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透明陶瓷的制备与用途
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。

目前制备透明陶瓷的方法主要有：透明Al 2O 3陶瓷制备；无水乙醇注浆成型制备YAG
透明陶瓷； Y2 O 3透明陶瓷等。

主要的制备过程与传统陶瓷基本一致，大体上
也要经过原料选择，成型，干燥，烧成等步奏。

透明陶瓷的透光性好，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。

决定
了它的用途将比传统陶瓷更广泛，更先进。

目前主要用于生产工业生产和军事
上用于防止强光损伤眼睛的护目镜；透光的灯罩；红外测试仪的外壳；ALON还
可以用于防弹材料，超市条码扫描器窗口等方面；我国研制的激光透明陶瓷也广
泛用于军事中。

未来透明陶瓷必将在日用生活中发挥更广泛的作用。

关键词
透明陶瓷；烧结；制备；用途；未来
引言
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。

它对原料以及制造工艺的要求相当严格，例如，原料必须要有很
高的纯度和粒度。

因此透明陶瓷的价格很昂贵，是现代陶瓷中的高级制品。

正文
1几种先进的透明陶瓷的制备方法
透明 Al 2O 3 陶瓷制备的研究进展 1.1.1 放电等离子烧结（ SPS ）
透明氧化铝陶瓷的 SPS 烧结近几年也得到研究和探索。

Dibyendu
【1】
以平均粒
径为 100 nm 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 275 MPa ，最高烧结温度 1150℃，制备了平均晶粒尺寸为 0．3
μ m ，硬度达到 23 GPa 的透明氧化铝陶瓷。

Jiang 等【2】
采用高纯纳 米 Al 2O 3 粉 ( ＞ 99 ． 995%) ， wt%
MgO( 以
Mg ( NO )3 形式加入 ) 作为烧结助剂， SPS 烧结工艺为真空条件下 90 MPa 压力，在
3min 内温度从室温升至 600 ℃，然后快速升温至 1300 ～ 1700 ℃，保温 3 ～
5 min 。

结果表明， 1300 ℃ × 5 min 条件 SPS 烧结的试样达到完全致密化，晶粒
尺寸仅为 0．5 ～ 1 μm ，在中红外区透光率可达 85%，而经 1700 ℃ × 3 min
条件下 SPS 烧结试样，晶粒尺寸迅速增大至 5μm 左右。

Michael 【3】
等 同样采 用 SPS 烧结制备了透明氧化铝陶瓷，并研究
SPS 过程中添加剂种类及含量对
Al 2O 3 透光性的影响。

研究发现使用 Mg 、Y 、 La 三元复合添加剂，总质量为 450
ppm 时，
Al 2 O 3 陶瓷的直线透光率能达到。

57%
1.1.2 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。

【4】
Cheng 等 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 45 min 就可以得到密度为
3． 97 /cm3，平均粒径为
40 μ m 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。

无水乙醇注浆成型制备 YAG 透明陶瓷
实验所用原料为纯度 %的国产微米 Y 2 O 3 粉和亚微米 AL 2O 3 粉. 实验流程如图
1 所示 , 精确称量 ( 精确到 Y
2 O
3 (33.8715g) 和 AL 2O 3 (25.4903g) 粉体 , 把称量的粉体放入干净的装有 Al2O3 磨球 ( 球料比 2:1) 的 AL 2O 3 球磨罐中 . 把%的正硅酸乙酯 (TEOS, 分子式 S i ( OC 2H 5 )
4 ) 滴入 28mL 无水乙醇中 , 然后倒入球磨罐中 , 封紧后以 120r/min 的速度球磨 12h. 球磨结束后打开球磨罐滴入一定量
的氨水 , 调节 pH 值至 9( Y 2 O 3 和 AL 2 O 3 的等电点 ), 然后继续球磨 10min 以混
合均匀 . 把球磨后的浆料倒入石膏模具中在低温下干燥 48h, 随后在空气气氛
下于 600℃煅烧 2h, 除去残留的 TEOS. 把得到的素坯置于真空炉中进行烧结 ,
以 10℃ /min 升温至 1800℃并于 10?3Pa 下保温 20h, 然后以 10℃/min 冷却至室温 . 把烧结后的样品放入马弗炉中 , 在空气气氛下 1450℃保温 10h 进行退火处理以消除
真空烧结过程中产生的氧空位 .XRD 物相分析采用日本Rigaku 公司的D/Max-2550V 型 X 射线衍射仪 , 测试条件为 : CuKα射线 , λ=, 2θ角扫描
范围为 10 ~ 70 ,狭缝宽度为0.3mm. 直线透过率测试所用设备为瓦里安公司
的 VARIAN CARY 5000分光光度计 , 所有测试均在室温下进行 . 测试前 , 样品先经
过双面抛光处理 , 最后一道抛光工序使用μm 的金刚石研磨膏 . 采用日本
JEOL 公司的JSM-6700F 型场发射电子扫描电镜(FESEM) 观察陶瓷热腐蚀后的
表面形貌 ,热腐蚀过程如下:把双面抛光后的样品清洗干净,然后在空气气氛
下于 1500℃热处理 1~3h, 直到在光学显微镜下能观测到清晰的晶界为止【5】.
Y 2 O 3透明陶瓷的研究进展
1.3.1粉体的合成方法
固相化学反应法将 Y(NO 3 )3 ?6H2O 与乙二酸按 1 ∶2 ( 物质的量比 ) 混
合 , 在玛瑙研磨钵中研磨分散后放入玛瑙球磨罐中, 用球磨机球磨 3 h 至反应完全。

产物经过滤、干燥、热分解, 制得Y2O3纳米粉末【6】。

1.3.2成型
双向压制是对单向压制的改进, 坯体的密度分布为两边大中间小。

采用这种
方式宜采用“一轻、二重、慢提起”的加压方式, 对操作人员技术要求较高。

即
开始加压时压力应小些, 以利于空气排出; 然后短时间内释放此力, 使受压气体逸出。

初压时坯体松 , 空气易排 , 可稍快加压 ; 当用高压使颗粒靠拢后 , 必须缓慢加压 , 以免
残余空气无法排出 , 在释放压力后 , 空气膨胀 , 回弹产生层裂。

当坯体较厚或粉料颗
粒较细 , 流动性低时 , 则宜减慢加压速度 , 延长保压时间。

为提高压力的均匀性 , 宜采用多次加压。

最后提起上模时要轻缓 , 防止产生裂纹。

1.3.3高温烧结
热等静压集热压和等静压的优点于一身 , 施加压力高 , 并且使粉体受到各向同
性的压力 , 因而制备出的陶瓷显微结构均匀 , 产品致密化程度高 , 性能优良。

其
烧结机理与 HP一样与物质的黏性流动和塑性流动有关。

HIP 的缺点是设备昂贵、
生产效率低【7】。

2透明陶瓷的用途
用途广泛的透明铁电陶瓷
随着陶瓷科技的发展，透明陶瓷家族中又诞生了一个多能的宠儿——透明
铁电陶瓷。

它除了像玻璃般的透明外，还有一般铁电陶瓷的特征。

它一问世，就
引起了世界各界的高度重视。

那么，透明陶瓷究竟是什么东西？“透明”无需多加解释了。

铁电陶瓷却不能简单地说它是含铁的陶瓷，一般铁电陶瓷本身都不含铁，而透明铁电陶瓷一旦含有少量的铁就会大大改变它的光学性能，稍多一点就会使它不透明了。

“铁电”二字的由来只是因为它具有和铁磁体相对应的一些性能。

众所周知，磁铁具有磁性，进一步研究指出，磁铁的磁性是因为在磁铁中存在磁畴，磁畴是由许多小的磁矩按相同方向排列组成的区域，这些磁畴能在外磁场的作用下，按外磁场的方向转动方向。

在铁电体中，存在着有许多小的电矩按相同方向排列组成的区域，
与磁畴十分相似，人们称之为电畴。

电畴能在外电场作用下转向，当外电场取消后，已转向的电畴并不全部回复到原来的位置，表现有剩余的极化，电畴在外电场作用下的转向也会引起铁电体的机械形变——电致伸缩。

由于这些电性与电磁体的磁性几乎一一对应，人们就称它为铁电体。

而透明性铁电陶瓷，就是一种透明的多晶铁电体。

工业生产中，可用作生产防止电焊强光的护目镜；军事上，也可生产防止爆炸产生的强光的透明陶瓷护目镜，目前已被光放使用
【8】。

目前最先进的透明陶瓷的用途
最早是使用在灯具上。

高压钠灯是一种发光效率很高的，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。

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(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。

中国研制的用于军事的激光透明陶瓷
中科院上海硅酸盐研究所自主研制成功的激光透明陶瓷 , 标志着我国在激光材
料方面的研究取得重大突破, 成为世界上仅有的几个掌握这一尖端技术的国家之一。

据中科院上海硅酸盐研究所潘裕柏研究员介绍 , 透明陶瓷采用高纯原
料 , 在真空或氢气条件下烧结制成 , 其相对理论密度通常高达 %。

隔着透明陶瓷看报纸 , 白纸黑字一清二楚。

与透明的玻璃材料相比 , 透明陶瓷具有高强度、高硬度等优点 , 抗表面损伤性能好。

在军事领域 , 它可用在护目头盔和坦克、飞机等的窗口材料上。

美国空军以此为基础合成的透明防弹护板 , 经受住了连续射出
的枪弹考验 ,重量却比普通防弹玻璃轻一半。

在民用领域,日本已用透明陶瓷制
【9】
成照相机内的组合镜片 ,使变焦镜头体积减少约20%。

3透明陶瓷的未来
由于透明陶瓷种类不多，制备过程繁琐，生产成本较高，所以透明陶瓷多
用于军事或少数工业生产中。

随着科技的不断进步，透明陶瓷必将走进人们的日常生活中。

因为它既有普
通陶瓷的性能又有玻璃的透性，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，且比传统景德镇的二次烧制陶瓷更有艺术价值。

所以，日用陶瓷将会是最有前景的发展方向。

那么怎样降低成本，进行大批量生产，将成为未来透明陶瓷研究的方向。

参考文献
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[9] Science Brief科技简讯。