功能陶瓷材料-透明陶瓷

1、,1,4.4 透明陶瓷,1959年，美國(guó)通用電氣公司開(kāi)發(fā)出透光性氧化鋁陶瓷，最先打破陶瓷不透明這一，其透光率約為80%，而現(xiàn)在作為高壓鈉燈燈管的透明氧化鋁瓷對(duì)可見(jiàn)光的透光率已達(dá)到90以上?，F(xiàn)在研制成功的透明陶瓷包括Al2O3、MgO、Y2O3、ZrO2、ThO、MgF2、CaF2、LaF3以及PZT、PLZT、GaAs、ZnS等。,功能陶瓷,2,透光性陶瓷要獲得高度透光性能，須滿(mǎn)足以下條件：,高密度，盡可能接近理論密度； 晶界處無(wú)氣孔和空洞，或其尺小比入射的可見(jiàn)光波長(zhǎng)小得多因其所引起的損失也很輕微； 晶界無(wú)雜質(zhì)和玻璃相或它們與主晶相的光學(xué)性質(zhì)差別很小； 晶粒細(xì)小，尺寸接近均一，晶粒內(nèi)無(wú)氣泡封入

2、。,3,為了保證透明陶瓷的透光性，通常采取如下一些措施：,采用高純?cè)?，如生產(chǎn)透明氧化鋁，其原料中A12O3的含量不得低于99.9%； 適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)相(或頂燒)溫度，若轉(zhuǎn)相溫度過(guò)高，則活性降低，影響產(chǎn)品燒成時(shí)的準(zhǔn)確燒結(jié)；若轉(zhuǎn)相溫度過(guò)低，轉(zhuǎn)相或合成不完全； 充分排除氣孔； 細(xì)?；尤脒m當(dāng)?shù)奶砑觿┮砸种凭ЯｉL(zhǎng)大； 熱壓燒結(jié)，采用熱壓燒結(jié)技術(shù)，所得制品可基本上排除氣泡，接近理論密度。,4,透明陶瓷的發(fā)展,氧化鋁透明陶瓷是最早投入生產(chǎn)的透明陶瓷材料。將MgO、ZnO、NiO、La2O3 等添加劑摻入高純細(xì)散的Al2O3 粉末中壓制成型，并在氫氣保護(hù)下或真空中焙燒，即可完全消除氣孔，制得具有較高透明度的陶

3、瓷材料。,AlN陶瓷是另一種典型的透明陶瓷，它最早是由美國(guó)在20世紀(jì)60年代研發(fā)成功，到了90年代其制備工藝和應(yīng)用技術(shù)逐漸得到發(fā)展。氮化鋁透明陶瓷表現(xiàn)出硬度較高、熱導(dǎo)率較高、電導(dǎo)率較低、介電損耗較低、熱膨脹系數(shù)較低、化學(xué)穩(wěn)定性?xún)?yōu)良等諸多優(yōu)異性能。,5,PLZT電光陶瓷是一種典型的透明鐵電陶瓷, 1970 年G. H. Haertling首次制備了PLZT透明陶瓷。PLZT透明陶瓷是通過(guò)在ZrO、TiO、PbO中摻入少量LaO經(jīng)過(guò)粉體混合、壓力成形和高溫?zé)Y(jié)而成的 。這種材料具有較高的光透過(guò)率和電光效應(yīng),人工極化后還具有壓電、光學(xué)雙折射等特性。主要用于制作光調(diào)制器、光衰減器、光隔離器、光開(kāi)關(guān)等光

4、電器件，也可制成PLZT薄膜，在電光和光學(xué)方面具有較多的應(yīng)用。,釔鋁石榴石激光透明陶瓷最初是以Al2O3、Y2O3、Nd2O3 為基體制備而成, 之后美國(guó)、日本、俄羅斯相繼用不同的方法制備了高透明度的釔鋁石榴石激光透明陶瓷。因其具有較高的機(jī)械強(qiáng)度、良好的化學(xué)穩(wěn)定性和電物理性能,被認(rèn)為是有希望的新一代固體激光材料。,6,透明陶瓷透光性的影響因素,制備影響因素,原料,原料的純度是影響透明性諸多因素中的主要因素之一, 原料中雜質(zhì)容易生成異相, 形成光的散射中心, 如圖所示, 減弱透射光在入射方向的強(qiáng)度, 降低陶瓷的透過(guò)率, 甚至失透。,陶瓷內(nèi)光散射示意圖,7,當(dāng)原料的粒度很小, 處于高度分散, 燒結(jié)

5、時(shí)微細(xì)顆粒可縮短氣孔擴(kuò)散的路程, 顆粒越細(xì), 氣孔擴(kuò)散到晶界的路程就越短, 容易排除氣孔和改善原料的燒結(jié)性能, 使透明陶瓷結(jié)構(gòu)均勻, 透過(guò)率高。,原料的活性不僅與原料的分散狀態(tài)且與原料的相變或預(yù)燒溫度有關(guān), 預(yù)燒溫度過(guò)高則活性降低; 過(guò)低則相變轉(zhuǎn)化不完全, 制品在燒結(jié)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生變形等不良的影響,為了獲得透明陶瓷, 有時(shí)需加入添加劑, 抑制晶粒生長(zhǎng)。添加劑的用量一般很少, 所以要求添加劑能均勻分布于材料中, 另外, 添加劑還應(yīng)能完全溶于主晶相, 不生成第二相物質(zhì), 也就是說(shuō), 不破壞系統(tǒng)的單相性。,8,燒成制度,燒成制度影響陶瓷材料的透明度, 一般的陶瓷燒結(jié)溫度更高才能排除氣孔, 達(dá)到透明化燒

6、結(jié)。燒結(jié)透明陶瓷時(shí), 要根據(jù)燒結(jié)材料的性能和坯體的性能及大小來(lái)確定最高燒結(jié)溫度。燒結(jié)透明陶瓷時(shí), 必須控制升溫速度, 確保整個(gè)坯體均勻加熱, 控制晶體生長(zhǎng)速度和晶粒尺寸, 并達(dá)到消除氣孔的目的。保溫時(shí)間的選擇可依照晶粒的大小和氣孔有無(wú)而定, 冷卻制度的確定應(yīng)以陶瓷無(wú)變形且無(wú)內(nèi)應(yīng)力為準(zhǔn)。,透明陶瓷和普通陶瓷不同, 最后需經(jīng)真空、氫氣氣氛或其它氣氛中燒成。在真空或氫氣氣氛中, 陶瓷燒結(jié)體的氣孔被置換后很快的進(jìn)行擴(kuò)散, 從而達(dá)到消除氣孔的目的, 使用這種燒結(jié)方法能達(dá)到陶瓷透明,9,由于陶瓷屬于光學(xué)不均勻體系，光會(huì)被物質(zhì)內(nèi)結(jié)構(gòu)不均勻區(qū)域的散射中心散射。光散射系數(shù)由下列三個(gè)因素決定:,顯微結(jié)構(gòu)的影響,由

7、雜質(zhì)和添加物析出不同相以及燒結(jié)過(guò)程中殘余氣孔引起的散射 由空穴、位錯(cuò)等晶體結(jié)構(gòu)不完整造成的光散射 在晶體具有各相異性情況下，由于在晶界等折射率不連續(xù)界面上產(chǎn)生的反射、雙折射顯示出的光散射。,陶瓷中光散射中心示意圖,10,氣孔率,對(duì)透明陶瓷透光性能影響最大的因素是氣孔率，可更細(xì)分為氣孔尺寸、數(shù)量、種類(lèi)。普通陶瓷即使具有高的密度，往往也不是透明的，這是因?yàn)槠渲杏泻芏嚅]口氣孔。如陶瓷體中閉口氣孔率從0.25%變?yōu)?.85%時(shí)，透過(guò)率降低33%；總氣孔率超過(guò)1%的氧化物陶瓷基本上是不透明的。 根據(jù)平均氣孔的大小，產(chǎn)生的影響也不同：在氣孔直徑小于光波波長(zhǎng)/3時(shí), 會(huì)產(chǎn)生Rayleigh 散射；當(dāng)氣孔直徑

8、與光波波長(zhǎng)相接近時(shí), 會(huì)產(chǎn)生Mie散射；當(dāng)氣孔直徑大于光波波長(zhǎng)時(shí), 會(huì)產(chǎn)生反散射折射。其中Mie散射對(duì)透過(guò)率的影響最大。,11,氣孔按種類(lèi)可分為晶界氣孔和晶內(nèi)氣孔。晶體之間的氣孔處于晶界面上容易排除，它可以隨著晶界的移動(dòng)而遷移，最終排出體外，而晶體內(nèi)部的氣孔即使是小于微米級(jí)的也很難排除，而且在封閉氣孔中還可能進(jìn)入水蒸汽、氮?dú)夂吞嫉?。因此晶體內(nèi)氣孔對(duì)于獲得透明陶瓷是最危險(xiǎn)的，從而應(yīng)在任何工藝階段防止氣孔的產(chǎn)生。,要制備透光性能優(yōu)越的陶瓷，必須減少氣孔的數(shù)量、排除晶內(nèi)氣孔的產(chǎn)生。必須使其中殘留的微氣孔的尺寸或者大于、或者小于要透過(guò)的光線波長(zhǎng)，而不要使這兩者相等或接近，以免發(fā)生Mie散射而影響透過(guò)率

9、。,12,晶界結(jié)構(gòu),透明材料的晶界干凈清晰, 而非透明材料的模糊不清。陶瓷材料的物相組成中通常包含著兩相或更多相, 這種多相結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致光在相界表面上發(fā)生散射。當(dāng)入射光進(jìn)入晶粒時(shí), 會(huì)與晶界相遇, 則會(huì)產(chǎn)生折射和反射。如果晶界與晶粒的折射率相同時(shí), 就不會(huì)發(fā)生折射和反射。,陶瓷內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)示意圖,透明陶瓷要求：晶界應(yīng)微薄、光性好、沒(méi)有第二相夾雜物及位錯(cuò)等缺陷。,13,第二相,要控制陶瓷中第二相的生成，在陶瓷生產(chǎn)的過(guò)程中，我們應(yīng)注意原料與添加劑的選擇。生產(chǎn)透明陶瓷應(yīng)使用高純度、高細(xì)散、高燒結(jié)活性粉料。高純度可減少第二相的析出；高細(xì)散可保障高的燒結(jié)活性。,有時(shí)為了獲得透明陶瓷，我們使用添加劑。在使用

10、添加劑時(shí)我們應(yīng)注意以下兩個(gè)方面的問(wèn)題：(l)添加劑應(yīng)能均勻的分布于原材料中，抑制晶粒生長(zhǎng)，否則會(huì)產(chǎn)生偏析；(2)添加劑的用量應(yīng)適量，當(dāng)添加劑越過(guò)固溶限度時(shí)，過(guò)剩的添加物在晶界處析出，使得Sim變大，相反使其透光率變得更差。,14,透明陶瓷PZN-PLZT斷面形貌,樣品基本達(dá)到了理論密度，而且晶界平直，晶界沒(méi)有存在雜質(zhì)相，因此，降低了因殘余氣孔和晶界引起的散射，使得材料有較高的透過(guò)率。,15,透明陶瓷的性能及應(yīng)用,透明陶瓷材料不僅具有較好的透明性、耐腐蝕性，能在高溫高壓下工作，而且還有許多其他材料無(wú)可比擬的性能，如:強(qiáng)度高、介電性能優(yōu)良、電導(dǎo)率低、熱導(dǎo)性好等。,人們利用透明陶瓷的高溫耐腐蝕性，制

11、備了高壓鈉燈、銫燈、鉀燈等新型燈具；利用它的高強(qiáng)度和紅外性能，制作導(dǎo)彈頭部的紅外線整流罩；利用它的透光性、耐高溫性制作電焊面罩及核試驗(yàn)中的人體保護(hù)罩；利用它的透光性、高密度,制成具有高表面光潔度的制品。,16,在軍事工業(yè)中，透明陶瓷還可以用來(lái)制成透明防彈材料。美國(guó)研究的用透明陶瓷代替?zhèn)鹘y(tǒng)的多層玻璃透明件作為透明裝甲材料，開(kāi)辟了透明陶瓷的新用途。替代的材料不僅在透明度上有大幅度提高，而且重量更輕、強(qiáng)度更高、耐久性更好、抗穿透和抗劃傷能力更強(qiáng)。,在電子工業(yè)中，它被用來(lái)制造印刷線路的基板和鏤板；在化學(xué)工業(yè)中，它用來(lái)替代不銹鋼,具有很高的耐磨蝕性能;在儀表工業(yè)上，它可代替貴重的紅寶石，大大降低了成本;在日常生活中，它還可以用來(lái)制作高級(jí)餐具、器皿等。,17,透明氧化鋁陶瓷又稱(chēng)為透明多晶氧化鋁或半透明氧化鋁陶瓷，這種陶瓷對(duì)可見(jiàn)光和紅外光具有良好的透過(guò)性，同時(shí)也具有高溫強(qiáng)度大、耐熱性好、耐腐蝕性強(qiáng)及電阻率大等特點(diǎn)，可應(yīng)用于高壓鈉燈、金屬鹵化物燈等高強(qiáng)度氣體放電燈的放電管以及透紅外窗口材料。如何精確控制燈管的形狀和尺寸