透明陶瓷研究进展

12│中国陶瓷│CHINA CERAMICS │2010(46)第 10 期12

│中国陶瓷│CHINA CERAMICS │2010(46)第 10 期【摘 要】：透明陶瓷除具有传统陶瓷典型特性外，还

具有玻璃的光学特性，是一类备受关注的新型无机材料。综述了透明陶瓷透光原因及制备方法，重点介绍了近年来我国在透明激光陶瓷、陶瓷闪烁体、红外窗口陶瓷中的研究进展，并对其研究趋势提出展望。

【关键词】：透明陶瓷，激光陶瓷，陶瓷闪烁体，研究进展

中图分类号：TQ174.75+8.23 文献标志码：

B 引 言

透明陶瓷（transparent ceramics）是在50年代末60年代初发展起来的一类新型无机材料，既具有陶瓷固有的耐高温、耐腐蚀、高强高硬等特性，又具有玻璃的光学性质。世界上很多国家对透明陶瓷作了深入研究，并开发出一系列不同用途的透明陶瓷，如：YAG、铝镁尖晶石、氮化铝、氮氧化铝等。这些光学性能各异的新型材料正逐步应用于激光、照明、医疗器械、军事、国防等重要技术领域[1,2]。

1 影响陶瓷透光的因素

普通陶瓷是多晶体，存在大量晶界、气孔和杂质，当入射光遇到这些“障碍物”时，容易产生散射与吸收，从而导致入射光大量损失，透光率较小，因此我们看到陶瓷一般都是不透明的。图1[3]是光在多晶体中传播过程示意图。由图可知，晶界、气孔、缺陷严重影响光在陶瓷内部的传播，成为不透明的最直接原因。

为了综合表示以上因素对光学透过率的影响，陶瓷

的透光率可以用以下公式[4]表示：

I/I 0=(1-R)2exp[-(α+S im +S op )x] （1）其中：I 为透过光强度；I 0为入射光强度；R 为光线反射率；α表示电子跃迁吸收系数，为材料的本征吸收；S im 为结构不均匀引起的散射（例如气孔、第二相等）；S op 为光学各相异性引起的散射（例如六方晶系）；x 为试样厚度。

从公式（1）可知，要提高陶瓷的透光性，必须消除造成光散射和吸收的各种因素。透明陶瓷如要获得高透光率，必须具备以下条件[5]：1）陶瓷内部致密度高，接近于理论密度；2）晶界上不存在空隙，或空隙大小比光波长小得多；3）晶界没有杂质及玻璃相；4）晶粒较小而且均匀，其中没有空隙；5）无光学各向异性，晶体结构最好是立方晶系，不然会引起双折射现象；6）表面光洁度高，降低表面对光的散射；7）晶体对入射光的选择吸收很小。

2 透明陶瓷制备方法

表面上看，透明陶瓷的制备工艺与普通陶瓷区别不大，都是原料制备、成型、烧结，从而实现致密化的过程。但从具体技术分析，透明陶瓷对工艺要求非常苛刻，特别是粉体制备与烧结。从某种意义上讲，这两个环节决定了陶瓷的透明程度。

2.1 透明陶瓷粉体制备

纳米微粒具有特殊的物理性质，如：小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应等，高的表面活性又使得颗粒的光、热、敏感性等不同于常规粒子[6]。因此，越来越多的科研工作者积极探索纳米颗粒制备方法，力求制备出高纯、高表面活性、形态类球形、分散性优异的纳米粉体来作为透明陶瓷原料。

目前，应用较广的透明陶瓷粉体制备方法是液相法，典型的有共沉淀和均匀沉淀法等。共沉淀法是合成高纯超细粉体最广泛的方法之一，在含有多种金属阳离子的溶液中加入沉淀剂，一般制备两种以上金属元素的复合氧化物。王能利等[7]以Y 2O 3粗粉、Nd 2O 3、硝酸和

氨水为原料，通过共沉淀法成功制备了Nd:Y 2O 3透明陶瓷纳米粉体。均匀沉淀法一般使用尿素为沉淀剂，由于尿素受热分解产生沉淀离子，并立即被消耗，因此消除了沉淀剂的浓度不均匀性。李保平[8]等以A1(NO 3)3，和Y(NO 3)3为母盐，尿素为沉淀剂，添加适量(NH 4)2SO 4，采用微波均相沉淀法合成YAG 前驱体，并最后成功制备

了YAG 透明陶瓷。

透 明 陶 瓷 研 究 进 展

王 超，陆小荣

（无锡工艺职业技术学院陶瓷工艺系， 宜兴 214206）

收稿日期：2010-4-27修改日期：2010-6-21作者简介：王超(1982-)，男，硕士，助教。E-mail ：wangchao_530@

图1 光在多晶体中传播过程示意图[3]

Fig.1 transmittance of light in polycrystalline material

综述与评述

文章编号：1001-9642（2010）10-0012-04

2010年 第 10 期中 国 陶 瓷

中国陶瓷│CHINA CERAMICS │2010(46)第 10 期│13

近年来，低温燃烧合成法（LCS，low-temperature combustion synthesis）也广泛应用于透明陶瓷粉体的制备。该方法基本过程为：在金属硝酸盐的水溶液中加入适量有机物，溶液加热后发生沸腾、浓缩、冒烟、起火迅速燃烧，最后得到氧化物粉末。张永明[9]等以Y 2O 3、A1(NO 3)3、柠檬酸、乙二醇为原料，采用低温燃烧法成功制备了透明陶瓷粉体。

2.2透明陶瓷烧结方法

晶粒大小和气孔是影响陶瓷透明的关键因素，因此在透明陶瓷制备过程中，通常采用热压烧结、气氛烧结等特殊方法。热压烧结时，通过在烧结过程中施加外压力，促使材料致密化，同时晶粒生长较慢，从而可得到细晶粒的陶瓷材料；气氛烧结可以消除由于材料成分挥发产生的空位等缺陷，并且气孔内的气体被置换而很快扩散，降低缺陷的产生。此外，像激光烧结[10]、微波烧结[11]、放电等离子体烧结[12]等技术也逐步被应用于透明陶瓷的制备中。

3 我国透明陶瓷研究现状

3.1 YAG 激光透明陶瓷

早在1966年，热压掺镝的氟化钙（Dy 2+:CaF 2）陶瓷就已经形成了激光振荡[13]。尽管如此，陶瓷激光器在性能上一直不能同以单晶做为激活介质的激光器相比。但是生产大尺寸的单晶需要昂贵的特殊设备和复杂工艺，且生产周期长、成本高；同时，单晶还有掺杂离子浓度低和不均匀的缺点。相比之下，透明陶瓷有其独特优点：生产周期短、成本低、易制备出大尺寸等。因此，透明陶瓷作为激光介质不断受到关注。1995年，Ikesue [14]采用高温固相反应法首次制备出高透明的Nd:YAG 陶瓷。测试结果表明Nd:YAG 陶瓷折射率、热导率、硬度等物理特性均与Nd:YAG 单晶类似。

近年来，国内对激光透明陶瓷研究持续升温，2006年，潘裕柏[15]等采用高纯商业Y 2O 3，Al 2O 3，Nd 2O 3超微粉作为原料，经溶胶-凝胶／燃烧合成工艺制备了纳米Nd:YAG 粉体，通过球磨混合、煅烧干燥、真空烧结等技术成功制备了Nd:YAG 透明陶瓷，并在国内首次实现其激光输出。2007年，吴玉松[16]等自行合成了Yb:YAG 纳米粉体，经干燥、造粒、成型，最后在1650～1780℃真空烧结条件下，成功制备了Yb:YAG 激光透明陶瓷。4mm 厚样品透过率80％，LD 泵浦获得了波长为1030nm，最大功率为268 mW 的连续激光输出。2008年9月，刘文斌

[17]

等采用共沉淀法制备了平均

粒径100nm 左右的Nd:YAG 纳米粉体，经冷等静压成型，在1700～1800℃真空条件下成功制备了透过率接近于透明Nd:YAG 晶体理论值的透明陶瓷，晶粒平均尺寸为15um，1.5mm 厚的样品在近红外波长1064nm 处透过率为83.5％。近年来，上海大学杨秋红教授领衔的课题组在Yb:(Y, La)2O 3激光透明陶瓷制备中也取得了重大突破[18,19]。豆传国[20]等采用商业纳米粉体并结合传

统陶瓷制备工艺，在无压还原气氛下制备出高光学质量的(Yb 0.05La 0.05Y 0.85)2O 3多晶透明陶瓷，如图2所示。采用端面泵浦，当输出镜透过率为9％时，获得了波长为1080nm、最大功率为500mW 的连续激光输出，斜率效率13％，并首次在国际上实现了掺Yb 3+氧化镧钇透明陶瓷的激光输出。此外，上海硅酸盐研究先进陶瓷课题组在Tm:YAG、Er:YAG 等不同稀土掺杂YAG 透明陶瓷中也取得成功，实物照片如图3所示。

3.2 闪烁体透明陶瓷[21]

无机闪烁体（inorganic scintillator）在辐射探测中起着非常重要的作用，广泛应用于影像医学（X-CT、NMR、PET）、核物理、高能物理、工业CT、油井勘探、安全检查等领域[22]。闪烁材料的重要性能指标包括透明性、X 射线阻止本领、光输出、衰减速度、余辉和辐照损伤等，对于不同的应用场合，各类性能有不同的要求和侧重点。目前研究应用最多的闪烁体是无机闪烁晶体，像(Y, Gd)2O 3:Eu,Pr ；Gd 2O 2S:Pr,Ce,F ；Gd 3Ga 5O 12:Cr,Ce [21]。国外对闪烁陶瓷研究相对较早，并已成功应用于CT 行业。近年来，上海大学和上海硅酸盐研究所在闪烁体透明陶瓷的研究中取得了较大突破。2005

年，李会

图2 掺Yb 3+氧化镧钇透明陶瓷实物图

Fig.2 Picture of Yb:(Y, La)2O 3

transparent ceramic

图3 激光透明陶瓷实物图

(a) Tm ∶YAG; (b) Er ∶YAG Fig.3 Picture of transparent ceramics

(a) Tm ∶YAG; (b) Er ∶YAG

(a)

(b)