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一文告诉你，透明陶瓷是什么？

作者：中国工陶网　更新时间：2019-02-15 16:10　来源：粉末成型圈，粉体网　点击数：3519

高纯超细氧化铝主要应用在蓝宝石、陶瓷、隔膜涂层等众多领域，其中就包括一种透明的陶瓷，看着像玻璃，这种材料到底是什么？今天我们来深入了解一下。

透明陶瓷的简介

1. 什么是透明陶瓷？

所谓透明陶瓷就是能透过光线的陶瓷。通常陶瓷是不透明的，其原因是陶瓷材料内部含有的微气孔等缺陷对光纤产生折射和散射作用，使得光线几乎无法透过陶瓷体。1959年通用电气公司首次提出了一些陶瓷具有可透光性，随后1962年R.L.Coble首次制备了半透明的Al2O3陶瓷证实了这一点，同时也为陶瓷材料开辟了新的应用领域。

2. 透明陶瓷的特点有哪些？

透明陶瓷不仅有良好的透明性和光学特性，同时又保持结构陶瓷的高强度、耐腐蚀、耐高温、电绝缘好、热导率高及良好的介电性能，因此在新型照明技术、高温高压及腐蚀环境下的观测窗口、红外探测用窗、导弹用防护整流罩、军事用透明装甲等领域得到愈来愈多的应用。

此外，与单晶相比，透明陶瓷制造成本低、易于大批量生产，可以制成尺寸较大、形状复杂的制品；而与玻璃相比，透明陶瓷具有强度和硬度高、光学透过范围大、导热性好、耐腐蚀、可以实现活性离子的高浓度均匀掺杂等特点，所以对于许多特殊要求的光学零部件及激光材料，透明陶瓷具有无可比拟的优势。

陶瓷如何做到透明？

首先我们要了解一下影响陶瓷透明的几个因素。

1、影响陶瓷透明的因素

气孔率
晶界结构
表面光洁度
晶粒尺寸
晶体结构
杂质

图多晶陶瓷中的主要光线散射效应

气孔率

对透明陶瓷透光性能影响最大的因素是气孔率，可更细分为气孔尺寸、数量、种类。普通陶瓷即使具有高的密度，往往也是不透明的，这是因为其中有很多闭口气孔，陶瓷体中闭口气孔率从0.25%变为0.85%时，透过率降低33%。许多文献指出，总气孔率超过1%的氧化物陶瓷基本上是不透明的，因此，生产具有较高透光率陶瓷的一个主要条件，就是最大限度降低增加光散射的残余气孔率，特别是显微气孔率。

陶瓷内的气孔可以存在于晶体之间和晶体内部。晶体之间的气孔处于晶界面上容易排除，它可以随着晶界的移动而迁移，最终排出体外，而晶体内部的气孔即使是小于微米级的也很难排除，而且在封闭气孔中还能进入水蒸气、氮气和碳等。因此晶体内气孔对于获得透明陶瓷是最危险的，从而应该在任何工艺阶段防止气孔的产生。

晶界结构

晶界结构对透明陶瓷的透光性能也有较大影响。它破坏了陶瓷体的光学均匀性，也会引起光的反射和散射，导致材料的透光率下降。当单位体积内晶界数量较多，晶体配置杂乱无序时，入射光透过晶界，必然引起光的连续反射、折射，这样其透光率也就降低。而规则的晶体排列则会为光线提供定向的光通路，减少晶界对光的折射。因此晶界应微薄、透光性好，没有气孔、第二相界夹杂物及位错等缺陷。

烧成制度

烧成制度影响陶瓷材料的透明度，一般的陶瓷烧结温度更高才能排除气孔，达到透明化烧结。烧结透明陶瓷时，要根据烧结材料的性能和坯体的性能及大小来确定最终烧结温度。烧结透明陶瓷时，必须控制升温速度，确定整个坯体均匀加热，控制晶体生长速度和晶粒尺寸，并达到消除气孔的目的。保温时间的选择可依照晶粒的大小和气孔有无而定，冷却制度的确定应以陶瓷无变形且无应力为准。

透明陶瓷和普通陶瓷不同，最后需经真空、氢气气氛或其它气氛中烧成。在真空或氢气气氛中，陶瓷烧结体的气孔被置换后很快的进行扩散，从而达到消除气孔的目的，使用这种烧结方法能制成透明陶瓷。

原料与添加剂

原料的纯度是影响透明性诸多因素中的主要因素之一，原料中杂质容易生成异相，形成光的散射中心，减弱透射光在入射方向的强度，降低陶瓷的透光率，甚至失透。当原料的粒度很小，处于高度分散，烧结时微细颗粒可缩短气孔扩散的路程，颗粒越细，气孔扩散到晶界的路程就越短，容易排除气孔和改善原料的烧结性能，使透明陶瓷结构均匀，透过率高。原料的活性不仅与原料的分散状态且与原料的相变或预烧温度有关，预烧温度过高，则活性降低；过低则相变转化不完全，制品在烧结过程中会产生变形等不良影响。

为了获得透明陶瓷，有时需要加入添加剂，抑制晶粒生长。添加剂的用量一般很少，所以要求添加剂能均匀分布于材料中。另外，添加剂还能完全溶于主晶相，不生成第二相物质，也就是说，不破坏系统的单相性。

表面加工光洁度

透明陶瓷的透光度受表面加工光洁度的制约。烧结后未经处理的陶瓷表面具有较高的粗糙度，即呈现微小的凹凸状，光线入射到这种面上会产生漫反射。其表面的粗糙度越大，则其透光性能就越差。陶瓷表面的粗糙度除了与原料的细散度有关，一般应对陶瓷的表面进行研磨和抛光。只有在陶瓷表面的光洁度达到11~13光洁度后，才可能把透光率提高到受烧结时陶瓷吸收中心和散射中心清除率制约的最高可能程度。

2、如何将陶瓷做的透明？

想让陶瓷透明，必须从以上几个方面进行改善：

完全消除气孔或使气孔率趋于0；
通过研磨抛光提高表面光洁度；
减小杂质；
选用各项同性的立方晶系材料
让晶界结构尽可能薄，洁净无杂物和气孔
让晶粒尺寸与入射光波长相差较大；
选择立方等轴晶系的陶瓷

透明陶瓷的种类

1. 氧化铝透明陶瓷

透明氧化铝陶瓷最早是由美国GE公司的Coble博士发明的，其商品名称为LucaloxTM，0.75mm厚的Lucalox薄片于可见光谱区的总透光率达90%。

目前，透明氧化铝陶瓷除了用于高压钠灯，现在已用在新型照明的金属卤化物灯中作为发光管。此外作为生物陶瓷用作牙齿矫正中的陶瓷托槽。

制备氧化铝陶瓷的关键是消除残余气孔。如前所述，气孔与透明陶瓷的折射率相差最大，所以气孔的数量和大小对散射损失的影响最大。

2. 氧化镁透明陶瓷

氧化镁透明陶瓷属立方晶系，晶格常数为0.42nm，折射率为1.736，光学性能具有各向同性，其透光性比Al2O3陶瓷好，加之其熔点高达2800℃和耐碱性好，可用于制作高温炉窗口，红外探测器罩和高耐碱性的坩埚与反应容器等。

MgO高温缺氧气氛下易蒸发或升华损失。因此，透明MgO陶瓷制备常采用热压烧结或热等静压烧结。此外，在MgO粉料中添加少量的LiF、NaF等烧结助剂，以便形成液相促进致密化烧结而成为透明体。

3. 氧化钇透明陶瓷

20世界60年代报道了采用热压烧结制备Y2O3透明陶瓷，热压烧结可不使用添加剂，也可使用LiF作为添加剂。在真空下施加69~83MPa的压力，1000℃左右烧结48h，可得到Y2O3透明陶瓷。

烧结助剂在透明Y2O3陶瓷制备中是非常重要的，这些添加剂包括LiF、Nd2O5、Yb2O3、ThO2、Er2O3、La2O3等。

4. 镁铝尖晶石透明陶瓷

镁铝尖晶石（MgAl2O4）属于立方晶系，具有光学各向同性的特性，因此这种材料可以具有比六方晶系Al2O3更高的透明度；对于可见光、紫外光和红外光均具有良好的透过率。

常用的工艺一般是在尖晶石粉末中引入0.5-1.5wt%LiF作为助烧剂，于1400-1500℃进行热压或在1500-1700℃真空烧结，然后再于1800-1900℃范围，200MPa压力下进行热等静压烧结。

促进MgAl2O4透明陶瓷烧结和致密化的添加剂有LiF，CaCO3+LiF，CaO，B2O3，AlCl3，AlF3，Na3AlF6。

5. 钇铝石榴石激光透明陶瓷

自80年代中期，人们开始重点关注和研究钇铝石榴石（YAG）掺Nd3+、Yb3+、Ln3+、Er3+、Tm3+等稀土离子的激光透明陶瓷材料与器件。•1990年SekitaM（SekitaM. ，1990）采用均相共沉淀法，以尿素作为沉淀剂制备出Nd3+:YAG粉末，用冷等静压成型和真空烧结工艺制得不同掺Nd3+量的YAG陶瓷。
1995年，日本科学家I Kesue等（I KesueA，1995）在透明激光陶瓷这一领域取得重要突破。

6. 氮化铝透明陶瓷

氮化铝透明陶瓷不仅具有AlN陶瓷自身的优点，如高热导率、低介电常数、高绝缘性等，而且还具有良好透明性，使其在红外导流罩以及窗口材料等领域有着广泛的应用前景。

为了达到高致密度一般需加入稀土金属氧化物或碱土金属氧化物作为烧结助剂，通过产生少量液相促进烧结，常用的有效的添加剂有CaO，Ca3Al2O6，CaF2，Y2O3，La2O3、CaC2、 Ca(NO3)2或3CaO·2A12O3等。此外，起始AlN粉料必须具备高纯度，尤其是Si、Mg、Fe的杂质含量均应低于200ppm，且氧含量要严格控制。

7. 塞隆透明陶瓷

近10年来，Mandal（H.Mandal, 1999）制备出具有等轴晶粒，厚度为1mm的α-SiAlON透明陶瓷试样，为了改善α-SiAlON透明陶瓷的力学性能，提高材料的断裂韧性和抗弯强度，(α+β)-SiAlON透明陶瓷近几年也得到重视。

8. 阿隆透明陶瓷

AlON透明陶瓷具有良好的光学性能、介电性能、和化学性能；同时还具有较高的抗弯强度（380MPa）和高硬度（1950kg/mm2）。此外，作为多晶陶瓷，它比单晶蓝宝石更容易制得大尺寸部件，而且用传统的陶瓷制备技术就可以制得复杂的透明部件，这大大降低了成本。因此，AlON在透明装甲和许多光学领域是非常有用的材料。如用于气体灯管、雷达天线罩、耐高温红外传感器窗口材料、坦克装甲车的观察窗、武装直升飞机的透明装甲等多个方面。

透明陶瓷的制作工艺及关键因素

以下是透明陶瓷的工艺流程。