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透明氧化铝陶瓷
发布时间:2019-01-30        浏览次数:158        返回列表
透明氧化铝陶瓷
 

什么是透明氧化铝陶瓷?

    自从第一块透明Al2O3陶瓷“Lucalox”问世以来,陶瓷材料的研发进入了新的阶段,世界上许多国家,尤其是美国、日本、英国、俄罗斯等对透明陶瓷材料做了大量的研究,并取得了可喜的成果。如今已经制备出了陶瓷金卤灯中的透明氧化铝陶瓷放电管,透明氧化锆陶瓷镜头,钇铝石榴石激光透明陶瓷,镁铝尖晶石整流罩,透明陶瓷装甲等。

陶瓷的透光原理

    陶瓷是一种多晶的无机材料,一般是由晶粒、晶界、气孔等组成。陶瓷中存在大量的气孔、杂质、晶界等不均匀的显微结构,会造成对光线的散射和折射。
光线透过陶瓷多晶体的损失主要包括三部分:
    1.表面散射损失。陶瓷表面凹凸不平,投射到其表面的光线一部分因反射而折回原介质中,对于氧化铝而言一般为7~8%。
    2.第二相散射损失(气孔、杂质等)。由于第二相与陶瓷基体的折射率有显著差异而造成的光线损失,如氧化物陶瓷折射率一般为1.3~2.7,而气孔即光线在空气中的折射率为1.003。
    3.晶界引起的散射或者双折射损失。双折射也可产生额外光散射。如氧化铝陶瓷晶界的两个折射率为1.760和1.768。

    因此,只有材料中不存在光吸收和光学失配,且微观结构均匀时,透光强度才最大。

影响陶瓷透明性的因素

    大量的研究结果表明,影响陶瓷透明性的因素包括原料、烧成制度、陶瓷烧结体组成、表面加工粗糙度等。

    1.原料
    原料的纯度是影响透明性诸多因素中的主要因素之一,原料中杂质容易生成异相,形成光的散射中心,减弱透射光在入射方向的强度,降低陶瓷的透过率。原料的纯度以及制备方法对透明陶瓷的烧结和产品性能有较大的影响。
具体要求为下几个方面:
    (1)原料的化学纯度。由于透明陶瓷的透过性对第二相(包括玻璃相和气孔)敏感,所以在制备原料时,应尽量降低杂质含量,提高原料的化学纯度,这是制备透明陶瓷的最基本也是最关键的步骤之一。
    (2)原料的粒度。制作透明陶瓷要求晶粒尺寸应不小于20,并且尺寸分布均匀,否则陶瓷不仅透明性不好,而且机械强度低。这就要求原料的颗粒粒度分布窄,一次粒径小,活性高。通常原料一次粒径一般在1以下。
    (3)原料的相组成。在制备透明陶瓷时,原料中相组成应尽可能单一,这样容易保证烧结后透明陶瓷单一的相组成,有时需要加入添加剂,抑制晶粒生长。
    (4)原料的活性。原料的活性不仅与原料的分散剂状态有关,且与原料的相变或者预烧温度有关,预烧温度过高则活性降低,过低则相变转化不完全,制品在烧结过程中会产生变形等不良影响。

    2.烧成制度
    烧成制度影响陶瓷材料的透明度,比一般的陶瓷更高的烧结温度才能排出气孔,到达透明化烧结。另外必须控制升温速度,确保整个坯体均匀加热,控制晶体生长速度和晶粒尺寸,并达到消除气孔的目的。保温时间的选择可以依照晶粒的大小和气孔的有无而定,冷却制度的确定应以陶瓷无变形且无内应力为准。最后经过真空或者其他气氛烧结时,内部的气孔被置换后很快地进行扩散,从而到达消除气孔的目的,到达透明的目的。

    3.陶瓷烧结体相组成
    陶瓷是微细多晶的烧结体,主要由晶粒、晶界、玻璃相、气孔、杂质等组成。由于存在光的反射、折射和散射,使得陶瓷看起来是不透明的。要使陶瓷透明,其前提是使光通过,反射和吸收的部分越少越好。
根据前人的研究成果,陶瓷的透过率主要受下列因素的影响:
    (1)气孔率。存在于晶粒制备以及晶界玻璃相内的气孔、空洞构成了第二相,气相的折射率很低,气孔率的微小变化可显著改变材料透光率。有研究数据表明,气孔体积占3%时,透光率0.01%,0.3%时,透光率10%。因此,透明陶瓷一定要提高致密度,降低气孔率,通常致密度大于99.9%。除了气孔率,气孔的直径对陶瓷的透光率也有跟大的影响,当气孔直径与入射光波长相当时,透过率最低。
    (2)杂质相。由于杂质相与主晶相的折射率不同,在相界上会产生光散射,使陶瓷的透过率降低。陶瓷中杂质相越多、各个组成相的折射率之差越大,其透光性越低。因此,一般透明陶瓷选用高纯的原料,保证其相纯度。
    (3)晶体结构特征。多晶陶瓷材料的晶粒取向是混乱的,而折射率的改变取决于晶粒结晶轴方向,因此,多晶陶瓷结构越是各向同性,它在整个频谱范围内可能具有越高的透光性。
    (4)晶粒尺寸。陶瓷多晶体的晶粒尺寸对透明陶瓷的透光率也有很大的影响,当入射光波长相当于晶粒直径时,光的散射效应最大,透光率最低。因此为提高透明陶瓷的透光率,应将晶粒粒径控制在入射光的波长范围之外。
    (5)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。陶瓷材料的物相组成通常包含两相或更多相,这种多相结构容易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。

透明氧化铝陶瓷的晶界双折射
    因而透明陶瓷晶界区应光匹配性好、无气孔及夹杂物、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。
表面加工粗糙度
    透明陶瓷的透光度还受表面粗糙度的影响。
·陶瓷表面的粗糙
    透明陶瓷的透光度还受表面粗糙度的影响。陶瓷表面的粗糙度除了与原料的细散度有关外,还与陶瓷表面的机械加工光洁度有关。烧结后未经处理的陶瓷表面具有较大的粗糙度,光线入射到这种面上会发生漫反射,导致光线损失。其表面的粗糙度越大,则其透光性能就越差。
    陶瓷的表面粗糙度与原料的细散度有关,除了选用高细散度的原料外,还应对陶瓷表面进行研磨和抛光。对陶瓷表面进行研磨和抛光处理会大大提高透光率,经研磨后的氧化铝透明陶瓷的透过率一般可从40%~45%增加到50%~60%以上,抛光可能达到80%以上。

氧化铝透明陶瓷的应用

    氧化铝透明陶瓷具有优异的光学性能而且耐高温,照明领域是氧化铝透明陶瓷最早的应用领域。高压钠灯是一种发光效率很高的电光源,但在钠灯蒸汽放电时会产生1000℃以上的高温,具有很强的腐蚀性,在发明使用了氧化铝透明陶瓷后才使得高压钠灯得到了实际的应用,主要用于道路、港口、机场、车站、广场、建筑物的泛光照明等场所。
氧化铝透明陶瓷除用于照明领域外,还具有很广泛的用途。

    1.在机械工业中,可以用来制造车床上的高速切削刀、汽轮机叶片、喷气发动机的零件等;
    2.在化学工业中,可以用作高温耐腐蚀材料以代替传统材料等;
    3.在国防军事中,氧化铝透明陶瓷可以做成导弹等飞行器的窗口和整流罩等;
    4.在仪表工业中,可以用作高硬度材料以代替各类宝石等;
    5.在电子工业中,可以用来制造印刷线路的基板等;
    6.在日用生活中,可以用来制作各种高级器皿、餐具等。