透明陶瓷
摘要：一般陶瓷是不透明的，但是光学陶瓷像玻璃一样透明，故称透明陶瓷。一般陶瓷不透明的原因是其内部存在有杂质和气孔，前者能吸收光，后者令光产生散射，所以就不透明了。因此如果选用高纯原料，并通过工艺手段排除气孔就可能获得透明陶瓷。早期就是采用这样的办法得到透明的氧化铝陶瓷，后来陆续研究出如烧结白刚玉、氧化镁、氧化铍、氧化钇、氧化钇-二氧化锆等多种氧化物系列透明陶瓷。近期又研制出非氧化物透明陶瓷，如砷化镓、硫化锌、硒化锌、氟化镁、氟化钙等。
关键词：陶瓷，材料，透明，新型
透明陶瓷性能优异 ,应用广泛 ,是一类备受关注的新型材料。目前已经成功开发的透明陶瓷有氧化铝透明陶瓷、 氧化钇透明陶瓷、 氮化铝透明陶瓷以及 PLZT电光透明陶瓷和激光透明陶瓷等。本文介绍了几种透明陶瓷的研究进展以及性能和应用 ,并且对透明陶瓷的研究趋势提出展望。
一般陶瓷是不透明的，但是光学陶瓷像玻璃一样透明，故称透明陶瓷。一般陶瓷不透明的原因是其内部存在有杂质和气孔，前者能吸收光，后者令光产生散射，所以就不透明了。因此如果选用高纯原料，并通过工艺手段排除气孔就可能获得透明陶瓷。早期就是采用这样的办法得到透明的氧化铝陶瓷，后来陆续研究出如烧结白刚玉、氧化镁、氧化铍、氧化钇、氧化钇-二氧化锆等多种氧化物系列透明陶瓷。近期又研制出非氧化物透明陶瓷，如砷化镓、硫化锌、硒化锌、氟化镁、氟化钙等。
用途
最早是使用在灯具上。高压钠灯是一种发光效率很高的电光源，但在钠蒸气放电时产生1000℃以上的高温，具有很强的腐蚀性，玻璃灯管根本没法耐受，所以高压钠灯一直没能问世，直到有了透明陶瓷，高庄钠灯才得到实际应用，除高压钠灯外，透明陶瓷还使用于其它新型灯具，如艳灯、铷灯、钾灯等。
向尾蛇导弹头部的红外探测器，外面有一个整流罩，它不仅要有足够的强度，还要能透过红外线，以确保导弹能跟踪敌机辐射的红外线。担当此任的材料只有透红外陶瓷，响尾蛇导弹的整流罩就是用透红外陶瓷做的。
电焊工人操作时，要不断地把面罩举起拿下，十分不方便。有一种锆钛酸铅镧透明铁电陶瓷，能透光，耐高温，用它造成具有夹层的护目镜，能根据光线的亮暗自动进行调节，有了这种护目镜，电焊工人工作起来就十分方便。这种护目镜，正在核试验工作人员和飞行员中得到广泛的作用。
美国空军研究实验室与美国Surmet公司一起对以特殊透明陶瓷为基础的新型防弹护板进行了试验，最近几年Surmet公司一直坚持研究这种透明陶瓷。
新型材料进入市场的商标为ALON，它是“氮氧化铝”的缩写，ALON是一种多晶体，并且完全是透明的，其晶粒大小为80～250微米。从外表看ALON板就像蓝宝石，ALON的化学公式为Al(+x)/3O32-xNx，式中的X可以从2到5。
在最近的试验中由几层ALON、玻璃和聚合物组成的双层中空玻璃出色地经受了从7.62毫米口径手连续射出的穿甲弹，同时双层中空玻璃的重量比普通防弹玻璃轻一半。
ALON可以在各个领域找到广泛应用，例如利用它可以制成特别耐磨损的超市条码扫
描器窗口。但是要大量推扩应用ALON的障碍是其价格比传统防弹玻璃贵3～5倍，此外还需要对建造新型炉子进行大量投资，以便能制取在工业规模中应用的大量材料。但是ALON的低重量与高强度比产品的价格更为重要，它已经显示出其不可替代的优点。
种类
一般陶瓷是不透明的，但是光学陶瓷像玻璃一样透明，故称透明陶瓷。一般陶瓷不透明的原因是其内部存在有杂质和气孔，前者能吸收光，后者令光产生散射，所以就不透明了。因此如果选用高纯原料，并通过工艺手段排除气孔就可能获得透明陶瓷。早期就是采用这样的办法得到透明的氧化铝陶瓷，后来陆续研究出如烧结白刚玉、氧化镁、氧化铍、氧化钇、氧化钇-二氧化锆等多种氧化物系列透明陶瓷。近期又研制出非氧化物透明陶瓷，如砷化镓、硫化锌、硒化锌、氟化镁、氟化钙等。
这些透明陶瓷不仅有优异的光学性能，而且耐高温，一般它们的熔点都在2000℃以上。如氧化钍-氧化钇透明陶瓷的熔点高达3100℃，比普通硼酸盐玻璃高1500℃。透明陶瓷的重要用途是制造高压钠灯，它的发光效率比高压汞灯提高一倍，使用寿命达2万小时，是使用寿命最长的高效电光源。高压钠灯的工作稳定高达1200℃，压力大、腐蚀性强，选用氧化铝透明陶瓷为材料成功地制造出高压钠灯。透明陶瓷的透明度、强度、硬度都高于普通玻璃，它们耐磨损、耐划伤，用透明陶瓷可以制造防弹汽车的窗、坦克的观察窗、轰炸机的轰炸瞄准器和高级防护眼镜等。
透明陶瓷的制造是有意识地在玻璃原料中加入一些微量的金属或者化合物（如金、银、铜、铂、二氧化钛等）作为结晶的核心，在玻璃熔炼、成型之后，再用短波射线（如紫外线、X射线等）进行照射，或者进行热处理，使玻璃中的结晶核心活跃起来，彼此聚结在一起，发育成长，形成许多微小的结晶 ，这样，就制造出了玻璃陶瓷。用短波射线照射产
生结晶的玻璃陶瓷，称为光敏型玻璃陶瓷，用热处理办法产生结晶的玻璃陶瓷，称为热敏型玻璃陶瓷。
透明陶瓷的机械强度和硬度都很高，能耐受很高的温度，即使在一千度的高温下也不会软化、变形、析晶。电绝缘性能、化学稳定性都很高。光敏型玻璃陶瓷还有一个很有趣的性能，就是它能象照相底片一样感光，由于这种透明陶瓷有这样的感光性能，故又称它为感光玻璃。并且它的抗化学腐蚀的性能也很好，可经受放射性物质的强烈辐射。它不但可以象玻璃那样透过光线，而且还可以透过波长10微米以上的红外线，因此，可用来制造立体工业电视的观察镜，防核爆炸闪光危害的眼镜，新型光源高压钠灯的放电管。
透明陶瓷的用途十分广泛，在机械工业上可以用来制造车床上的高速切削刀，汽轮机叶片，水泵，喷气发动机的零件等，在化学工业上可以用作高温耐腐蚀材料以代替不锈钢等，在国防军事上，透明陶瓷又是一种很好的透明防弹材料，还可以做成导弹等飞行器头部的雷达天线罩和红外线整流罩等；在仪表工业上可用作高硬度材料以代替宝石，在电子工业上可以用来制造印刷线路的基板和镂板，在日用生活中可以用来制作各种器皿，瓶罐，餐具等等。
光电功能透明陶瓷及其应用
传统的光电功能材料是晶体或玻璃，它们的共同特点是对光的吸收或散射弱。光电晶体光谱性能较优．缺点是制备难度较大、周期长、成本高；与晶体相比，玻璃材料容易制备．成本低廉，但其光电性能一般而言相对较差。近年来，透明陶瓷作为新型光电功能材料受到国际上广泛关注，是功能材料的研究热点之一。
早在二十世纪六十年代，科学家就发现一些致密透明的多晶陶瓷材料在某些光学性能
上与同材质单晶材料相近．甚至可以取代单晶材料。透明陶瓷不仅具有成本低、尺寸大、可制作成异型材料的优点，而且稀土掺杂量可以远高于单晶体，若发展为激光材料．可以最大限度地提高泵浦效率和增大激光输出功率。日本的lkesue等人⋯1于1995年成功研制出掺Nd的YAG激光陶瓷，其透光性、荧光寿命、荧光发射等光谱性能与Nd：YAG单晶接近，而掺入的Nd浓度可眈单晶的高十倍；现在该材料的激光性能已达到甚至超过YAG单晶的水平(激光二极管阵列泵浦直径8毫米、长203毫米的透明Nd：YAG陶瓷，可获得1．42kW的连续激光输出【2】)，有望用于工业化、大批量生产的微片激光器，形成了激光材料研究的新领域。
透陶瓷的制备工艺
高的透光性是光电功能陶瓷的基本要求。理论研究表明。当光通过某一介质时，由于介质的吸收、散射和折射等作用而使其强度衰减；对于透明陶瓷而言，这种衰减除了与材料的化学组成有关外，主要取决于材料的显微组织结构。若入射光的强度为10，样的厚度为t，试样对光的反射率为r．则在忽略多次反射效应时，透过试样的光强度
为【3】：I=Io(1一r)2exp[一2(口+Sim+Sop)t]
(1)其中，a为线收缩系数，Sim为散射系数。Sop为光在不连续界面上(如晶界等)的散射系数。从上式可知，要获得高的透光率．必须使a、Sim、Sop各个系数都尽可能小或趋于零。因此透明陶瓷应该尽量减少气孔和晶界层这样的吸收中心和散射中心．同时还应是单相的、由均质晶体组成，并具有较高的表面光洁度。
透明陶瓷的制备过程包括嗣粉、成型、烧结及机械加工等。要获得透光性能良好的陶瓷材料，首先要制备粒度均匀、化学纯度高分散性好的粉体。目前粉备技术主要有以
下两种：固相反应法和前驱体湿化学法。固相反应法通常是将原料在高温固相反应后，再经过球磨粉碎。它的弊端在于合成温度高，粒径分布宽。前驱体湿化学法是通过液相化学方法，如溶胶一凝胶法、共沉淀法等，得到一定成分的无机盐或者有机络合物。然后经煅烧。获得性能良好的粉体。除此之外，一些新的陶瓷粉备工艺也得到不断的发展，如等离子体法、激光气相法等。
将粒度分布均匀的粉体进行成型的方法有很多，其中常用的包括泥浆浇注、热塑泥浆压铸、挤压成型、干压成型及等静压成型等。透明陶瓷的烧结工艺有多种，主要包括：热压烧结、热等静压烧结、真空烧结、常压烧结以及各种气氛烧结、微波烧结和放电等离子体烧结等。
5小结
透明陶瓷是一类正在迅速发展的新型光电功能材料，在工业、民用以及军工等方面具重要应用前景。该领域机会与挑战并存，沿着材料设计合成、结构、功能优化与拓展的研发思路，大力加强透明陶瓷的基础与应用研究，实现自主创新和关键技术突破，赶超国际先进水平，是摆在我们光电功能材料科研人员面前的一项重要任务。
