透明陶瓷

透明陶瓷的研究现状与发展展望

前言

透明陶瓷以其优异的综合性能已成为一种新型的、备受瞩目的功能材料。

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。

1.透明陶瓷材料分类

透明陶瓷材料主要分为氧化物透明陶瓷和非氧化物透明陶瓷两类。

1.1氧化物透明陶瓷

氧化物透明陶瓷是研究得最早的一类透明陶瓷也是研究较多的一类。因为非氧化物透明陶瓷的制备比氧化物透明陶瓷的制备要困难一些，这是由于非氧化物具有比较低的烧结活性以及非氧化物中杂质

含量高，尤其是氧含量高。

1.1.1氧化铝透明陶瓷

氧化铝透明陶瓷是最早投入生产的透明陶瓷材料。这种透明陶瓷不仅能有效透过可见光和红外线，而且具有较高的热导率、较大的高温强度、良好的热稳定性和耐腐蚀性。主要应用于高压钠灯灯管、高温红外探测窗、高频绝缘材料及集成电路基片材料等。

1.1.2氧化钇透明陶瓷

由于氧化钇是立方晶系晶体，具有光学各向同性的性质，使得其具有优越的透光性能。氧化钇透明陶瓷在宽广的频率范围内，特别是在红外区中，具有很高的透光率。由于高的耐火度，可用作高温炉的观察窗以及作高温条件应用的透镜。此外，氧化钇透明陶瓷还可用于微波基板、红外发生器管、天线罩等。

1.1.3透明铁电陶瓷

PLZT电光陶瓷是一种典型的透明铁电陶瓷，是掺镧的锆钛酸铅。这种材料具有较高的光透过率和电光效应，人工极化后还具有压电、光学双折射等特性。主要用于制作光调制器、光衰减器、光隔离器、光开关等光电器件，也可制成PLZT薄膜，在电光和光学方面具有较多的应用。

1.2非氧化物透明陶瓷

1.2.1氮化铝陶瓷透明陶瓷

氮化铝陶瓷具有高热导率、高电绝缘性、高硬度、低热膨胀系数、优良的光学性能和声波传播性能、优良的耐金属侵蚀性能，良好的耐

化学腐蚀性能等。

然而，AIN 是共价键化合物，并且在合成AIN 粉过程中残留有杂质碳或者其他金属杂质，而且AIN 很容易水解引入氧杂质，影响制品的致密度和透光性，导致其发展缓慢。

氮化铝陶瓷的突出用途是用做基板材料。目前国内外主要采用Al2O3陶瓷作为基板材料。然而近年来随着半导体元件的发展，要求导热系数大的陶瓷基板。AIN 的热导系数是Al2O3的8～10倍，是很有发展前途的基板材料。

相对于普通氮化铝陶瓷，氮化铝透明陶瓷具有较高的纯度和烧结性、优异的综合性能，应用前景广阔。

1.2.2钇铝石榴石透明陶瓷

钇铝石榴石化学式Y3Al5O12，是一种优良的激光基质。主要应用于医学和高能物理领域。提高透明性和光输出率仍是研究的关键技术问题。

2.影响透明陶瓷性能的主要因素

当光通过某一介质时，由于介质的吸收、散射和折射等效应而使其强度衰减，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Io ，试样的厚度为t ，试样的反射率为r ，则透过试样的光强度I 为

(1)式中， ,反射率很小时可忽略多次反射，则式（1）可表示为： 02222

1)1(I e e

r r I t t β----=Sop Sim ++=αβ]

)(2exp[)1(20t Sop Sim r I I ++--=α

其中，α为线收缩系数,Sim为散射系数,Sop为折射在不连续界面上（如晶界、晶界层等）的散射系数。从式（2）可知，要获得高的透光率，必须使α，Sim，Sop各个系数尽可能小或趋于零，因此透明陶瓷应该没有或尽量减少象气孔和晶界等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，并具有较高的光洁度。所以陶瓷的晶界组织结构和残余气孔是影响透明的主要因素。大量研究表明，原料组成、制粉方式、烧结条件、烧成气氛等不仅影响到陶瓷的致密度，而且对陶瓷的透光性都有较大的影响。

2.1气孔率

对透明陶瓷透光性能影响最大的因素是气孔率。普通陶瓷即使具有很高的致密度，往往也不是透明的，这是因为其中有很多封闭的气孔。文献指出,总气孔率超过1%的氧化物陶瓷基本是不透明的，因为气孔的折射率非常低(约为1.0)，这些气孔在光线传播的过程中会使光线发生多次反射，从而大大降低材料的透明度。

陶瓷内部的气孔可存在于晶体之间和晶体内部。晶体之间的气孔处于晶界上容易排除，而晶体内部的气孔即使是小于微米级的也很难排除。

因此晶体内部气孔对于获得透明陶瓷是最危险的。因此要从每一个工艺阶段：原料粉体的制备、预烧、烧成。来防止气孔的产生。

2.2晶界结构

首先，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。

当单位体积晶界数量较多，晶体配置杂乱无序，入射光透过晶界时，必然引起光的连续反射、折射，这样其透光率也就降低。

因此晶界应微薄、光匹配性好、无气孔及夹杂物、位错等缺陷。

其次，陶瓷材料的物相组成中通常包含着两相或更多相，这种多相结构会导致光在相界表面上发生散射。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。

2.3原料与添加剂

原料的粉体粒径应小于1um以外，尺寸要均匀，不产生团聚。所以有时需加入添加剂。一方面是使烧结过程中出现液相，降低烧结温度，另一方面是抑制晶粒的长大，缩短晶内气孔的扩散路程，从而有利于得到致密的透光性好的透明陶瓷。

添加剂用量一般很少，应能均匀分布于材料中，完全溶于主晶相，不生成第二相物质，也就是不破坏系统的单相性。只有这样，气孔脱离晶界时转变为晶内气孔的概率才小。

2.4烧成气氛

透明陶瓷和普通陶瓷不同，最后须经真空、氢气氛或其他气氛中烧成。对于阳离子和阴离子挥发性小的陶瓷，当尺寸差异不大时可以采用在真空气氛下烧成。在氢气氛中烧成透明氧化物陶瓷时，一般使用一定量的水蒸汽，具有水蒸气的气氛能给予氧化物还原反应，因为气体在固体中的扩散系数较小。

2.5表面加工光洁度

透明陶瓷的透光度还受表面加工光洁度的制约。烧结后未处理面