陶瓷是怎样“炼成”透明陶瓷的？ - 技术科普 - 新闻动态

陶瓷是怎樣“煉成”透明陶瓷的？

日期：2020-01-02 瀏覽次數：次

引言：大家平時所見的陶瓷材料通常是不透明的，想要讓一塊不透明的陶瓷“變”透明需要具備哪些條件呢？下文小編將就相關內容為大家做一個小小的科普。

透明陶瓷是指采用陶瓷工藝制備的具有一定透光性的多晶材料，又稱為光學陶瓷。與玻璃或樹脂類光學材料相比，透明陶瓷具有更強、更硬、更耐腐蝕、更耐高溫等特性，可應用于極端惡劣的工況。而生產高性能的單晶體光學部件則需要大量的時間和精力，因為它必須從鑄錠中切割出來，這涉及到相當數量的材料損失在加工過程中。采用陶瓷的成型方法，可以近凈成型的制造出高性能的透明陶瓷零部件，可滿足小批量樣品制備和多品種制備或及大批量生產需求。

單晶氧化鋁圖片：Rubicon Technology,Inc

想將這堅硬無比單晶氧化鋁切成想要的形狀來用，賊難

一、陶瓷材料為何不透明？

陶瓷是一種多晶的無機材料，一般是由晶粒、晶界、氣孔等組成。一般而言多晶陶瓷的不透明性是由非等軸(立方)晶系晶粒在排列取向上的隨機性導致晶粒間折射系數不連續，以及晶界效應及氣孔等因素引起的散射等原因所致。

在制備陶瓷時，通過采用高純、超細原料，摻入盡可能少的添加劑和工藝上的嚴格控制，將陶瓷材料中的氣孔和雜質充分排除并適當控制陶瓷材料的晶粒尺寸，使制品接近于理論密度，從而制備出透明陶瓷。此外，制備透明陶瓷的首要條件是組成陶瓷的單晶體本身是透明的，同時具有高的對稱性，一般為立方晶系。某些非立方品系的陶瓷材料如六方相的氧化鋁，一定條件下也可制得半透明陶瓷。

立方氮化硅透明陶瓷

高壓下形成的立方氮化硅硬度略次于金剛石，是迄今為止制備出的最強最硬的透明尖晶石型陶瓷，可在1400℃高溫下保持穩定。

二、影響陶瓷透明性的因素

影響陶瓷透明性的因素很多，涉及陶瓷制備過程中的方方面面，其中主要控制的要素是：原料粉體、燒結過程、陶瓷的微觀結構以及后處理過程。這些因素往往是相互關聯的，下面分別就各種影響因素進行概述。

1、原料粉體的影響

①晶體結構及缺陷：晶體結構決定陶瓷多晶體的光學性能，直接影響其透明性。立方晶系的多晶陶瓷僅在晶界上產生散射，在可見光區域其透明度接近于透明玻璃。正方晶系、三方晶系、六方晶系的晶體，為一軸各向異性晶體，有雙折射現象產生及晶界界面反射損失，透光率較低。而單斜品系、三斜品系、正交晶系的晶體，為二軸各向異性晶體，雙折射現象及晶界界面反射損失更嚴重，相應的多晶材料透光率更低，甚至不透光。有些各向異性晶體(α-氧化鋁)，主折射率的差別微小，晶界界面反射損失不足以嚴重影響其透明度，因而仍具有較高的透明度。

晶體結構對陶瓷多晶體透明度影響很大，晶體結構缺陷的影響亦不容忽視。例如：材料中O2-空位的存在，有利于O2-擴散，可促進氧化物透明陶瓷的燒結，但燒成的制品中殘留的氧空位會降低陶瓷的透明度。此外，晶體的位錯缺陷、晶粒表面的生長條紋、品粒結晶方向取向混亂等結構缺陷也是影響透明度提高的不利因素。

②原料的純度及粒度：制備透明陶瓷要使用高純度(99.5%以上)、高分散、高燒結活性粉料。原料中雜質會生成異相，形成光的散射中心，減弱投射光在入射方向上的強度，顯著降低制品的透明度。

另外，在保持粉體顆粒高度分散和較高的成型密度的前提下，原料粉體越小越有利于氣孔的排除及燒結性能提高，但實際上，原料粒度大小有一個適合的范圍，過細會導致成型密度低、易團聚，以及吸附環境中的異質分子等問題。

③原料的分散性：粉體除具有高的純度和小的粒度外，同時顆粒應高度分散，以保障高的燒結活性。所謂高度分散，是指原料顆粒達到一定的細度時，顆粒仍保持各自的獨立性，顆粒之間不因為相互作用而產生團聚，形成較大尺寸的二次顆粒。

研究表明，制備透明陶瓷的理想粉體，除要求原料必須具備高純、超細等特性，制備過程中不能引入雜質、顆粒應呈等軸狀外，顆粒之間還不能產生明顯的團聚。硬團聚體的產生會使粉體原有的高分散和小顆粒尺寸的優勢完全或部分喪失。當粉體成型體中存在較大尺寸的氣孔，這類氣孔相對較小氣孔而言熱力學穩定性高，被排除的動力學阻力較大，甚至難以被排除。團聚體的存在，使得粉體成型體中的存在將導致材料無法燒結致密，最終難以獲得透明的陶瓷材料。

2、燒成工藝

①氣體介質：明陶瓷和普通陶瓷不同，最后須在真空、氫氣氛或其他氣氛中燒成。正確選擇燒成時的氣體介質，是制備透明陶瓷的重要條件之一。在空氣中或惰性氣體介質中燒結，因空氣或惰性氣體殘留于氣孔中，不利于氣孔的排除，很難制得無氣孔的透明陶瓷。因此，有必要經真空或使用氫氣氣氛燒結。對于陽離子和陰離子揮發性小且區別不大的化合物可使用真空燒成，例如，使用真空燒結可以制得氧化鋁、氧化釔、氧化鈧和氧化鋯等透明陶瓷。

②燒成溫度：透明陶瓷需要比一般陶瓷制品更高的燒結溫度才能排除氣孔，達到透明化燒結。燒制透明陶瓷時，要根據燒結材料的性質和坯體的性能及大小確定最高燒成溫度。最佳燒成溫度還與熱工設備的承受能力有關，同時要考慮節能。總而言之，在保證光學透明度的前提下，透明陶瓷的燒成溫度應盡可能低一些。

③燒結添加劑：燒結添加劑一方面可以有效降低燒結溫度，二來可以抑制晶界的遷移和晶粒生產，促進氣孔排除，有利于燒結的致密化，但過量的添加反而會產生第二相，影響透光性。確定添加劑的用量時應保證它不以新的固相形式析出，而完全進入主晶相形成固溶體為宜。

3、陶瓷的微觀結構

①晶界結構：晶界是破壞陶瓷體光學均勻性，從而引起光的散射，致使材料的透光率下降的重要因素之一。陶瓷材料的物相組成通常包含兩相或更多相，這種多相結構容易導致光在相界表面上發生散射。材料的組成差異越大，折射率相差越大，整個陶瓷的透光率越低。因而透明陶瓷晶界區應微薄、光匹配性好、無氣孔及夾雜物、位錯等。具有各向同性晶體的陶瓷材料可以達到與玻璃相近的直線透光率。

②晶粒尺寸：陶瓷多晶體的晶粒尺寸對透明陶瓷的透光率也有很大的影響，當入射光波長相當于晶粒直徑時，光的散射效應最大，透光率最低。因此為提高透明陶瓷的透光率，應將晶粒粒徑控制在入射光的波長范圍之外。

③陶瓷的氣孔率：透明陶瓷的制備過程實質上就是在燒結過程中完全排除顯微氣孔的致密化過程，材料中的氣孔尺寸、數量、種類都會對陶瓷材料的透明性產生顯著影響。氣孔率的微小變化可顯著改變材料透光率。舉個例子，有研究表明，陶瓷體中的閉口氣孔率從0.25%變為0.85%時，透明度降低33%。盡管這可能是在某種特定情況下的結果，但從某些程度上我們可以看出氣孔率對陶瓷透明度的影響是會很直接暴力的體現。又有研究數據表明，氣孔體積占3%時，透光率0.01%，0.3%時，透光率10%。因此，透明陶瓷一定要提高致密度，降低氣孔率，通常致密度大于99.9%。

4、表面加工光潔度

透明陶瓷的透光率還受表面光潔度的制約。燒結后未經處理的陶瓷表面具有較高的粗糙度，呈現微小的凹凸狀，光線入射到這種面上會發生漫反射。燒結陶瓷的組糙度越大，其透明度就越低。

粗糙度增加時的鏡反射（a）、漫反射（b）和完全反射（c）

下圖為透明陶瓷樣品的透過率測試曲線，樣品在拋光前最大透過率在15%左右，拋光后，最大透過率在60%左右，透過率大大提高。

透明陶瓷試樣拋光前后的透光率

三、透明陶瓷的主要應用領域

透明陶瓷的種類按材料體系分為氧化物、氟化物、氮化物、氧氮化物、氧硫化物、硫化物、硒化物和碲化物等。不同類型的透明陶瓷材料，除了具有透光性外，還具有電光效應，磁光效應，以及高強度、耐高溫、耐腐蝕、耐沖刷等優異性能，在工業上及軍事上有著廣泛的應用。

其中工業上主要應用于照明行業、激光領域、高能射線探測等領域，主要應用的材料有：照明燈管用透明材料、透波材料、激光陶瓷、閃爍材料以及窗口材料等。由于透明陶瓷的獨特得性能及制備成本優勢，在軍事上也有著廣泛應用，例如MgF2作為紅外窗口材料、YAG作為激光材料，AlON透明陶瓷作為防護材料，MgAl2O4透明陶瓷作為導彈端頭帽以及窗口材料等。