透明陶瓷材料：光学与耐用性的完美结合
透明陶瓷材料：光学与耐用性的完美结合
透明陶瓷材料因其独特的光学性能和优异的物理化学性质，在多个领域展现出广泛的应用前景。本文将为您介绍几种主要的透明陶瓷材料及其制备方法和应用领域。
氧化铝透明陶瓷
氧化铝（Al2O3）是最早被研究的透明陶瓷材料体系。透明氧化铝陶瓷最早是在1959年由美国GE公司的Coble博士发明的，其商品名称为Lucalox™，0.75mm厚的Lucalox薄片于可见光谱区的总透光率达90%。
图：Coble博士持Lucalox 薄片
目前，透明氧化铝陶瓷除了用于高压钠灯，现在已用在新型照明的金属卤化物灯中作为发光管。此外作为生物陶瓷用作牙齿矫正中的陶瓷托槽。采用单晶生长方法制备得到的α-Al2O3俗称“蓝宝石”，由于具有硬度和抗弯强度等仅次于金刚石的优异力学性能，是具有重要应用价值的光学窗口材料。
氧化镁透明陶瓷
氧化镁透明陶瓷属立方晶系，晶格常数为0.42nm，折射率为1.736，光学性能具有各向同性，其透光性比Al2O3陶瓷好，加之其熔点高达2800℃和耐碱性好，可用于制作高温炉窗口，红外探测器罩和高耐碱性的坩埚与反应容器等。
由于MgO具有极高的熔点，其致密化烧结需要在极高高温下进行。因此即使在压力辅助烧结方式下，也需要加入合适的烧结助剂以有效降低烧结温度和烧结难度。因此，透明MgO陶瓷制备常采用热压烧结或热等静压烧结，并在MgO粉料中添加少量的LiF、NaF等烧结助剂，以便形成液相促进致密化烧结而成为透明体。
氧化钇透明陶瓷
1966年，Brissette等采用类似煅压(热机械形变)的方法，首次制备氧化钇（Y2O3）透明陶瓷。Y2O3为立方结构，熔点高，化学和光化学稳定性好，光学透明性范围较宽，声子能量低，易实现稀土离子的掺杂。Y2O3透明陶瓷在高温窗口、红外头罩、发光介质(闪烁、激光和上转换发光)及半导体行业具有应用价值。
图：氧化钇透明陶瓷，来源：Konoshima
烧结助剂在透明Y2O3陶瓷制备中是非常重要的，这些添加剂包括LiF、Nd2O5、Yb2O3、ThO2、Er2O3、La2O3等。为了提高Y2O3透明陶瓷的光学质量和降低烧结温度，往往将几种烧结方法联合使用。
镁铝尖晶石透明陶瓷
镁铝尖晶石（MgAl2O4）属于立方晶系，具有光学各向同性的特性，因此这种材料可以具有比六方晶系Al2O3更高的透明度；对于可见光、紫外光和红外光均具有良好的透过率。由于尖晶石结构的光学各向同性，MgAl2O4可以制备成高直线透过率陶瓷样品。再考虑其宽的光谱透过范围(0.2mm~5.5um)和高强度、高硬度等力学性能，MgAl2O4是最具潜力的一种透明光学窗口材料，在高温透镜窗口、整流罩和装甲等领域都具有重要应用。
对MgAl2O4透明陶瓷的制备尝试开始较早。1974年，Bratton等人便采用共沉淀法制备了MgAl2O4粉体，然后以少量CaO为烧结助剂进行了MgAl2O4透明陶瓷的制备，先在真空中1500℃1600℃烧结1h然后在1750℃1850℃真空或Ar气氛烧结16h可以获得可见光透过率约为 70% 的陶瓷样品。
钇铝石榴石激光透明陶瓷（Y3Al5O12，YAG）
钇铝石榴石(Y3Al5O12)透明陶瓷具有机械强度高、物化性质稳定，特别是覆盖紫外、可见及红外光透过等优异性能，在固体激光器、导弹穹顶、红外窗口及透明装甲领域有着广泛的应用。
在20世纪80年代以前，Nd3+掺杂YAG(Nd:YAG)单晶一直是广泛使用的激光工作介质，1984年，荷兰人De提出了多晶陶瓷替代Nd:YAG单晶作激光介质的设想，随后De With G以喷雾干燥的方法合成了YAG前驱体粉末，并通过冷等静压成型和真空烧结，成功制备出YAG透明陶瓷，制得的陶瓷密度与理论密度几乎一致，陶瓷的透光性为50%80%。1995年日本人Ikesu等以高纯度的Al2O3，Y2O3及 Nd2O3粉体为原料，通过固相反应及16001850℃的真空烧结，先后制备出透光性能较好的YAG透明陶瓷与Nd:YAG透明陶瓷。
氮化铝透明陶瓷
氮化铝透明陶瓷不仅具有AlN陶瓷自身的优点，如高热导率、低介电 常数、高绝缘性等，而且还具有良好透明性，使其在红外导流罩以及窗口材料等领域有着广泛的应用前景。
早在 1984年，Kuramoto 等人就采用自制 AIN 粉体进行了 AIN 透明陶瓷烧结制备的尝试。他们通过碳热还原法在 1600℃下保温5h获得了纯相 AIN粉体，在此基础上通过热压(加烧结助剂和不加烧结助剂)和添加烧结助剂无压烧结方法获得了AIN透明陶瓷，厚度为0.5mm的烧结样品在5.5μm 处最高透过率可达 39%。
为了达到高致密度一般需加入稀土金属氧化物或碱土金属氧化物作为烧结助剂，通过产生少量液相促进烧结，常用的有效的添加剂有CaO，Ca3Al2O6，CaF2，Y2O3，La2O3、CaC2、 Ca(NO3)2或3CaO·2Al2O3等。此外，起始AlN粉料必须具备高纯度，尤其是Si、Mg、Fe的杂质含量均应低于200ppm，且氧含量要严格控制。
塞隆透明陶瓷（SiAlON）
上世纪80年代以来，人们对SiAlON陶瓷进行了深入的研究。SiAlON陶瓷不仅具有良好的耐高温性能，还具有良好的耐摩擦性能以及优良的化学稳定性。此外，SiAlON在可见光到5.0mm波段具有透明特性，且其透光性可以保持到1200°C。因而SiAlON透明陶瓷是一种在航空航天领域非常有潜力的耐高温透红外光学材料。
最早关于SiAlON透光性的报道是在20世纪80年代，M.Mitomo用热压制备了z=2~4的β-SiAlON半透明陶瓷，样品为0.65mm厚时，在4.5μm波段的透光率最大为40%。但是，当热压温度高于1750°C时，反而会降低样品的透光率，其原因与制备ZnO形成空位型缺陷的情况相似。Mandal等[J EuroCeram Soc 1999 19 2949～2957]制备了具有一定透光能力的Nd2O3和Yb2O3稳定的α-SiAlON陶瓷。
阿隆透明陶瓷（AlON）
AlON可以认为是Al2O3和AIN的固溶体，也可以看作是AIN稳定的具有尖晶石立方结构的Al2O3，具有各向同性的光学性质。AlON材料的发现可以追溯到1946年。日本科学家 Yamaguchi首先发现了在高温下Al2O3存在立方相，后来发现Al2O3立方相存在的原因是N元素的引入。1959年，Yamaguchi 和 Yanagida提出在Al2O3-AIN 固溶体系中存在有尖晶石结构的立方相。Al2O3中N的引入使得其低温尖晶石立方结构可在高温下存在，因此有可能制备出一种新型的透明陶瓷材料。1979年，McCauley和Corbin通过反应烧结制备出第一块AlON半透明陶瓷。
AlON透明陶瓷具有良好的光学性能、介电性能、和化学性能；同时还具有较高的抗弯强度（380MPa）和高硬度（1950kg/mm²）。此外，作为多晶陶瓷，它比单晶蓝宝石更容易制得大尺寸部件，而且用传统的陶瓷制备技术就可以制得复杂的透明部件，在机械韧性、制备成本、生产周期等方面均优于蓝宝石，这大大降低了成本。因此，AlON在透明装甲和许多光学领域是非常有用的材料。如用于气体灯管、雷达天线罩、耐高温红外传感器窗口材料、坦克装甲车的观察窗、武装直升飞机的透明装甲等多个方面。
氧化锆透明陶瓷（YSZ）
钇稳定氧化锆（YSZ）透明陶瓷在可见光波段的折射率接近2.16，远高于传统的光学玻璃和光学树脂（1.51.8）。氧化锆透明陶瓷在可见光和中红外波段具有良好的透过率，耐磨损、耐酸碱腐蚀、耐雨水侵蚀，透明氧化锆陶瓷主要运用在红外窗口材料、高温窗口材料、棱镜、多晶氧化锆饰品、雷达天线罩和红外线整流罩等领域。1986年，第一块氧化锆透明块陶瓷是由来自日本的东洋曹达工业株式会社（现为东曹株式会社）的Koji Tsukuma，通过传统陶瓷成型方式，300MPa冷等静压后在14501630℃空气气氛下烧结7~15小时后，再在1500℃和100MPa压力及氩气气氛下热等静压（HIP），1200℃退火后而得到的透明氧化锆陶瓷。
图：氧化锆透明陶瓷，来源：Jülich
透明陶瓷材料因其独特的光学性能和优异的物理化学性质，在多个领域展现出广泛的应用前景。随着科技的不断发展，透明陶瓷材料的研究和应用将不断取得新的突破。