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1、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 O 陶瓷制备；无水乙醇注浆成型制备 YAG 23 透明陶瓷； Y O 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 23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
2、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。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
3、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1.1透明AlO瓷制备的研究进展111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以平均 粒径为100 nm的高纯Al203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1150C,制备了平均晶粒尺寸为0. 3 口 m,硬度达到23 GPa的透明氧化铝陶瓷。Jiang等采用高纯纳米Al O粉（ 99.995%） , 0.2 wt% MgO（以23
4、Mg（NO）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，3在3min内温度从室温升至600 C,然后快速升温至13001700C,保温3 5 min。结果表明，1300 C X 5 min条件SPS烧结的试样达到完全致密化， 晶粒尺寸仅为0.51口 m,在中红外区透光率可达85%,而经1700 C X 3 min 条件下SPS烧结试样，晶粒尺寸迅速增大至5 口m左右。Michael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 O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45023ppm时，Al O陶
5、瓷的直线透光率能达到57%。23112 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 um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。12 无水乙醇注浆
6、成型制备 YAG 透明陶瓷实验所用原料为纯度99.99%的国产微米Y O粉和亚微米AL O粉实验流2323程如图1所示，精确称量（精确到0.1mg） Y O （33.8715g）和AL O （25.4903g）2323粉体，把称量的粉体放入干净的装有A12O3磨球（球料比2:1）的AL O 球磨罐23中.把0.8wt%的正硅酸乙酯（TEOS,分子式S （OC H ）滴入28mL无水乙醇i 2 5 4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 O和AL O的等电点），然后继 2323续球磨10min以混合均匀.把球磨
7、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600C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10C/min升温至1800C并于10 3Pa下保温20h,然后以 10C/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1450C 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：CuKa射 线，X=0.15406nm, 2 0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
8、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 1.0 口m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1500C热处理13h，直到在光学显微镜 下能观测到清晰的晶界为止【5】.1.3 YO 透明陶瓷的研究进展1.3.1 2粉3体的合成方法固相化学反应法 将Y(NO ) 6H O与乙二酸按1 : 2 (物质的量比)混3 3 2 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。
9、产物经过滤、干燥、热分解，制得 Y O 纳米粉末【6】。231.3.2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
10、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2.1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
11、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
12、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】。2.2 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电光源，但在钠蒸气 放电时产生1000C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
13、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80250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
14、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35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。2.3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
15、条件下烧结制成, 其相对理论密度通常高达 99.99%。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 瓷制成照相机内的组合镜片, 使变焦镜头体积减少约20%【9】。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
16、 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1 Dibyendu C， Sundararajan G Effect of applied stress on IR transmission of spark plasma-sintered aluminaJ J Am Ceram Soc， 2010，93(4) :951-953；2 Jiang D T， Hulbert D M
