一种结构-功能一体化的材料——透明陶瓷- 大数跨境

CERADIR先进陶瓷在线

2023-07-24

导读：一种结构-功能一体化的材料——透明陶瓷

一、什么是透明陶瓷

透明陶瓷（transparent ceramics）是一种利用陶瓷材料光学性质的新型陶瓷，除具有传统陶瓷的典型特性外，兼具玻璃的光学特性。透明陶瓷也是在纳米材料科学与技术和先进陶瓷制备科学发展基础上集结构与功能一体化于一身的重要材料，是无机材料研究和发展的重要方向之一。氧化铝透明陶瓷是最早投入生产的透明陶瓷材料，由1957年美国科学家Coble制造出第一块透明氧化铝陶瓷“Lucalox”。经过几十年的发展，目前已经研制出了几十种的透明陶瓷：从最开始的氧化铝透明陶瓷到氧化镁透明陶瓷、氧化钇透明陶瓷等发展到铝镁尖晶石透明陶瓷、氮化铝透明陶瓷、氮氧化铝透明陶瓷、透明PLZT电光陶瓷、钇铝石榴石激光透明陶瓷，以及YGO、GGG、Gd₂O₂S透明闪烁陶瓷等材料。这种光学性能各异的新型材料正逐步开发应用于激光、照明、医疗器械、军事、国防等重要技术领域。

图1.透明陶瓷样本via网络

二、陶瓷达到一定透明度需要具备的条件

材料的光学性质是指材料在红外光、可见光、紫外线及各种射线作用下的性质，一般指材料对各种光和射线的反射、投射、折射和吸收等，对透明陶瓷而言主要指其透光性。长期以来无机非金属透明材料主要是光学玻璃和单晶，传统的多晶多相陶瓷是不透明的。【1】

陶瓷从传统不透明发展到半透明，最后接近完全透明涉及到大量的基础科学条件，经研究人员通过大量试验结果表明，对陶瓷透明性的影响因素主要表现在以下几个方面：【2】

①气孔率：气孔率是影响陶瓷透光性的最大因素。传统的普通陶瓷材料即使具有很高的致密度，但通常都是不透明的，因为其中有非常多封闭的气孔，气孔与多晶本身的折射率相差过大造成入射光的强烈散射。要达到透明度首先陶瓷内部致密度要高，接近于理论密度（为理论密度的99.5%以上）。

②晶界结构：透明陶瓷和不透明陶瓷的晶界结构是不同的，透明的为单相，晶界与晶体的光学性质差别小所以晶界模糊不清，不透明的则为多相的，晶界很清晰。

③晶体结构：在各向异性的晶体中，光从一个晶粒向邻近的晶粒入射时，由于双折射现象会产生散射，因此要得到透明的多晶体，双折射必须很小，一般选用对光各向同性的立方晶系材料制备透明材料，如YAG、YGO、Y₂O₃等，而对光学各向异性的晶系则很难得到透明度很高的透明陶瓷，如Gd₂O₂S、Lu₂SiO₅等陶瓷的透明性则不是很好。

④原料与第二相杂质：透明陶瓷体的要求是均一、连续的单向结构，这要求原料必须是具备高纯、超细、高分散等特性的粉体，且制备过程中决不能引入杂质。原因是陶瓷中的杂质以及第二相与晶体的光学性质不一致，会成为散射和吸收中心，从而降低了陶瓷的透明性。

⑤晶粒尺寸与添加剂：实验研究表明晶粒尺寸的大小和分布是会对陶瓷的透明性有影响，若是晶粒的直径与入射光的波长相同时晶粒对入射光散射最强，晶粒直径小于入射光波长时光线可以容易地通过。

⑥表面加工光洁度：陶瓷的透光率还会受到材料表面光洁度的制约，若表面粗糙度越大，漫反射就越严重，陶瓷的透明度就越低。由于陶瓷表面的粗糙度与所用原料的细度有关，所以在制备过程中应选用超细原料外，还应对陶瓷表面再进行研磨抛光。

三、透明陶瓷的分类

透明陶瓷材料主要分为氧化物透明陶瓷和非氧化物透明陶瓷两大类：

（1）氧化物透明陶瓷

除最常见的氧化铝透明陶瓷之外，典型的氧化物透明陶瓷还包括氧化钇透明陶瓷、氧化镁透明陶瓷、钇铝石榴石透明陶瓷、铝镁酸透明陶瓷、透明铁电陶瓷（PLZT）等

（2）非氧化物透明陶瓷

非氧化物透明陶瓷包括氮化铝透明陶瓷、氮氧化铝透明陶瓷以及经研究发现适合被作为透明陶瓷的α-Sialon透明陶瓷。

四、透明陶瓷的应用

透明陶瓷材料不仅拥有较好的透明性、耐腐蚀性，可以被应用在高温高压的环境下工作，同时拥有许多其他材料发挥不出的性能，如：强度高、介电性优良、电导率低、热导性好等。在民用与军用上都可在合适的领域进行应用。

（1）民用：氧化铝透明陶瓷，它不仅能有效透过可见光和红外线，而且具有较大的热导率、较高的高温强度、良好的热稳定性和耐腐蚀性，可被用来做高压钠灯灯管。高压钠灯的操作温度高达1200℃左右，这个温度界限是普通灯管玻璃不可承受的。除此之外透明陶瓷还可用作高温炉的观察窗、高温红外探测窗等，有一种锆钛酸铅镧透明陶瓷可被用于制作电焊工人工作使用的护目镜镜片，这种护目镜还可应用于正在核试验的工作人员与飞行员身上。

（2）军用：在军事工业上，透明陶瓷可被用来制成透明的防弹材料。美国研究人员就曾用透明陶瓷代替传统的多层玻璃来作为透明装甲材料，替代的材料不仅在透明度上有大幅度提高，重量也大幅度减轻，强度更高、耐久性更好、抗穿透和抗划伤能力会更强，在野外的隐身性更为优越。【3】

参考文献

【1】透明陶瓷及其制备要点——《特种陶瓷工艺学》周张健（编著）

【2】透明陶瓷材料现状与发展——吉亚明，蒋丹宇，冯涛，施剑林

【3】透明陶瓷的研究进展——李卫东，曹瑛，房明浩，黄朝晖

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