透明氧化鋁陶瓷概述_技術資料【科眾陶瓷】

透明陶瓷(transparent ceramics)是在20世紀50年代末60年代初發展起來的。由于透明氧化鋁陶瓷具有陶瓷固有的耐高溫、耐腐蝕、高絕緣、高強度等特性，又具有玻璃的光學性能，因此得到廣泛應用和迅速發展。

一般陶瓷由于對光產生反射損失和吸收損失，因而是不透明的。造成這些損失的原因，是陶瓷體內的氣孔、雜質、晶界、晶體結構對透光率的影響。

要使陶瓷透明，其前提是使光能通過。入射到陶瓷的光，一部分表現為表面的反射和內部的吸收，剩下的就成為透射光。因此，希望透明陶瓷的反射和吸收要越少越好。

陶瓷材料對光線的吸收是由多晶體本身和雜質所引起。而散射可由多晶材料的外表面引起，也可由材料內部的散射中心所引起。材料內部的散射q心則來自于多晶體本身折射率不同的雜質以及微三孔。散射與晶粒大小有密切的關系。晶粒直徑與入射光波長相同時散射最大。圖2-1-7為透明陶瓷中光散射模型示意圖。當消除了雜質和空隙造成的吸收和散射時，陶瓷的透光性主要取決于多晶體本身對光的吸收性能。那么其透光率T(%)：
式中 Io-入射光強度，S-l/Sr;

I一透射光強度，S-1/Sr；

I——多晶體的吸收系數，cm-l；

a——微氣孔平均直徑，弘m；

t——微氣孔有效厚度，相當于最緊密堆積狀態在一個截面堆積的微氣孔厚度，ym;

d。——微氣孔平均直徑，pm；

‰——多晶體的入射率；

n。——微氣孔的折射率，近似等于1；

A-入射光波長，弘m；

c-常數，通常取7。

由上式可知，使陶瓷具有透光性，必須具備下面的條件：

(1)致密度要高（為理論密度的99.5%以上）；

(2)晶界上不存在空隙，或空隙大小比光的波長小得多；

(3)晶界沒有雜質及玻璃相，或晶界的光學性質與微晶體之間差別很小；

(4)晶粒較小而且均勻，其中沒有空隙；

(5)晶體對入射光的選擇吸收很小；

(6)無光學各向異性，晶體結構最好是立方晶系；

(7)表面光潔度高。

上述條件中，關鍵是獲得致密并且具有小而均勻的晶相。圖2-1-8為幾種透明陶瓷的透光率特性曲線。

圖2-1-8幾種透明陶瓷材料的透光率曲線

有些材料如氧化鋁、氧化鈹等，雖是六方晶系，但由于是光學一軸晶體，所以盡管透射光變成散射兆，仍能成為透明陶瓷。即使是一軸晶、二軸晶的光學各向異性體，若雙折射不大，且接近各向同性體的情況，則仍顯示其透明性。透明PLZT壓電陶瓷即是一例。有關陶瓷透明機理雖然進行了不少研究，但系統的研究還不夠，而且對透明本質目前仍處之中。

2．透明氧化鋁陶瓷

透明氧化鋁陶瓷(transparent alumina ceramlcs)的最大特點是對可見光和紅外光有良好透過性，最早由美國的通用電器公司研究成功。

(1)工藝原理

透明氧化鋁陶瓷制作的關鍵，是如何控制氧化鋁以體積擴散為燒結機制的晶粒長大過程。吾在燒結過程中晶粒生長過快就會產生晶界裂縫，許多氣孔被晶粒包圍。而且當晶粒生長速主大于氣孔的移動速度時，晶體內部包裹的氣孑L更不易排除。實踐表明，加入某些微量添加物曇有抑制晶粒長大的作用。例如，加入適量的Mg0，能獲得透明氧化鋁陶瓷。由于加入

7．：gO，形成MgO．A120。尖晶石相在A120。晶界表面析出，阻止晶界過快遷移。而且Mg0三高溫下比較容易揮發，能防止形成封閉氣孔，因此限制了氧化鋁晶粒的長大。含量與氧化鋁透光率之間的關系。Mg0含量增加，由于生成過多的鎂鋁尖晶第二相，而增加了對光的散射率，降低其透光性。Mg0的加入量一般為0.1%～0.5%。

根據用不同波長的單色光通過透明氧化鋁陶瓷表明，當氣孔大小與渡長相等時，光透射率最小，說明氣孑L的平均尺寸是制作透明陶瓷應該控制的重要因素。例如燒結透明A12 03的晶芝尺寸約為2511m，比較均勻，氣孔半徑為0.5～1.0pm，氣孑L率小于0. 1%。熱壓燒結透明120。晶粒尺寸為1～2 ym，大小不均，氣7L半徑約0.1pm。它們的透光率與光波關系在紅外區域，與藍寶石相近；在可見光區，比燒結A12 03的透光率低。這是由于熱玉A12 03的晶粒尺寸小、氣孔直徑小，在可見光區散射效應強的緣故。

透明氧化鋁陶瓷與波長的關系

在工藝上，A12 03的純度、細度、成型方法、燒結氣氛等，對其透光率也有影響。例如對燒結來說，在氫氣（或真空）中燒結，由于氫氣滲入坯體，在封閉氣孔中，氫氣的擴散速度比其他氣體大，容易通過A12 03坯體，氣孔比較容易排除，從而提高其透光率。

(2)透明氧化鋁陶瓷工藝方法

在透明Al。O。陶瓷生產中，對Al：O。原料一般采用高純度的Al。O。（純度在99. 9%以上）。通常是采用硫酸鋁銨分解來制備。其分解過程如下：

100-200 C .

A12 (NH4)2 (S04 )4 . 24HzO =A12 (S04)3 (NH4)ZS04 * Hz0+23HzO +

500～600 C . -

A12 (S04)3 (NH4)2S04 . H20 -A12 (S04 )3+2NH3 t +S03 'r +2H20 )F

800-900℃

A12.(S04).—— =A12 03 +3SO。十

配方中Mg0是以Mg(NO。)。的形式加入硫酸鋁銨中共同加熱分解，這樣可獲得均勻分布、活性較大的Mg0。

上面分解制備的Al：O。，一般為y-AI。O。。為了提高Al：O。原料的穩定性，減少收縮，將分解后得到的y-AI。O。再進行預燒，使之轉化為a-AI：O。，預燒溫度為1300℃。但不能完全

轉化為口-A120。，還會有一部分Y-A120。，目的是提高活性，促進燒結。

工藝流程有兩種，一是常溫成型，高溫燒結法。一般采用注漿法和等靜壓法。漿料的pH值應保持在3.5左右，流動性較好。成型后的密度應大于理論密度的85%才能獲得良好的透明陶瓷，燒結是在氫氣或真空條件下，在1700～1900℃燒結。二是二次燒結法。美國的“Lucalox”透明A12 03陶瓷，采用二次燒結法，將含有0.5% Mg0的AlzO。粉成型后，先在1000—1700℃氧化氣氛中燒1 h，然后在真空或氫氣中于1700～1950℃燒結。如果采用熱等靜壓制備的透明Alz 03陶瓷，其性能將會更好。

(3)透明A12 03陶瓷的性能和用途

透明Alz 03陶瓷的最大特點是對可見光和紅外光有良好的透過性，此外，具有高溫強度大、耐熱性好、耐腐蝕性強的特點，具體性能如表2-1-3。表2-1-3透明Al2 03陶瓷的主要性能

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┃~—~—～序號 ┃ ┃ ┃ ┃ ┃

┃性能—～—～～ ┃ Lucalox ┃ 1 ┃ 2 ┃ 3 ┃

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┃密度(g/cm3) ┃ 3. 98 ┃ 3. 98 ┃ 3. 98 ┃ ┃

┃氣孔率(%) ┃ 0 ┃ ┃ ┃ ┃

┃平均粒徑(ym) ┃ ┃ -20 ┃ 15～20 ┃ ┃

┃總透光率(%) ┃ 90 ┃ ┃ 92～95 ┃ ┃

┃抗彎強度(MPa) ┃381. 20～386. 60 ┃ 350. 00 ┃ ┃350. 00 ┃

┃線膨脹系數(×10-6/℃) ┃ 6. 5 ┃ 8. 8 ┃ ┃ 7. 7 ┃