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陶瓷是怎样“炼成”透明陶瓷的?
2019年01月24日 发布 分类:粉体加工技术 点击量:230
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引言:大家平时所见的陶瓷材料通常是不透明的,想要让一块不透明的陶瓷“变”透明需要具备哪些条件呢?下文小编将就相关内容为大家做一个小小的科普。

 

透明陶瓷是指采用陶瓷工艺制备的具有一定透光性的多晶材料,又称为光学陶瓷。与玻璃或树脂类光学材料相比,透明陶瓷具有更强、更硬、更耐腐蚀、更耐高温等特性,可应用于极端恶劣的工况。而生产高性能的单晶体光学部件则需要大量的时间和精力,因为它必须从铸锭中切割出来,这涉及到相当数量的材料损失在加工过程中。采用陶瓷的成型方法,可以近净成型的制造出高性能的透明陶瓷零部件,可满足小批量样品制备和多品种制备或及大批量生产需求。

 

 

单晶氧化铝图片:Rubicon Technology,Inc

想将这坚硬无比单晶氧化铝切成想要的形状来用,贼难

 

一、陶瓷材料为何不透明?

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。一般而言多晶陶瓷的不透明性是由非等轴(立方)晶系晶粒在排列取向上的随机性导致晶粒间折射系数不连续,以及晶界效应及气孔等因素引起的散射等原因所致。

 

在制备陶瓷时,通过采用高纯、超细原料,掺入尽可能少的添加剂和工艺上的严格控制,将陶瓷材料中的气孔和杂质充分排除并适当控制陶瓷材料的晶粒尺寸,使制品接近于理论密度,从而制备出透明陶瓷。此外,制备透明陶瓷的首要条件是组成陶瓷的单晶体本身是透明的,同时具有高的对称性,一般为立方晶系。某些非立方品系的陶瓷材料如六方相的氧化铝,一定条件下也可制得半透明陶瓷。

 

 

立方氮化硅透明陶瓷

 

高压下形成的立方氮化硅硬度略次于金刚石,是迄今为止制备出的最强最硬的透明尖晶石型陶瓷,可在1400℃高温下保持稳定

 

二、影响陶瓷透明性的因素

影响陶瓷透明性的因素很多,涉及陶瓷制备过程中的方方面面,其中主要控制的要素是:原料粉体、烧结过程、陶瓷的微观结构以及后处理过程。这些因素往往是相互关联的,下面分别就各种影响因素进行概述。

 

1、原料粉体的影响

①晶体结构及缺陷:晶体结构决定陶瓷多晶体的光学性能,直接影响其透明性。立方晶系的多晶陶瓷仅在晶界上产生散射,在可见光区域其透明度接近于透明玻璃。正方晶系、三方晶系、六方晶系的晶体,为一轴各向异性晶体,有双折射现象产生及晶界界面反射损失,透光率较低。而单斜品系、三斜品系、正交晶系的晶体,为二轴各向异性晶体,双折射现象及晶界界面反射损失更严重,相应的多晶材料透光率更低,甚至不透光。有些各向异性晶体(α-氧化铝),主折射率的差别微小,晶界界面反射损失不足以严重影响其透明度,因而仍具有较高的透明度。

 

晶体结构对陶瓷多晶体透明度影响很大,晶体结构缺陷的影响亦不容忽视。例如:材料中O2-空位的存在,有利于O2-扩散,可促进氧化物透明陶瓷的烧结,但烧成的制品中残留的氧空位会降低陶瓷的透明度。此外,晶体的位错缺陷、晶粒表面的生长条纹、品粒结晶方向取向混乱等结构缺陷也是影响透明度提高的不利因素。

 

②原料的纯度及粒度:制备透明陶瓷要使用高纯度(99.5%以上)、高分散、高烧结活性粉料。原料中杂质会生成异相,形成光的散射中心,减弱投射光在入射方向上的强度,显著降低制品的透明度。

 

另外,在保持粉体颗粒高度分散和较高的成型密度的前提下,原料粉体越小越有利于气孔的排除及烧结性能提高,但实际上,原料粒度大小有一个适合的范围,过细会导致成型密度低、易团聚,以及吸附环境中的异质分子等问题。

 

③原料的分散性:粉体除具有高的纯度和小的粒度外,同时颗粒应高度分散,以保障高的烧结活性。所谓高度分散,是指原料颗粒达到一定的细度时,颗粒仍保持各自的独立性,颗粒之间不因为相互作用而产生团聚,形成较大尺寸的二次颗粒。

 

研究表明,制备透明陶瓷的理想粉体,除要求原料必须具备高纯、超细等特性,制备过程中不能引入杂质、颗粒应呈等轴状外,颗粒之间还不能产生明显的团聚。硬团聚体的产生会使粉体原有的高分散和小颗粒尺寸的优势完全或部分丧失。当粉体成型体中存在较大尺寸的气孔,这类气孔相对较小气孔而言热力学稳定性高,被排除的动力学阻力较大,甚至难以被排除。团聚体的存在,使得粉体成型体中的存在将导致材料无法烧结致密,最终难以获得透明的陶瓷材料。

 

2、烧成工艺

①气体介质:明陶瓷和普通陶瓷不同,最后须在真空、氢气氛或其他气氛中烧成。正确选择烧成时的气体介质,是制备透明陶瓷的重要条件之一。在空气中或惰性气体介质中烧结,因空气或惰性气体残留于气孔中,不利于气孔的排除,很难制得无气孔的透明陶瓷。因此,有必要经真空或使用氢气气氛烧结。对于阳离子和阴离子挥发性小且区别不大的化合物可使用真空烧成,例如,使用真空烧结可以制得氧化铝、氧化钇、氧化钪和氧化锆等透明陶瓷。

 

②烧成温度:透明陶瓷需要比一般陶瓷制品更高的烧结温度才能排除气孔,达到透明化烧结。烧制透明陶瓷时,要根据烧结材料的性质和坯体的性能及大小确定最高烧成温度。最佳烧成温度还与热工设备的承受能力有关,同时要考虑节能。总而言之,在保证光学透明度的前提下,透明陶瓷的烧成温度应尽可能低一些。

 

③烧结添加剂:烧结添加剂一方面可以有效降低烧结温度,二来可以抑制晶界的迁移和晶粒生产,促进气孔排除,有利于烧结的致密化,但过量的添加反而会产生第二相,影响透光性。确定添加剂的用量时应保证它不以新的固相形式析出,而完全进入主晶相形成固溶体为宜。

 

3、陶瓷的微观结构

①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。因而透明陶瓷晶界区应微薄、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。

 

②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。

 

③陶瓷的气孔率:透明陶瓷的制备过程实质上就是在烧结过程中完全排除显微气孔的致密化过程,材料中的气孔尺寸、数量、种类都会对陶瓷材料的透明性产生显著影响。气孔率的微小变化可显著改变材料透光率。举个例子,有研究表明,陶瓷体中的闭口气孔率从0.25%变为0.85%时,透明度降低33%。尽管这可能是在某种特定情况下的结果,但从某些程度上我们可以看出气孔率对陶瓷透明度的影响是会很直接暴力的体现。又有研究数据表明,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%

 

4、表面加工光洁度

透明陶瓷的透光率还受表面光洁度的制约。烧结后未经处理的陶瓷表面具有较高的粗糙度,呈现微小的凹凸状,光线入射到这种面上会发生漫反射。烧结陶瓷的组糙度越大,其透明度就越低。

 

粗糙度增加时的镜反射(a)、漫反射(b)和完全反射(c

 

下图为透明陶瓷样品的透过率测试曲线,样品在抛光前最大透过率在15%左右,抛光后,最大透过率在60%左右,透过率大大提高。

 

透明陶瓷试样抛光前后的透光率

 

三、透明陶瓷的主要应用领域

透明陶瓷的种类按材料体系分为氧化物、氟化物、氮化物、氧氮化物、氧硫化物、硫化物、硒化物和碲化物等。不同类型的透明陶瓷材料,除了具有透光性外,还具有电光效应,磁光效应,以及高强度、耐高温、耐腐蚀、耐冲刷等优异性能,在工业上及军事上有着广泛的应用。

 

其中工业上主要应用于照明行业、激光领域、高能射线探测等领域,主要应用的材料有:照明灯管用透明材料、透波材料、激光陶瓷、闪烁材料以及窗口材料等。由于透明陶瓷的独特得性能及制备成本优势,在军事上也有着广泛应用,例如MgF2作为红外窗口材料、YAG作为激光材料,AlON透明陶瓷作为防护材料,MgAl2O4透明陶瓷作为导弹端头帽以及窗口材料等。

 

 

陶瓷金卤灯用透明陶瓷管

 

 

AlON透明陶瓷引头罩子

 

参考来源:

1、《无机光学透明材料:透明陶瓷》,施剑林,冯涛著。

编辑:Alpha

 


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