透明陶瓷的发展

1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 透明陶瓷的 发展 刘军芳 傅正义张东明 张金咏 武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室武汉 摘要综 述和分析了研究和发展中的儿 种透明陶瓷 介绍 了透明陶瓷的性 能及有关用途 关键词透明陶瓷性能应用 盯 位 工 乃 人 场 扬 概况 所谓透明陶瓷就是能透过光线的陶瓷川 通常 陶瓷是不透 明的 但在年通用电器公司的研 究 表 明 在 一 定 结 构条件下 陶 瓷会变得透 明 由于这种材料在保持 同类 陶瓷材料所雏有 的性 能外还 能透光 因而 在许多情况下更其优越性 高密 度和没有玻璃 相使这种 陶瓷材料更能耐腐蚀 而且 在其机 械加工 时具有更 高 的表面江洁度 透光性 高密度和可 能制备具有表面江洁度高的制品 使透 明陶瓷材 料 的应用领域比普 通 同类成分材料 的范 围要 广得多 因而也 引起了较多研究者的关注川 普通 陶瓷 由于对光有较强的反射 因而是 不透 明的 大量 的研究结果表 明 对 陶瓷这种 透 明性 能 的影 响因素主要有以下几个方面 入 气孔率 对 透 明 陶瓷透 光 性 能影响最大的因素是 气孔 率 普通陶瓷 即使具有高的密度 往往 也不是透 明 的 这是因为其中有很 多封闭的气孔 文献指出 总 气 孔率超 过的氧化物 陶瓷基本是 不 透 明 的 因 为气孔 的折射率非 常低约 为 这 些 气 孔 在 光 线传播 的过程 中会使光线发生多次反射 从而大大 降低材料的透明度 陶瓷 内气孔可 吧存在于晶体之 间和晶体内部 晶体之 间的气孔外于晶界面上容易排 除 而 晶体内 部气孔即使是小于微米级 的也很难排除 因此晶体 内气局 限性对于获得透明陶瓷是最危险的 因此我 们要从每一个工艺阶段原料粉 的制备 预烧 烧 成来防止气孔的产生 晶界结构 透明和不透 明陶瓷的晶界结构是不 同的 透 明 材 料 的晶界模 糊不 清 而非 透 明材料的 晶界 很清 晰 陶瓷材料的物相组成 中通常包含着两相或更多 相 这种 多相结构 会导致光在相界 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 原料与添加济 许多研究表明 在 陶瓷工艺中最终结构有继承 最初结构 的现象 要想制备透 明陶疤理想粉末 除 颗粒尺寸应小于 卜 以外 颗粒应呈球形 颗粒之 间不产生团聚 并且 随时间的推移也会增加尺寸 为了获得透 明 陶瓷 有时需 加 人 添加 剂 抑 制 陶瓷科学与*** 截自侧墉晌瀚澎 1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 晶粒生长 添加剂的用量一般很少 所以要注意添 加剂应该能均匀分布于材料 中 另外 添加剂还应 能完全溶于主晶相 不生成第二相 物质 也就是说 不破坏系统的单相性 只有这样 气孔脱离晶界和 转变为晶内气孔 的概率才小 烧成气 氛 透明陶瓷和普通 陶瓷不同 最后须经真空 氢 气氛或其 他气氛 中烧成 对于阳离子和***离子挥发 性小的陶瓷 当尺寸差异不大时可以采用在真空气 氛下烧成 在氢气氛 中烧成透 明氧化物陶瓷时 一 般使用一定量 的水蒸汽 具有水蒸气的气氛能给予 氧化物还原反应 因为气体在固体中的扩散系数较 小 表面加 工光洁度 透 明 陶瓷 的透光 度值受 表面加工光 洁度的制 约 烧成粉末地未处理***有较高的粗糙度 即呈 现微小 的凹凸状 光线人射到这种面上会发生漫反 射 烧结 陶瓷 的粗糙工越大 其透明度就越低 陶瓷 表面的粗糙度与原料的细散度有关 除选用高细散 度原料外 还应 对 陶瓷表面进行 研磨和抛光 研磨 后的 陶 瓷 的透 光率一 般 可以从 一 增 加 到 抛光后更可达到以上 发展过程 透 明陶瓷是二 十世纪年代末年代 初发 展起来的 最先打破 陶瓷不 透明概念 的是年 美国 通 用 电 气公司 发 表 的透光 性 氧 化 铝 陶 瓷 叹商品名称 困 由于透明陶瓷固有的耐高 温 耐腐蚀 高 绝缘 高强 度等特性 又具有玻璃 的 光学性 能 因此得 到广泛应用和迅速发展 经过几 十年 的发展 已制备了一 系列的透明陶瓷 氧化物透 明陶瓷 氧 化物透 明 陶瓷是研究得最 早的 一类透明 陶 瓷也是研究较多的一类 因为非 氧化物透明陶瓷的 制备比氧化物透 明陶瓷的制备要困难一 些 这是 由 于非氧化物具 有比较低 的烧结 活性以及非 氧化物 中杂质含量高 尤其是氧含量高川 现已研制成功 投人生产的透明陶瓷包括 等 氧化铭透明陶瓷 对氧化铝透明陶瓷的研究较早 在二 十世纪六 十年代初 就已制成了透明刚玉陶瓷发光管的高压 钠灯 氧 化铝透 明陶 瓷的最 大特点是对可见光和 红 外光具有 良好 的透过性 此外 还具有高温强度大 耐热性 好 耐腐 蚀性强 电绝 缘好 热导率高的优 点 因此 氧化铝透 明陶瓷可用 于做高压钠灯灯管 高温***探测用窗 柑 祸 和集成 电路基片材料等 氧化忆透明陶瓷 称 为 的氧化忆透 明陶瓷首先是由美 国通用 电气公司在二十世纪七 十年代制成的川 由于氧化忆是 立方晶系 晶体 具有光学各向同 性 的性质 使得这具有优越 的透光性能 氧化忆透 明陶瓷在宽广 的频率范围内 特别是在***区中 具有很高的透光率 因此这种材料被动作为各种检 测和能源窗 由于高的耐火度 几它作高温炉 的观 察窗以及作高温条 件应用 的透镜 此外 氧化 忆透 明陶瓷还可用于微波基板 *** 发生器管 天线罩 等 氧化镁透明 陶瓷 氧化镁系陶瓷是光学各 向同性体 具有很好的 透***性 因此可用于制作高温炉窗口和***探测 器罩 同时 也可利用 它具有高耐碱性来制作柑竭 纪铝 石榴石透明陶瓷主要性能 含添加剂的忆铝石榴石透明陶瓷 性能忆铝 石榴石 住住名 真实密度 留 总气孔率 一 品体尺寸 林 一一一一一 抗 弯强度极 限 介 电常数 相对单位 一 一 压帅冲翩麟瞬嘟恻麟 一 1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 综 述 精 与反应容器等 由于氧化镁透 明陶瓷具有较好 的直线透光率 较小的理论密度 高 的导热性和 良好的耐碱金属蒸 汽化学稳定性 故被视为具有发展前景 的材料 啥乙铭石榴石透明 陶 瓷 忆铝 石榴 石 透 明 陶 瓷 川具 有 系列 重要性 质 较高 的熔 融温度 机 械强度 而 热性 于碱金属等离 子体中 的稳 定性 良好的 电物 理性 能以及无多晶转化性等 主要性 质见表一 目前 美 国采用热压法制 备忆铝石榴石透 明陶 瓷 与川的化学计量比为 使 用 等 做添加剂 日本采用 厂 礼 一 以及***元素氧化物作添加剂 制 备忆铝石榴石透 明陶瓷材料 该种 陶瓷采用热压 法制得 俄罗斯采用高细散忆铝石榴石单相粉末在 引 人 心 和添加 剂 的情 况下 生产 出 具有较高机械性能 的高密度忆铝石榴石 透 明陶瓷 就必须制备各 种成分分布均匀 的粉末 否则除了 川相外 还会形成铝酸忆 从 和 从而破坏石榴石 的理想 配比 不 能制 取较好的透 明材料 铭镁酸透明 陶瓷 铝镁酸习具 有光学 各 向 同性 的 特性 使得这种材料可以具有高的透 明度 铝镁酸透明陶瓷具有高熔点 康好的 化学稳定性 优异 的机械性 能和光学性 能 优 良的 热 冲击性能 高的抗高 速雨水腐 蚀 能力 可透过 一林 的紫外材 料 ***整流罩材 料具有 多 波段 宽范 围透过特性 主要性质见表二 制备优 质的光学多 晶铝镁酸透明陶瓷 要求有 表二铝镁酸透明陶瓷主要性能 密度 创 熔点抗 弯强 度 硬度 八 抗压强 度 介电常数热膨胀 一 杨氏模 一 量 高纯度 反应活性好 的 川 及微粉 粒度约透明铁电陶瓷 卜 过细的粉末 易于 吸附气 体 使用表面成分变年 透 明铁电陶瓷 问世后 就引起了广泛 为非化学计量 制备的方法是热压联合热等静压烧的重视叫 结 设备复杂 价格 昂贵 成型必 须在 洁净环境 中进透 明铁电陶瓷 除了外 还右在中 行 添加形 成透 明铁电陶瓷添加形 成 美国从年代 就致 力于开发铝均匀酸透 明陶透 明铁电陶瓷 其性能与相似 犷 瓷 但因方法和工 艺的 *** 制备的材料 具 有很低电光材料为掺斓 的错钦酸铅 可以用下 的光学透过率 直到年代 随着原料处理工艺 的列通式来表示其化学组成 优化和热压工 艺的完善 制备出光 共动 乡 卜训 学 性 能优异 的铝镁酸 透 明 陶 瓷 但在 紫外 可见波其中的范围是 司 十 习 其透光率 段具有 很低的透光率 我 国于年***始研制铝随组成 的不 同而变化 有研究表明 当 一 镁 酸透 明 陶瓷 目前 其光 学性 能批标 超 过美国 时 透光率最高困 年代的水平 接近 于美国年代 的水平卿 材料经过人工极化后 还具有压 电 光学 近几 脾 美国又展开了铝镁酸透明陶瓷军事用双折射等特性 利用它的 电光性能 可开发的器件 途的研究 它 右以用 做坦 克 窗 口 士兵的防护面罩有 光调制器 光开关 关 记忆 中的编页器 光栅等 等 美国致 力于研 究制造大块 透 明陶瓷 国外已制利用它 的电控可变散射效应 可以开发了同系列具 造直径达的铝镁酸材料 由此可见 我 国制有不 同性 能的光开关器 件 如新型偏振无光开关 备铝镁 酸透 明陶瓷 的水 平 与美国尚有一段距离 还宽谱严格无 阻塞空分矩 阵光开关 全波段亚 有待于我们去研究 洲 微秒级响应 的单片门集成尾纤封装开关等 氧 化物透 明陶瓷 还 有 其 他的体系 如 制备透明电光陶瓷 的主要工艺有 热压 凡等 但其特性都是差不多 烧 结 通 氧热压 烧结 气氛烧结 热 等静压烧结等 二厄不 一一 一一耀碳霸黔 1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 表三氮化铝透明陶瓷主要性能 密度抗弯强度 介电常数热膨胀 一 电阻率 扩 一 一一 热导率 从 一 随着其制备工艺 的发展 拓宽了材料 的应用 范围 目前 日本已把其列人项重大课题之一 氮化铝透明陶瓷 氮 化 铝陶瓷 是 九 十年代有 待 开 发 的新 材料 它真有高热导率 高电绝缘性 高硬度 低热 膨胀系数 优 良的光学性能和声波传播必 能 优 良 的耐金属侵蚀性 能 良好的耐化学腐蚀性 能等 主 要性 能见表三 氮化铝 陶瓷的突 出用途是用做基板材料 目前 国内外 主要采用 陶瓷作为基板材料 然而近 年来随着半导体元件 向高性 能 高密度 小 型化 低 成本方向的发展 近切希望 导热系数大的陶瓷基 板 因此许多学者进得了广泛深人的研究 认为 及是理想 的材料 然 而烧结困难 在 生产过程 中产生***素且价格 昂贵***了它的发展 人们确信氮化铝 陶瓷作为高热导材料具有巨大 的 潜力 可以取 代泪 甚 至部分取代 因 为具有一 系列优 异性 能 其热导系数是 的 一 倍 可能进得多层布线 是很有发展前途 的 基板材料 此外 还可以用于高温窗口 耐热涂层 散 热材料等等 美国从年就开始研制 随着研究方 法的深入和测试手段 的完善 发现具有多种优 异特性 因此从年以后就广泛用到各种工业 上 前苏联 欧洲 德 国和日本等国也先后进行了研 究 我国是从 七 五 期 间才开始立 题研究的 起步 较晚 然而 是共价键化合物 并且在合成 粉过程 中残 留有杂 质碳或 者其他金 属杂质 而且 很容易水解 引人氧杂技 所以纯很难烧 结达到完全致密 而其透明烧结体就更难制得了 对于氮化铝 透 明陶瓷 的报道 国际上极少 只有日 本得山曹达公司的仓元信行等人 报道了我一研究 成果 而 国内尚只有 中国科学院上海硅酸盐研究所 有过这方面 的报道卜 刀 相对于普通氮化铝 陶瓷 氮化铝透明陶瓷具有 较高 的纯度和烧结性 优异 的综合性 能 应用前 景 广 阔 斗 氮氧化铝透 明陶瓷 氮氧化铝 一 分子式可以用 表示 是多 晶固溶体 含 一 该材 料在 一 脚区最高光透过率可达 其晶相是 立方尖晶石型 光学各向同性 它具有综合的光学 物理 机械和化学性质 是 耐高温*** 窗 和罩 的优 选材料 主要性质见表四 洲 表四氮氧化铝透明陶瓷主要性质 密度 刻 熔点 杨氏模量 抗弯强度 热导率 热膨胀 透过极限 卜 厚 透明陶瓷以其优异的力学性质 特别是透明陶瓷具有非常广阔的应用前景 它除了具 光学性 质 日益 引起人们的重视 成为一种新型陶有透 明性以外 还具有材料本身的特性 经过几十 瓷材料 美 国已对透明陶瓷的军事用途进行年 的研究 己取得了可喜的成果 其材料开发从过 了研究 制造 出 而 的透 明平板 目前 国支的氧化铝透 明陶瓷 氧化镁透明陶瓷 饼化忆透 内对的研究甚少叫 明陶瓷等到材料扩展到透明电光 陶瓷 忆铝 石榴 石透 明陶瓷 铝镁酸透 明陶瓷 氮化铝透 明陶 总结与展望 瓷以及氮氧化铝透 明陶瓷等材料 这些透 明陶瓷的 旧胭王月日瀚戳粼料 1994 2010 China Academic Journal Electronic Publishing House All rights reserved 镖 熬翼矍 发展拓 宽了陶瓷 的应用 但仍需 进行 更 深 人的研 究 以进一步完善透 明陶瓷 的性 能 改 进 透 明陶瓷 的生产工艺 并期待开发 出更新型 的透明陶瓷 收 稿日期 一一 参考文献 范 恩荣 透 明 陶瓷 制备工艺探 讨 电瓷避 雷 针 维 多利亚等 透明陶瓷 北京轻工业出版社 刘得 利 影响透明陶瓷透光率的因素 陶瓷工程 周艳平等 透明氮化铝陶 瓷的制 备 科学 通报 刘 得利 氧 化物 透明陶瓷 的生产现 状及性 能 河北陶瓷 徐政 倪 宏 伟 现代功能陶瓷 北 京习防工业 出 版 社 刘得利 忆铝 石 榴 石 透 明陶瓷的 生产工 艺和性能 陶瓷工 程 齐亚范 *** 光学 窗口和罩 材料的 最新进展 材料导报 黄存新 光学透明陶瓷铝 酸镁的制备工艺和性能 人工 品 体学报 了 黄存新 多品铝 酸镁的透 明机理研究 人 工 晶体学报 刀 一 五 谢 菊芳等 透明电光 陶瓷材料的制备及应用研 究 进展 功能材料 李世 普 特种 陶瓷工艺学 武汉武 汉工业 大学出版 社 祝炳和 第三次全 国功能陶瓷学术会议论文集 一 币 飞 汪学铭 应用前 景 广阔的氮 化铝 无机盐工来 周艳平等 透明氮 化铝陶瓷的制备 科学通报 戴英等 尖品石型氮 氧 化铝研究 进 展 材料导报 黄 占杰 中红 外导流罩 及 窗 口材 料的发展趋势 材料导 报 上接页是以共 价键性非 常强的氮化硅及碳化力 工程 最 棘手的问题 核废料存放找 到一

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