揭秘！透明陶瓷变“透明”的关键

什么是透明陶瓷？

透明陶瓷是经过独特材料设计与特殊工艺制备的完全致密多晶陶瓷材料，它既能在特定光谱范围内接近达到理论光学透过率、同时还能承受大的机械/热载荷，是一类重要的先进结构/功能一体化材料。因此，透明陶瓷具有传统陶瓷的高导热性和耐化学性特性，兼具玻璃的光学特性。

一、透明陶瓷的性能

透明陶瓷是“光”功能和陶瓷载体的结合，陶瓷变透明需要满足3个极为严苛的条件，第一是不能有任何杂质，第二是不能有任何气孔，第三是陶瓷内部需要保证绝对均匀。相较于玻璃，透明陶瓷优势明显。

图源：KONOSHIMA

陶瓷的热导率高达玻璃的5倍及以上；光透过介质，不可避免会产生损耗，这种损耗会转化成热，玻璃的热量散不出去，因此容易炸裂，而透明陶瓷可以很好地导热。

二、影响陶瓷透明的因素

影响陶瓷透明的因素：气孔率、晶界结构、表面光洁度、晶粒尺寸、晶体结构、杂质；主要散射源、表面反射与散射、气孔与沉积物引起的散射、晶界相散射、晶界畴散射。

三、陶瓷转变为透明陶瓷的关键点

原材料的性质、烧结工艺、材料的微观结构以及后期制造。

制备透明陶瓷时必须使用高纯度原材料，并避免加工过程中的任何污染源。同样，消除散射中心也需要高质量的起始粉末和合适的烧结工艺。与普通铁电陶瓷相比，电光陶瓷需要更均匀、反应活性更高的粉末，因为不均匀性更容易通过光学方法检测。

a、原料性质

晶体结构或晶格特性：结构决定了陶瓷的性质。例如，立方多晶陶瓷的散射光几乎与普通玻璃相同。其他几何形状的晶体，例如四方和三方，由于晶粒边界处的质量下降，透射率较低。

原材料的纯度：透明陶瓷一般都是纯净的。光的散射会受到薄弱点的影响。因此，保持颗粒均匀且分散良好是生产的关键。

分散性：分散同样重要；颗粒应在烧结机制过程中形成团聚体，从而减少光的通过。

b、烧结过程

烧结介质：真空通常更利于生产透明陶瓷。其他介质，例如空气，会被困在陶瓷内部，从而影响其透明度。一般来说 透明陶瓷 氧化铝、氧化钇、氧化锆等是在真空条件下形成的。

烧结技术：

①热压（HP ）：热压法（HP）广泛用于制备透明电光陶瓷，热压法可在相对较低的温度下实现所需的致密化。

②热等静压（HIP）：热等静压（HIP）是另一种已成功用于制备电光陶瓷的烧结方法，HIP工艺使部件能够在高压容器中承受高温和等静压，促进陶瓷样品的致密化和孔隙去除。虽然HIP可以用于制备高质量的透明电光陶瓷，但由于所需的专用设备和严格的实验条件成本高昂，通常不作为主要工艺选择。

③放电等离子烧结（SPS）：放电等离子烧结（SPS）是一种相对较新且先进的烧结技术，也可用于制备电光陶瓷，在SPS中，高密度电流流经样品（仅当样品导电时）和模具，从而在样品内部产生焦耳热。这有助于烧结过程，并具有在极短时间内实现粉末致密化的显著优势。

④微波烧结：在微波烧结中，材料吸收微波辐射并将电磁能转化为热能，然后均匀分布并用于促进陶瓷材料的致密化。微波烧结具有两大优势。首先，该方法能够实现内部均匀加热，而非像其他传统烧结技术那样由外向内加热。这显著降低了材料内部的热应力，从而减少了材料变形或产生裂纹的倾向。其次，该方法能够在较低温度下进行烧结，并大幅缩短保温时间。此外，由于微波易于控制且环境友好，因此该技术总体上比传统烧结方法更高效、更经济。

⑤水性凝胶浇铸法：凝胶注模成型是一种原位聚合技术，与传统的干压和冷等静压法相比，具有更高的均匀性和力学强度。如：凝胶注模成型制备 AlON 透明陶瓷。AlON 粉体制成浆料，通过加热获得凝胶体，进一步干燥制成生坯，随后经脱胶、冷等静压、无压预烧结、热等静压等工艺， AlON 透明陶瓷。

△水性凝胶浇铸法流程图

c、烧成温度和添加剂

光学陶瓷烧结温度通常根据原材料的性质而定。烧结温度应根据预期的可行性和性能而定。添加剂可以降低烧结温度。它们可以延缓晶粒边界的形成，消除空隙，并有助于提高材料的致密性。

d、后期制造方法

表面特性：表面光洁度对于赋予反射或透射率至关重要。透明度通常会随着表面粗糙度的增加而降低。

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