透明氧化铝陶瓷制备的研究进展

透明氧化铝陶瓷制备的研究进展关键词：透明氧化铝，透光率，烧结助剂，烧结工艺1引言透明氧化铝陶瓷最早是由美国Coble博士发明的，他通过在Al2O3中添加0．25wt% MgO，于1700～1800℃氢气气氛下烧结出呈半透明的氧化铝陶瓷，从此开创了透明氧化铝陶瓷研究和应用的新篇章［1］。

经过半个世纪的不懈努力和研究，科研工作者发现，通过提高氧化铝的纯度、致密度以及合理的调控显微结构，可以显著提高氧化铝陶瓷的透光性。

随着研究的不断开展，制备氧化铝陶瓷的烧结助剂得到了极大地扩展，除了MgO，一些稀土氧化物（如Y2O3、La2O3、ZrO2等）同样可以作为氧化铝陶瓷的烧结助剂，并且采用复合添加剂的效果优于单独使用MgO。

关于添加剂的引入方式，谢志鹏等［2］提出了化学沉淀包覆工艺，在1800℃氢气气氛下烧结，制备了透明氧化铝陶瓷。

与传统的球磨工艺相比，该方法能够实现添加剂在氧化铝基体中的均匀分布，从而大大提高了陶瓷的透光性。

关于透明氧化铝陶瓷的烧结技术，最近的研究工作表明，采用热等静压（HIP）、放电等离子（SPS）等特种烧结工艺可以制备出亚微米晶的高性能透明氧化铝陶瓷。

例如，Jin等［3］采用SPS工艺，于1250～1350℃，80MPa压力下烧结，制备了晶粒尺寸小于1μm，直线透光率为53%的透明陶瓷。

由于晶粒细小，其机械强度也非常优异。

此外，Mao等［4］就氧化铝晶粒光轴取向对透光性的影响进行了研究，他们通过在强磁场条件下进行透明Al2O3陶瓷浆料的注浆成型，使烧结后的Al2O3陶瓷晶粒光轴趋于一致，从而减少六方晶系Al2O3陶瓷因双折射率不同带来的光损失，显著提高透明Al2O3陶瓷的透过率。

下面就影响氧化铝陶瓷透光性的各种因素，以及氧化铝粉体选择、烧结助剂及作用、烧结工艺及透明氧化铝陶瓷的应用进行综述。

2影响氧化铝陶瓷透明性的因素2.1.1气孔对透明陶瓷透光性能影响最大的因素是气孔率，又包括气孔尺寸、数量、种类。

普通陶瓷即使具有高的密度，往往也不是透明的，这是因为其中有很多封闭气孔，并且当陶瓷内部的气孔率大于1%时，陶瓷就基本不再透明。

有实验证明：当陶瓷体中闭口气孔率从0.25%变化到0.85%时，透过率降低33%。

根据平均气孔的大小，产生的影响也不同，在气孔直径小于光波波长λ/3时，会产生Rayleigh散射；当气孔直径与光波波长λ接近时，会产生Mie散射；当气孔直径大于光波波长λ时，会产生反散射折射。

因此，欲提高陶瓷的透明度，必须降低气孔率。

2.1.2 晶界结构晶界是破坏陶瓷体光学均匀性，从而引起光的散射，致使材料的透光率下降的重要因素之一，单位体积晶界数量越，透光率越低。

由于陶瓷材料的物相组成通常包含两相或更多相，这种多相结构会导致光在相界表面上发生散射。

透明盒不透明陶瓷的晶界结构是不同的。

透明材料是单相的，晶界与晶体的光学性质差别小因而晶界模糊不清，而非透明材料是多相的，晶界很清晰。

材料的组成差异越大，折射率相差越大，整个陶瓷的透光率越低。

因而透明陶瓷晶界区应微薄、光匹配性好、无气孔及杂物、位错等。

具有各向同性晶体的陶瓷材料可以达到与玻璃相近的直线透光率。

2.1.3 第二相物质Al2O3透明陶瓷中的杂质等第二相与基体的光学性质不一致，往往成为散射和吸收中心，大大降低陶瓷的透明性。

因此，Al2O3透明陶瓷体要求是均一、连续的单相结构。

这就要求原料必须具备高纯、超细、高分散等特性，制备过程中不能引入杂质。

2.1.4 晶粒尺寸研究表明晶粒的尺寸大小和分布对Al2O3透明陶瓷的透明度也有影响。

如果晶粒的直径与入射光的波长相同，则晶粒对入射光散射最强；晶粒直径小于入射光波长时，光线可以容易地通过。

同时由于晶粒尺寸还会影响陶瓷材料的表面光洁度，而表面光洁度也会对Al2O3透明陶瓷的透明度产生影响，因此，晶粒尺寸对陶瓷透光性的影响是多角度的。

一般地，晶粒尺寸小、晶粒分布均匀的Al2O3透明陶瓷就有较高的透光度。

2.1.5晶体结构晶体结构决定陶瓷多晶体的光学性能，直接影响其透过率，晶体光学性能的各向异性损害陶瓷的透光率，具有双折射效应，在晶界处造成界面反射损失而降低透过率。

着重指出的是，对于立方晶体结构的陶瓷，由于其各向同性，光线进入陶瓷内部，不会产生双折射效应。

多晶Al2O3为六方晶系，具有0.008的双折射率，因此其透光性能不如立方晶体结构的陶瓷。

3透明氧化铝陶瓷制备技术进展3．1粉末选择与要求粉体除具有高的纯度和小的粒度外，同时颗粒应高度分散，以保障高的烧结活性。

研究表明，制备透明陶瓷的理想粉体不能产生明显的团聚。

硬团聚体的产生会使粉体原有的高分散性和小颗粒尺寸的优势完全或部分丧失，使粉体成型体中存在大尺寸的气孔，这类气孔被排出的阻力较大，甚至难以排除，从而导致材料无法烧结致密，最终难以获得透明的陶瓷材料。

原料的预烧温度也会对陶瓷透明性产生明显的影响。

过高则活性降低，影响产品的透明化烧结；过低则相转变不完全，制品在烧结过程中会产生变形等不良影响。

此外，原料粉体的颗粒形状、流动性、成型时的素坯密度均匀性等也会对致密化过程产生影响［5］。

3．2烧结助剂及作用为了使Al2O3陶瓷体烧结成没有气孔的完全致密体，必须在Al2O3粉中加入微量的烧结助剂，通常加入MgO，还可采用Y2O3、La2O3、ZrO2、ThO2等，也可将这些氧化物与MgO混合使用。

与MgO相比，Y2O3、La2O3、ZrO2、ThO2等添加剂具有较宽的浓度范围，在此浓度范围内，最大透光率仍能保持不变。

.3．3透明氧化铝陶瓷烧结工艺3．3．1气氛和真空烧结氧化铝在空气中烧结常有1～3%的剩余气孔，这些气孔的产生主要是由于在烧结后期气孔被封闭在氧化铝陶瓷中，气孔的进一步收缩需要借助晶界扩散到表面；空气中的氮气在烧结温度下不溶于氧化铝晶粒，因此只有当内部压力与表面收缩能量平衡时，气孔才收缩。

而在氢气气氛条件下，一方面氢气是可溶的，能很快从体系中扩散出去，另一方面Al2O3陶瓷的烧结是由阴离子（O2-）扩散速率控制的烧结过程，在还原气氛下，晶体中的氧从表面脱离，从而在晶体表面产生大量的氧空位，使O2-扩散系数增大导致烧结过程加速，从而达到完全致密，因此透明氧化铝陶瓷在氢气气氛下烧结可有效排除剩余气孔。

3．3．2放电等离子烧结透明氧化铝陶瓷的SPS烧结近几年也得到研究和探索。

Diminuendi［8］以平均粒径为100nm的高纯Al2O3为原料，在不使用任何添加剂的情况下采用SPS 烧结，工艺条件为压力275MPa，最高烧结温度1150℃，制备了平均晶粒尺寸为0.3μm，硬度达到23GPa的透明氧化铝陶瓷。

3．3．3微波快速烧结微波烧结是利用材料在微波电磁场中的介电损耗使陶瓷及其复合材料整体加热至烧结温度而实现致密化的快速烧结技术。

微波烧结速度快、时间短，从而避免了烧结过程中陶瓷晶粒的异常长大，最终可获得高强度和高致密度的透明陶瓷。

Cheng等［11］研究发现微波烧结氧化铝在加入百分比为0．05%氧化镁烧结助剂的条件下烧结45min就可以得到密度为3.97/cm3，平均粒径为40μm 透明性能优异的氧化铝陶瓷。

但是，微波烧结有其本身的问题，如控温准确度，温度场均匀性等，这往往会产生氧化铝晶体晶粒尺寸的差别非常大，从而影响材料质量的稳定性。

,这种粉料制备的陶瓷,其致密度可达理论密度的99.9%或更高。

一般的化学方法,包括沉淀法、溶胶—凝胶法等制备出的原料粉具有高的分散度,从而保证其良好的烧结活性。

3．3．4常压烧结与热等静压（HIP）相结合将纳米级氧化铝粉末通过常压烧结与热等静压相结合可制备出微米或亚微米级细晶透明氧化铝陶瓷，且剩余气孔很少，晶界洁净，直线透光率高。

由于晶粒很小，机械性能也显著提高，甚至接近氧化铝单晶材料。

4总结通过论文我知道了制备Al2O3透明陶瓷首先要制取具有高的纯度。

高活性、不凝聚、高分散的陶瓷粉末。

其次要正确选择添加剂种类和加入量，三是要在各工艺过程中严格防止使用陶瓷制品产生气孔。

包括成型坯体要密度均匀，烧成气氛和压力要有利于坯体气孔的排除，升温过程也要简历有利于制品致密烧结和防止气孔产生的烧成工艺制度。

总之对于Al2O3透明陶瓷的制备，在整个工艺过程中必须对原料、添加剂、成型方法、烧结气氛、表面光洁度等进行严格控制，才能获得高致密度、低气孔率、组织均匀（包括晶界、第二相、晶粒等）、表面光洁度好，从而透光性好的Al2O3陶瓷。

透明氧化铝是第一个实现透明化的的先进陶瓷材料，并且得到了广泛的应用，比如节能照明的高压钠灯及金卤等电弧管，用于口腔矫正的正畸透明托槽等。

近年来，为了提高氧化铝陶瓷的透光率，国内外学者主要从对原始粉体性能进行改善、烧结助剂引入方式优化、并采用先进的烧结工艺等方面开展研究，并使得多晶透明氧化铝的透光率大大提高。

我认为未来透明氧化铝金卤灯管的产业化及民用化将成为透明氧化铝陶瓷的主流应用热点，会使人们的生活越来越便捷。

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