透明陶瓷材料

透明陶瓷材料

在我们《材料学导论》课上，何老师介绍了一种材料叫做无色透明陶瓷，这个让我惊奇，因为在我的潜意识里，我一直觉得陶瓷是白色的，又或者是镶嵌一些其他的色彩，比如我们日常生活里见到的碗、盘子、花瓶、酒盅之类的，都不是无色的，因此透明陶瓷引起了我的兴趣。

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（Al2O3)、氧化镁{MgO)、氧化铍(BeO)、氧化钇(Y2O3)、氧化钇-二氧化锆(Y2O3-ZrO2)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(GaAs)、硫化锌(ZnS)、硒化锌(ZnSe)、氟化镁(MgF2)、氟化钙(CaF2)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。

透明陶瓷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。响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。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(64+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毫米口径手枪连续射出的穿甲弹，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。

透明陶瓷是近几十年发展十分迅猛的新型材料。透明陶瓷可分为透明结构陶瓷和透明功能陶瓷两大类。透明结构陶瓷主要用于高压钠光灯管、高温透视窗罩、透明装甲等方面。透明功能陶瓷主要用于激光、显示技术、医学等方面。闪烁透明陶瓷是其中一种应用前景广泛的新材料。

所谓闪烁透明陶瓷是一种吸收高能光子后发出紫外光或可见光的光功能陶瓷材料，被广泛应用于高能物理(如精密电磁量能器)、核医学(如X-CT机)、工业应用(CT探伤)、空间物理、地质勘探等领域。用透明陶瓷做闪烁材料具有热力学性能优良，可实现发光离子多种类及高浓度掺杂等优势，而且容易实现大尺寸，大批量生产，成本低，具有巨大的应用潜力。

近年来，随着新型数字医疗影像技术，如X射线计算机断层扫描影像术(X-CT)，正电子发射计算机断层扫描术(PLT)，心血管造影术(DSA)等的出现和发展，对应用于这些技术中的闪烁材料的性能提出了越来越高的要求。出于对于人体安全的考虑，必须尽可能降低辐射强度和检测时间，以减少人体对各种射线的吸收，这就要求闪烁材料具备透明性好、密度高、衰减时间短(小于0.1ms)，余辉短等性能以及良好的物理化学稳定性。透明陶瓷制备技术的进步使研制这类闪烁体成为可能。由于闪烁陶瓷在粉体制备过程中可以较容易地实现掺杂元素的分子级均匀掺杂，制备工艺简单、成本低廉，以及闪烁陶瓷本身具有良好的机械加工性能等，已成为X-CT用闪烁探测材料的首选对象，目前正在成为新型闪烁材料的研究热点和前沿。

透明陶瓷的成型主要是通过烧结工艺。烧结是使陶瓷坯体在一定的高温下(或同时在压力场或其它外场下)，发生体积收缩，实现致密化并获得一定的组织结构和强度的一个热力学与动力学过程。要想获得高透明的陶瓷材料，关键是使材料本身致密、气孔率低、晶粒大小适宜而均匀、晶界薄而干净。烧结方法有：（1）真空与气氛烧结。目前大部分具有适合熔点的氧化物透明陶瓷均采用真空和氢气烧结。（2）热压烧结。指在烧成过程中施加一定的压力(10~40Mpa)，促使材料流动、重排与致密化。由于烧结温度可以比常压烧结低得多，所以晶粒长大较少，可得到气孔率很低、同时晶粒比较细小的陶瓷材料。（3）微波烧结。这是使材料在微波电磁场中加热至烧结温度而实现致密化的快速烧结技术。微波烧结的速度快、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。（4）等离子烧结。这是通过瞬时产生的放电等离子使烧结体内部的颗粒均匀地自发放热，同时使颗粒表面活化，在短时间内使烧结体达到致密的一种快速烧结方法。

近十几年来，国外相继开发出氧化钇釓，硫氧化釓，釓稼石榴等陶瓷闪烁体，并成功应用于医学X-CT上。国内，上海硅酸盐研究所等单位在透明闪烁陶瓷研究和应用方面也获得一些进展，他们采用Al2O3，Lu2O3,Y2O3，CeO2等原料，经高能球磨处理粉体，将陶瓷素坯在1700℃~1750℃下真空烧结10小时以上，得到厚度1.5mm的透明陶瓷试样，在500nm~900nm可见光区的直线透过率可达80%，光学均匀性良好，X射线发射峰位于550nm左右，可作为应用于射线探测的闪烁材料。

陶瓷，也可以是透明的，挡风、防弹、照明、勘探、激光，“十八般武艺”样样都会。无论军用还是民用，透明陶瓷目前都是各国追捧的“抢手货”。中科院上海硅酸盐研究所在这一领域取得多项突破性专利研究成果，使我国成为继日本之后、世界上第二个掌握激光陶瓷材料制备专利技术的国家。