一種結構-功能一體化的材料——透明陶瓷

作者：由 CERADIR 先進陶瓷線上發表于繪畫時間：2022-06-01

一、什麼是透明陶瓷

透明陶瓷

（transparent ceramics）是一種利用陶瓷材料光學性質的新型陶瓷，除具有傳統陶瓷的典型特性外，兼具玻璃的光學特性。透明陶瓷也是在奈米材料科學與技術和安靜陶瓷製備科學發展基礎上集結構與功能一體化於一身的重要材料，是無機材料研究和發展的重要方向之一。氧化鋁透明陶瓷是最早投入生產的透明陶瓷材料，由1957年美國科學家Coble製造出第一塊透明氧化鋁陶瓷“Lucalox”。經過幾十年的發展，目前已經研製出了幾十種的透明陶瓷：從最開始的氧化鋁透明陶瓷到氧化鎂透明陶瓷、氧化釔透明陶瓷等發展到鋁鎂尖晶石透明陶瓷、氮化鋁透明陶瓷、氮氧化鋁透明陶瓷、透明PLZT電光陶瓷、釔鋁石榴石鐳射透明陶瓷，以及YGO、GGG、Gd2O2S透明閃爍陶瓷等材料。這種光學效能各異的新型材料正逐步開發應用於鐳射、照明、醫療器械、軍事、國防等重要技術領域。

二、陶瓷達到一定透明度需要具備的條件

材料的光學性質是指材料在紅外光、可見光、紫外線及各種射線作用下的性質，一般指材料對各種光和射線的反射、投射、折射和吸收等，對透明陶瓷而言主要指其透光性。長期以來無機非金屬透明材料主要是光學玻璃和單晶，傳統的多晶多相陶瓷是不透明的。

陶瓷從傳統不透明發展到半透明，最後接近完全透明涉及到大量的基礎科學條件，經研究人員透過大量試驗結果表明，對陶瓷透明性的影響因素主要表現在以下幾個方面：

①氣孔率

：氣孔率是影響陶瓷透光性的最大因素。傳統的普通陶瓷材料即使具有很高的緻密度，但通常都是不透明的，因為其中有非常多封閉的氣孔，氣孔與多晶本身的折射率相差過大造成入射光的強烈散射。要達到透明度首先陶瓷內部緻密度要高，接近於理論密度（為理論密度的99。5%以上）。

②晶界結構

：透明陶瓷和不透明陶瓷的晶界結構是不同的，透明的為單相，晶界與晶體的光學性質差別小所以晶界模糊不清，不透明的則為多相的，晶界很清晰。

③晶體結構

：在各向異性的晶體中，光從一個晶粒向鄰近的晶粒入射時，由於雙折射現象會產生散射，因此要得到透明的多晶體，雙折射必須很小，一般選用對光各向同性的立方晶系材料製備透明材料，如YAG、YGO、Y2O3等，而對光各項異性的晶系則很難得到透明度很高的透明陶瓷，如Gd2O2S、Lu2SiO5等陶瓷的透明性則不是很好。

④原料與第二相雜質

：透明陶瓷體的要求是均一、連續的單項結構，這要求原料必須是具備高純、超細、高分散等特性的粉體，且製備過程中決不能引入雜質。原因是陶瓷中的雜質以及第二相與晶體的光學性質不一致，會成為散射和吸收中心，從而降低了陶瓷的透明性。

⑤晶粒尺寸與新增劑

：實驗研究表明晶粒尺寸的大小和分佈是會對陶瓷的透明性有影響，若是晶粒的直徑與入射光的波長相同時晶粒對入射光散射最強，晶粒直徑小於入射光波長時光線可以容易地透過。

⑥表面加工光潔度

：陶瓷的透光率還會受到材料表面光潔度的制約，若表面粗糙度越大，漫反射就越嚴重，陶瓷的透明度就越低。由於陶瓷表面的粗糙度與所用原料的細度有關，所以在製備過程中應選用超細原料外，還應對陶瓷表面在進行研磨拋光。

三、透明陶瓷的分類

透明陶瓷材料主要分為氧化物透明陶瓷和非氧化物透明陶瓷兩大類：

（1）氧化物透明陶瓷

除最常見的氧化鋁透明陶瓷之外，典型的氧化物透明陶瓷還包括氧化釔透明陶瓷、氧化鎂透明陶瓷、釔鋁石榴石透明陶瓷、鋁鎂酸透明陶瓷、透明鐵電陶瓷（PLZT）等

（2）非氧化物透明陶瓷

非氧化物透明陶瓷包括氮化鋁透明陶瓷、氮氧化鋁透明陶瓷以及經研究發現適合被作為透明陶瓷的α-Sialon透明陶瓷。

四、透明陶瓷的應用

透明陶瓷材料不僅擁有較好的透明性、耐腐蝕性，可以被應用在高溫高壓的環境下工作，同時擁有許多其他材料發揮不出的效能，如：強度高、介電性優良、電導率低、熱導性好等。在民用與軍用上都可在合適的領域進行應用。

（1）民用

：氧化鋁透明陶瓷，它不僅能有效透過可見光和紅外線，而且具有較大的熱導率、較高的高溫強度、良好的熱穩定性和耐腐蝕性，可被用來做高壓鈉燈燈管。高壓鈉燈的操作溫度高達1200℃左右，這個溫度界限是普通燈管玻璃不可承受的。除此之外透明陶瓷還可用作高溫爐的觀察窗、高溫紅外探測窗等，有一種鋯鈦酸鉛鑭透明陶瓷可被用於製作電焊工人工作使用的護目鏡鏡片，這種護目鏡還可應用於正在核試驗的工作人員與飛行員身上。

（2）軍用

：在軍事工業上，透明陶瓷可被用來製成透明的防彈材料。美國研究人員就曾用透明陶瓷代替傳統的多層玻璃來作為透明裝甲材料，替代的材料不僅在透明度上有大幅度提高，重量也大幅度減輕，強度更高、耐久性更好、抗穿透和抗劃傷能力會更強，在野外的隱身性更為優越。