透明陶瓷(transparent ceramics)是在20世紀(jì)50年代末60年代初發(fā)展起來(lái)的。由于透明氧化鋁陶瓷具有陶瓷固有的耐高溫、耐腐蝕、高絕緣、高強(qiáng)度等特性，又具有玻璃的光學(xué)性能，因此得到廣泛應(yīng)用和迅速發(fā)展。
一般陶瓷由于對(duì)光產(chǎn)生反射損失和吸收損失，因而是不透明的。造成這些損失的原因，是陶瓷體內(nèi)的氣孔、雜質(zhì)、晶界、晶體結(jié)構(gòu)對(duì)透光率的影響。
要使陶瓷透明，其前提是使光能通過(guò)。入射到陶瓷的光，一部分表現(xiàn)為表面的反射和內(nèi)部的吸收， 剩下的就成為透射光。因此，希望透明陶瓷的反射和吸收要越少越好。
陶瓷材料對(duì)光線的吸收是由多晶體本身和雜質(zhì)所引起。而散射可由多晶材料的外表面引起，也可由材料內(nèi)部的散射中心所引起。材料內(nèi)部的散射q心則來(lái)自于多晶體本身折射率不同的雜質(zhì)以及微三孔。散射與晶粒大小有密切的關(guān)系。晶粒直徑與入射光波長(zhǎng)相同時(shí)散射最大。圖2-1-7為透明陶瓷中光散射模型示意圖。當(dāng)消除了雜質(zhì)和空隙造成的吸收和散射時(shí)，陶瓷的透光性主要取決于多晶體本身對(duì)光的吸收性能。那么其透光率T(%)：
式中 Io-入射光強(qiáng)度，S-l/Sr;
式中 Io-入射光強(qiáng)度，S-l/Sr;
I一透射光強(qiáng)度，S-1/Sr；
I——多晶體的吸收系數(shù)，cm-l；
a——微氣孔平均直徑，弘m；
t——微氣孔有效厚度，相當(dāng)于最緊密堆積狀態(tài)在一個(gè)截面堆積的微氣孔厚度，ym;
d。——微氣孔平均直徑，pm；
‰——多晶體的入射率；
n。——微氣孔的折射率，近似等于1；
A-入射光波長(zhǎng)，弘m；
c-常數(shù)，通常取7。
由上式可知，使陶瓷具有透光性，必須具備下面的條件：
(1)致密度要高（為理論密度的99.5%以上）；
(2)晶界上不存在空隙，或空隙大小比光的波長(zhǎng)小得多；
(3)晶界沒(méi)有雜質(zhì)及玻璃相，或晶界的光學(xué)性質(zhì)與微晶體之間差別很??；
(4)晶粒較小而且均勻，其中沒(méi)有空隙；
(5)晶體對(duì)入射光的選擇吸收很小；
(6)無(wú)光學(xué)各向異性，晶體結(jié)構(gòu)最好是立方晶系；
(7)表面光潔度高。
上述條件中，關(guān)鍵是獲得致密并且具有小而均勻的晶相。圖2-1-8為幾種透明陶瓷的透光率特性曲線。
圖2-1-8幾種透明陶瓷材料的透光率曲線
有些材料如氧化鋁、氧化鈹?shù)?，雖是六方晶系，但由于是光學(xué)一軸晶體，所以盡管透射光變成散射兆，仍能成為透明陶瓷。即使是一軸晶、二軸晶的光學(xué)各向異性體，若雙折射不大，且接近各向同性體的情況，則仍顯示其透明性。透明PLZT壓電陶瓷即是一例。 有關(guān)陶瓷透明機(jī)理雖然進(jìn)行了不少研究，但系統(tǒng)的研究還不夠，而且對(duì)透明本質(zhì)目前仍處之中。
2．透明氧化鋁陶瓷
透明氧化鋁陶瓷(transparent alumina ceramlcs)的最大特點(diǎn)是對(duì)可見(jiàn)光和紅外光有良好透過(guò)性，最早由美國(guó)的通用電器公司研究成功。
(1)工藝原理
透明氧化鋁陶瓷制作的關(guān)鍵，是如何控制氧化鋁以體積擴(kuò)散為燒結(jié)機(jī)制的晶粒長(zhǎng)大過(guò)程。吾在燒結(jié)過(guò)程中晶粒生長(zhǎng)過(guò)快就會(huì)產(chǎn)生晶界裂縫，許多氣孔被晶粒包圍。而且當(dāng)晶粒生長(zhǎng)速主大于氣孔的移動(dòng)速度時(shí)，晶體內(nèi)部包裹的氣孑L更不易排除。實(shí)踐表明，加入某些微量添加物曇有抑制晶粒長(zhǎng)大的作用。例如，加入適量的Mg0，能獲得透明氧化鋁陶瓷。由于加入
7．：gO，形成MgO．A120。尖晶石相在A120。晶界表面析出，阻止晶界過(guò)快遷移。而且Mg0三高溫下比較容易揮發(fā)，能防止形成封閉氣孔，因此限制了氧化鋁晶粒的長(zhǎng)大。含量與氧化鋁透光率之間的關(guān)系。Mg0含量增加，由于生成過(guò)多的鎂鋁尖晶第二相，而增加了對(duì)光的散射率，降低其透光性。Mg0的加入量一般為0.1%～0.5%。
根據(jù)用不同波長(zhǎng)的單色光通過(guò)透明氧化鋁陶瓷表明，當(dāng)氣孔大小與渡長(zhǎng)相等時(shí)，光透射率最小，說(shuō)明氣孑L的平均尺寸是制作透明陶瓷應(yīng)該控制的重要因素。例如燒結(jié)透明A12 03的晶芝尺寸約為2511m，比較均勻，氣孔半徑為0.5～1.0pm，氣孑L率小于0. 1%。熱壓燒結(jié)透明120。晶粒尺寸為1～2 ym，大小不均，氣7L半徑約0.1pm。它們的透光率與光波關(guān)系在紅外區(qū)域，與藍(lán)寶石相近；在可見(jiàn)光區(qū)，比燒結(jié)A12 03的透光率低。這是由于熱玉A12 03的晶粒尺寸小、氣孔直徑小，在可見(jiàn)光區(qū)散射效應(yīng)強(qiáng)的緣故。
透明氧化鋁陶瓷與波長(zhǎng)的關(guān)系
在工藝上，A12 03的純度、細(xì)度、成型方法、燒結(jié)氣氛等，對(duì)其透光率也有影響。例如對(duì)燒結(jié)來(lái)說(shuō)，在氫氣（或真空）中燒結(jié)，由于氫氣滲入坯體，在封閉氣孔中，氫氣的擴(kuò)散速度比其他氣體大，容易通過(guò)A12 03坯體，氣孔比較容易排除，從而提高其透光率。
(2)透明氧化鋁陶瓷工藝方法
在透明Al。O。陶瓷生產(chǎn)中，對(duì)Al：O。原料一般采用高純度的Al。O。（純度在99. 9%以上）。通常是采用硫酸鋁銨分解來(lái)制備。其分解過(guò)程如下：
100-200 C .
A12 (NH4)2 (S04 )4 . 24HzO =A12 (S04)3 (NH4)ZS04 * Hz0+23HzO +
500～600 C . -
A12 (S04)3 (NH4)2S04 . H20 -A12 (S04 )3+2NH3 t +S03 'r +2H20 )F
800-900℃
A12.(S04).—— =A12 03 +3SO。十
配方中Mg0是以Mg(NO。)。的形式加入硫酸鋁銨中共同加熱分解，這樣可獲得均勻分布、活性較大的Mg0。
上面分解制備的Al：O。，一般為y-AI。O。。為了提高Al：O。原料的穩(wěn)定性，減少收縮，將分解后得到的y-AI。O。再進(jìn)行預(yù)燒，使之轉(zhuǎn)化為a-AI：O。，預(yù)燒溫度為1300℃。但不能完全
轉(zhuǎn)化為口-A120。，還會(huì)有一部分Y-A120。，目的是提高活性，促進(jìn)燒結(jié)。
工藝流程有兩種，一是常溫成型，高溫?zé)Y(jié)法。一般采用注漿法和等靜壓法。漿料的pH值應(yīng)保持在3.5左右，流動(dòng)性較好。成型后的密度應(yīng)大于理論密度的85%才能獲得良好的透明陶瓷，燒結(jié)是在氫氣或真空條件下，在1700～1900℃燒結(jié)。二是二次燒結(jié)法。美國(guó)的“Lucalox”透明A12 03陶瓷，采用二次燒結(jié)法，將含有0.5% Mg0的AlzO。粉成型后，先在1000—1700℃氧化氣氛中燒1 h，然后在真空或氫氣中于1700～1950℃燒結(jié)。如果采用熱等靜壓制備的透明Alz 03陶瓷，其性能將會(huì)更好。
(3)透明A12 03陶瓷的性能和用途
透明Alz 03陶瓷的最大特點(diǎn)是對(duì)可見(jiàn)光和紅外光有良好的透過(guò)性，此外，具有高溫強(qiáng)度大、耐熱性好、耐腐蝕性強(qiáng)的特點(diǎn)，具體性能如表2-1-3。表2-1-3透明Al2 03陶瓷的主要性能
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┃~—~—～ 序號(hào) ┃ ┃ ┃ ┃ ┃
┃性能—～—～～ ┃ Lucalox ┃ 1 ┃ 2 ┃ 3 ┃
┣━━━━━━━━━━━━╋━━━━━━━━━╋━━━━━━╋━━━━━╋━━━━┫
┃密度(g/cm3) ┃ 3. 98 ┃ 3. 98 ┃ 3. 98 ┃ ┃
┃氣孔率(%) ┃ 0 ┃ ┃ ┃ ┃
┃平均粒徑(ym) ┃ ┃ -20 ┃ 15～20 ┃ ┃
┃總透光率(%) ┃ 90 ┃ ┃ 92～95 ┃ ┃
┃抗彎強(qiáng)度(MPa) ┃381. 20～386. 60 ┃ 350. 00 ┃ ┃350. 00 ┃
┃線膨脹系數(shù)(×10-6/℃) ┃ 6. 5 ┃ 8. 8 ┃ ┃ 7. 7 ┃
┃導(dǎo)熱系數(shù)[W／(m．K)] ┃ 37. 7 ┃ 33. 5 ┃ ┃ 21. 0 ┃
┃500℃比體積電阻(Q．cm) ┃ ┃ 10'z ┃ ┃ 101z ┃
┃擊穿強(qiáng)度(kV/mm) ┃ 64 ┃ 60 ┃ ┃ ┃
┃介電常數(shù)e1( F/m) ┃ 9. 9 ┃ ┃ ┃ 9. 9 ┃
┃tan8(×10-5)(×103 MHz) ┃ 2. 5 ┃ ┃ ┃ ┃
┃使用溫度(℃) ┃ ┃1700一1900 ┃ ┃ ┃
┃Hz中燒結(jié)溫度(℃) ┃ 1650～1950 ┃ ┃ 1680 ┃ ┃
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根據(jù)如上良好的性質(zhì)，由于耐強(qiáng)堿和氫氟酸的侵蝕，可以用作熔制玻璃坩堝及某些場(chǎng)合代替鉑金坩堝等。由于能透過(guò)紅外光，可用作紅外檢測(cè)窗材料和納光燈管材料。此外，在電子工業(yè)中用作集成電路基片和高頻絕緣材料，以及用作結(jié)構(gòu)材料等。
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本文“透明氧化鋁陶瓷概述”由科眾陶瓷編輯整理，修訂時(shí)間：2014-12-25 10:40:16
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