瓷及其应用作具体介(jie)绍(shao)。

一、透明陶(tao)瓷(ci)为(wei)什么能透光？

早(zao)在1930年，科学家(jia)(jia)们就已经开(kai)始(shi)进(jin)行对透(tou)(tou)明(ming)(ming)陶(tao)瓷(ci)的(de)(de)(de)研(yan)究，并(bing)在1957年时，由美国General Electric Company的(de)(de)(de)陶(tao)瓷(ci)专家(jia)(jia)R. L. Coble与他(ta)的(de)(de)(de)团队制备(bei)出第一块透(tou)(tou)明(ming)(ming)氧(yang)化铝(lv)陶(tao)瓷(ci)。这个(ge)团队发现，他(ta)们所制备(bei)出的(de)(de)(de)透(tou)(tou)明(ming)(ming)氧(yang)化铝(lv)样品于(yu)仪器分析下并(bing)没有发现任(ren)何微气(qi)孔(kong)(kong)，就推测陶(tao)瓷(ci)透(tou)(tou)明(ming)(ming)度可能(neng)与微气(qi)孔(kong)(kong)存(cun)在有很(hen)大的(de)(de)(de)关(guan)系——事实(shi)也(ye)确实(shi)如此。

作为一种多(duo)晶无机(ji)材料(liao)，陶瓷(ci)一般是由晶粒、晶界、气(qi)(qi)孔(kong)等(deng)组(zu)成。一般而言，多(duo)晶陶瓷(ci)的(de)不(bu)透明性是由非等(deng)轴（立(li)方）晶系(xi)晶粒在(zai)排列(lie)取向上的(de)随机(ji)性导(dao)致晶粒间折(zhe)射系(xi)数不(bu)连(lian)续，以(yi)(yi)及(ji)晶界效应及(ji)气(qi)(qi)孔(kong)等(deng)因素引起(qi)的(de)散射等(deng)原因所致。因此要成功制备透明陶瓷(ci)，除了气(qi)(qi)孔(kong)结构(gou)因素外，材料(liao)本身的(de)纯(chun)度以(yi)(yi)及(ji)晶体结构(gou)也是影响的(de)关键(jian)要因。

多晶陶瓷内部(bu)影响(xiang)光的(de)散射主要因素示(shi)意图

所以在(zai)实际生产过(guo)程(cheng)中(zhong)，高纯超细的(de)(de)原料、尽可能少的(de)(de)添加剂和(he)工艺上的(de)(de)严格控制(zhi)都是(shi)必不可少的(de)(de)，其中(zhong)工艺的(de)(de)控制(zhi)主要是(shi)为了将陶瓷(ci)材料中(zhong)的(de)(de)气孔和(he)杂质充分排除，并(bing)适当控制(zhi)陶瓷(ci)材料的(de)(de)晶粒(li)尺寸，使制(zhi)品接近(jin)于(yu)理论密度。如(ru)此一(yi)来，就(jiu)能避(bi)免(mian)入射(she)(she)光在(zai)透(tou)明陶瓷(ci)表面反射(she)(she)、内部的(de)(de)吸收和(he)散射(she)(she)，从而制(zhi)备出透(tou)明陶瓷(ci)。

二、透明陶瓷的分(fen)类和用途(tu)

透(tou)明陶瓷(ci)种类(lei)很多，由(you)于晶体结构的(de)差异它们会具有不(bu)同的(de)特殊性能，可以满足不(bu)同应(ying)用领域的(de)需(xu)求(qiu)，因此一般会按功(gong)能和(he)用途(tu)进行分类(lei)。例如AlON透(tou)明陶瓷(ci)具有优异的(de)抗冲击性能，在透(tou)明装(zhuang)甲等军(jun)事(shi)领域备受(shou)青睐。

1、透(tou)明激光(guang)陶瓷

从上世纪(ji)60年(nian)代以来，固体(ti)激(ji)光器得到(dao)快速发展，因而激(ji)光材料的(de)研究(jiu)受到(dao)广泛关(guan)注。其中(zhong)透明(ming)陶瓷材料因具有(you)烧结(jie)温度低、掺杂浓度高且方(fang)便调节、制备(bei)周期(qi)短、生(sheng)产(chan)成本相对较低及易于制备(bei)多层结(jie)构等多种优点而备(bei)受关(guan)注。

1966年，E.Carnall等人(ren)2用热(re)压烧(shao)结工艺研制出激(ji)光阈值与单晶相接(jie)近的Dy:CaF₂陶瓷。1973年(nian)，C.Greskovich等用Y₂O₃、ThO₂、Nd₂O₃作为原料合(he)成出(chu)能发出(chu)激光的立方体(ti)固溶相NDY陶瓷，但激光阈值(zhi)强(qiang)度仍低于(yu)市面上最(zui)好的掺(chan)Nd玻璃(li)。1995年，日本(ben)A.Ikesue博士等以高纯粉体(ti)为原料，在1750℃高温真空(kong)烧结成型(xing)好的素坯，成功研制出(chu)含0.3-4.8at%的Nd₂O₃的(de)(de)(de)YAG陶(tao)瓷，其激(ji)光性能比(bi)利(li)用直拉法制备的(de)(de)(de)YAG单(dan)晶的(de)(de)(de)激(ji)光效率(lv)还(hai)要高，实现(xian)了透(tou)明(ming)激(ji)光陶(tao)瓷的(de)(de)(de)重要突破。国内则(ze)于2006年5月由中国科(ke)学院上(shang)海(hai)硅酸盐研究(jiu)所科(ke)研人员首(shou)次实现(xian)了1.0at%Nd:YAG透(tou)明(ming)陶(tao)瓷的(de)(de)(de)激(ji)光输(shu)出。

激光陶瓷

总而言之，在研究人员的(de)努力下(xia)，通过(guo)改进烧结(jie)工艺和烧结(jie)设备(bei)，近年来(lai)激光透(tou)明陶瓷的(de)激光效率不(bu)断提高，更被(bei)业界认为(wei)有望取代晶体(ti)的(de)地位，成为(wei)应用最广泛的(de)激光材(cai)料之一。理(li)由如下(xia)：

①陶瓷(ci)的制(zhi)备(bei)时间短，烧(shao)结装置无(wu)需(xu)贵金属(shu)材料，烧(shao)结无(wu)需(xu)在(zai)高纯保护性气氛(fen)下进行，制(zhi)备(bei)成本低；

②陶瓷可以(yi)制(zhi)备成多种形状，制(zhi)备大尺寸的(de)(de)陶瓷是其制(zhi)备方法固有的(de)(de)优势；

③陶瓷中(zhong)掺杂粒(li)子浓度高，从(cong)整体(ti)上看掺杂粒(li)子的分布均匀；

④陶瓷(ci)烧结(jie)的(de)温度(du)比晶(jing)体的(de)熔点低许多，制备出的(de)陶瓷(ci)其组份偏离小；

⑤陶(tao)瓷能(neng)够做成不同(tong)形状(zhuang)或(huo)者多层材料进行烧(shao)结，有可能(neng)发展出多功能(neng)陶(tao)瓷。

固体激(ji)光在激(ji)光武器、激(ji)光核聚变点火、激(ji)光切割(ge)、激(ji)光熔覆等领域的应用（来源(yuan)：中科院上硅(gui)所官网）

2、透明(ming)闪烁陶(tao)瓷

闪烁材料是一种能(neng)将入(ru)射(she)在(zai)其(qi)上的高(gao)能(neng)射(she)线（X/γ射(she)线）或(huo)粒子转换为紫(zi)外(wai)或(huo)可(ke)见(jian)(jian)光的晶态能(neng)量(liang)转换体(ti)(ti)，广泛(fan)应用(yong)在(zai)高(gao)能(neng)物(wu)理与核物(wu)理实验、影(ying)像核医学（简称CT和PET）、工业CT在(zai)线检测、油(you)井勘探、安全稽查及反恐应用(yong)等(deng)。能(neng)够(gou)把带有高(gao)能(neng)量(liang)的射(she)线转化为可(ke)见(jian)(jian)光的透明(ming)陶(tao)(tao)瓷，就被称为“透明(ming)闪烁陶(tao)(tao)瓷”。

闪烁材料在(zai)核(he)医学成(cheng)像(xiang)、工业(ye)无损检测、高(gao)能物理粒子探测和(he)机场安(an)检等领域的应用（来(lai)源(yuan)：中(zhong)科院(yuan)）

近(jin)年来随着影像核医学医疗设备的(de)发(fa)展和(he)及和(he)高能(neng)物理与(yu)核物理实验需(xu)求的(de)提高，对闪烁(shuo)体(ti)(ti)的(de)要求也越(yue)来越(yue)高：大(da)(da)的(de)有效原子序数（有利于(yu)高能(neng)射线吸收）、更高的(de)光输出(chu)（提高信号强度）、更快的(de)衰减(jian)(jian)（可(ke)(ke)以实时(shi)成像，减(jian)(jian)少干扰）、更高的(de)能(neng)量分(fen)辨率（提高成像精度）。而透明闪烁(shuo)陶瓷(ci)由(you)于(yu)具有可(ke)(ke)在(zai)较(jiao)宽(kuan)范围(wei)内掺杂，所需(xu)成本(ben)可(ke)(ke)控、易于(yu)制备大(da)(da)尺寸等诸多(duo)优点(dian)，因(yin)此应(ying)用潜力巨大(da)(da)，目前(qian)在(zai)医学仪器领(ling)域、油井检测、反恐等领(ling)域都有所应(ying)用，而且已经(jing)开发(fa)出(chu)GOS、GGG等不同的(de)陶瓷(ci)闪烁(shuo)体(ti)(ti)材料(liao)。

3、透明(ming)装甲陶(tao)瓷

透(tou)明装(zhuang)(zhuang)甲主(zhu)要应用(yong)(yong)在(zai)(zai)坦克、武(wu)装(zhuang)(zhuang)直升机、防(fang)弹(dan)窗口等(deng)军(jun)事领域。目前应用(yong)(yong)较(jiao)广的装(zhuang)(zhuang)甲材料(liao)主(zhu)要是有单晶(jing)、抗弹(dan)玻璃(li)和(he)透(tou)明陶(tao)瓷。在(zai)(zai)这些材料(liao)中(zhong)，透(tou)明陶(tao)瓷材料(liao)县(xian)备光学质(zhi)量(liang)高、硬度大、耐(nai)刮利擦、耐(nai)高温(wen)等(deng)优点，适合在(zai)(zai)战争等(deng)极端环境中(zhong)应用(yong)(yong)，因此成(cheng)了(le)军(jun)队(dui)装(zhuang)(zhuang)甲材料(liao)的首选。

法国武器装(zhuang)备总局（DGA）与先进陶瓷企业SOLCERA在“SPINELLE”（尖晶石）项目中共同(tong)开发的新型(xing)透明陶瓷装(zhuang)甲(jia)窗

在众多透明陶瓷材(cai)料中，常(chang)作为装甲材(cai)料的主要是MgAl₂O₄和AlON透明(ming)陶瓷(ci)。在实际大范(fan)围应用(yong)中(zhong)，为了减轻坦克等携(xie)带的装甲的重量以(yi)及出(chu)自(zi)减少(shao)成本的考虑(lv)，经常会将透明(ming)陶瓷(ci)和其它(ta)透明(ming)材料复(fu)合搭配使(shi)用(yong)，能够达(da)到(dao)军(jun)事用(yong)抗冲击(ji)的等级要(yao)求，如下图中(zhong)的这(zhei)种(zhong)结构。

新型透明防(fang)弹装(zhuang)甲结构示意图

可看出，透(tou)明防弹装(zhuang)甲由三个功能层组成：

①迎(ying)弹面层：通常由玻璃、玻璃陶瓷(ci)(ci)或透明陶瓷(ci)(ci)制(zhi)成，用(yong)于使弹丸钝化、损伤(shang)、碎裂；

②中间(jian)层：由玻璃或聚甲(jia)基丙烯酸甲(jia)酯（PMMA）构成，用于能量吸收、止(zhi)裂、缓解(jie)热膨(peng)胀错配；

③背弹面(mian)层(ceng)：通常选(xuan)择聚碳(tan)酸酯（PC），用于防碎片(pian)飞(fei)溅。

其(qi)中(zhong)，迎弹面是整(zheng)个透明防弹装甲系统的核心。此外还有各层之(zhi)间的黏结(jie)层（用(yong)于连接系统并提供多次撞(zhuang)击(ji)阻力）。

4、红外透明陶瓷(ci)

为了应对未来(lai)战场错(cuo)综(zong)复杂(za)的(de)(de)情(qing)况，军用(yong)红(hong)外(wai)光电系(xi)统需要(yao)(yao)能够满足不(bu)同严苛(ke)要(yao)(yao)求，其(qi)中红(hong)外(wai)窗口和(he)红(hong)外(wai)整流罩是(shi)保(bao)护(hu)光电系(xi)统的(de)(de)重(zhong)要(yao)(yao)部(bu)件。由于导弹(dan)攻(gong)击速率在(zai)不(bu)断提(ti)升，造成导弹(dan)前端位(wei)置与空气摩(mo)擦产生(sheng)的(de)(de)载荷也(ye)剧烈增(zeng)加(jia)，因此红(hong)外(wai)窗口和(he)红(hong)外(wai)整流罩要(yao)(yao)具备高透过率、力(li)学性(xing)能好(hao)、热(re)导率高、抗热(re)震性(xing)强(qiang)、耐腐蚀等(deng)优(you)点。在(zai)不(bu)同红(hong)外(wai)波段应用(yong)的(de)(de)材料种(zhong)类也(ye)是(shi)不(bu)一样的(de)(de)，目前已(yi)经开发出的(de)(de)中波红(hong)外(wai)材料主(zhu)要(yao)(yao)有MgF₂、MgAl₂O₄、AlON和Y₂O₃透(tou)明陶瓷和蓝宝石单(dan)晶等(deng)；长波(bo)红外透(tou)明材料主要是ZnS、ZnSe、CdTe等(deng)透(tou)明陶瓷。

透明镁铝酸尖晶(jing)石(shi)陶瓷（来(lai)源(yuan)：laserfocusworld）

比如(ru)说上图中由(you)美国海军研(yan)究实验室(shi)(NRL)开(kai)发的(de)用于(yu)高能激(ji)光(HEL)系统的(de)透明镁(mei)铝酸(suan)尖晶石(MgAl₂O₄)陶瓷，在不改变传输参数的情况下，它可以(yi)承受时速600英里(li)的雨滴和时速460英里(li)的沙粒的冲击(ji)。因此作(zuo)为窗口和圆顶材料，可以(yi)很好地保护从紫外到中(zhong)红(hong)外到5µm的传感(gan)器，优异(yi)的低吸收损耗（6ppm /cm）使它能(neng)最大限度地减(jian)少在HEL系统中(zhong)作(zuo)为光(guang)路畸(ji)变测量的光(guang)束畸(ji)变和输出功率(lv)损失。

 

资(zi)料(liao)来源(yuan)：

AlON透明(ming)陶瓷的(de)光(guang)学性(xing)能优化研究，李(li)建民。

陶(tao)瓷基透明(ming)防弹装甲研究进展，刘家希，石(shi)晓东(dong)，姜(jiang)良宝等。

Transparent ceramic suits high-energy laser systems(Gail Overton)

 

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