無機光學透明材料 透明陶瓷

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1、無機光學透明材料——透明陶瓷一、基本概念透明陶瓷（Transparentceramics）是指采用陶瓷工藝制備的具有一定透光性的多晶材料，又稱光學材料。一般多晶陶瓷的不透明性是由于非等軸晶系的多晶晶粒在排列取向上的隨機性，導致晶粒間折射系數(shù)不連續(xù)，以及晶界效應，氣孔等引起的散射等原因所致。在制備透明陶瓷時，通過采用高純超細原料，摻入盡可能少的添加劑和工藝上的嚴格控制，漿砌塊石和雜質(zhì)充分排出并適當控制晶粒尺寸，試制品接近于理理論密度，從而制備出透明陶瓷[1]。制備透明陶瓷的首要條件是組成陶瓷的單晶體本身是透明的，同

2、時具有高的對稱性，一般為立方晶系。某些非立方晶系的陶瓷材料如六方相的氧化鋁，一定條件下可以制的半透明（translucent)陶瓷。透明陶瓷通常采用壓力燒結(jié)【包括熱壓，等離子體壓力燒結(jié)（SPS)，熱等靜壓（HIP）等】和氣氛燒結(jié)（包括氫氣燒結(jié)，氧氣燒結(jié)和真空燒結(jié)等）等方法制備而成。二、透明陶瓷的種類透明陶瓷的種類按材料體系分為氧化物、氟化物、氮化物、氧氮化物、氧硫化物、硫化物、硒化物等透明陶瓷，隨著技術(shù)的發(fā)展很可能出現(xiàn)更多種類的透明陶瓷的材料體系[2]。按性能分類，可分為透明結(jié)構(gòu)陶瓷、透明功能陶瓷（包括透明激光陶

3、瓷、透明閃爍陶瓷、透明鐵電陶瓷、紅外透明陶瓷等）。（一）按組劃分（1）氧化物透明陶瓷氧化物透明陶瓷一般在可見光和近紅外波段透明。這類透明陶瓷已經(jīng)報道的有等材料，其中以透明到的研究最為成熟。可用于制作高壓鈉燈的燈管、微波集成電路用基片、軸承材料以及紅外光學元件。透明氧化鋁陶瓷1961年由美國首先研制成功，制作工藝是采用純度為99.99%、平均尺寸為0.3微米的氧化鋁細粉作原料，加入質(zhì)量分數(shù)為0.3%的MgO添加劑，在H2保護的高溫電爐中燒成[3-5]。高壓鈉燈用透明氧化鋁陶瓷在高溫下與鈉蒸汽不發(fā)生作用，卻能把90%

4、以上的可見光透出來。（2）氟化物透明陶瓷主要是CaF和MgF2透明陶瓷，20世紀60年代開始，CaF透明陶瓷主要作為一種激光材料使用。（3）氮化物透明陶瓷、氧化物透明陶瓷、硫化物透明陶瓷氮化物陶瓷主要是AlN，氧氮化物透明陶瓷主要是AlON和SiAlON，氧化硫透明陶瓷目前研究的主要是Gd2OS，是一種性能優(yōu)異的閃爍材料。（4）硫化物透明陶瓷、硒化物透明陶瓷和碲化物透明陶瓷這類材料主要的數(shù)量不多，比如ZnS，ZnSe，CdTe等。這幾種材料作為激光材料目前已經(jīng)得到了激光輸出，同時它們還是很好的透紅外陶瓷材料。（二

5、）按功能劃分（1）透明激光陶瓷材料透明陶瓷作為激光工作物質(zhì)最早出現(xiàn)在20世紀60年代。20世紀80年代中期開始，人們開始了高質(zhì)量高透明性稀土摻雜的激光陶瓷制備研究[6]。目前主要的研究對象為YAG基透明激光陶瓷和倍半氧化物透明激光陶瓷。（2）透明閃爍陶瓷透明閃爍陶瓷是一種能將吸收離化輻射轉(zhuǎn)化為脈沖光的光電功能陶瓷材料。透明陶瓷可以實現(xiàn)多組分、均勻高摻雜，可以在制備過程中通過摻雜剪裁來優(yōu)化閃爍體的閃爍性能。透明閃爍陶瓷首先在醫(yī)學X-CT領(lǐng)域得到廣泛應用。（3）透明鐵電陶瓷透明鐵電陶瓷除具有玻璃般的透明度外，還具有一

6、般鐵電陶瓷的特性。它能把光電機械形變等幾個物理效應耦合在一起，相互發(fā)生作用，進而顯示出特性。（4）紅外透明陶瓷氧化物陶瓷具有很強的M-O鍵，改鍵高的震動頻率，導致截止波長較短，因此氧化物在紅外波段一般都不透明，現(xiàn)在紅外透明陶瓷體系主要是MgF2，ZnS，CaF2，ZnSe，CdTe等。三、影響透明性的因素透明陶瓷主要問題是如何提供透明性以及透明性和其他性能的耦合問題，要解決這些問題，首先要了解影響透明性的主要因素。（一）陶瓷的透光原理陶瓷是一種多晶的無機材料，一般由晶粒，晶界，氣孔等組成。陶瓷中存在大量如氣孔雜質(zhì)

7、晶界等不均勻的顯微結(jié)構(gòu)，會造成對光線強的散射和折射。圖1為多晶體陶瓷中散射模型示意圖。圖1多晶陶瓷中的主要光線散射效應陶瓷表面凹凸不平，投射到其表面的光線一部分因為反射而折回原介質(zhì)中，另一部分折射進入陶瓷多晶體。光在多晶燒結(jié)體中因微觀結(jié)構(gòu)的不均勻性使光強進一步減弱，造成入射光強度損失的因素主要有反射折射和吸收[7-8]。材料中不存在光吸收和光學失配，且微觀結(jié)構(gòu)均勻時，透光強度才最大。當光通過某一介質(zhì)時，由于介質(zhì)的吸收、散射、折射等效應使其強度減弱，對于透明陶瓷這種減弱除了與材料的化學組成有關(guān)外，主要取決于材料的顯

8、微結(jié)構(gòu)。光通過厚度為t透明陶瓷片時，各種光能損失如圖2所示[9]。I0為入射光，I為初射光，A為表明反射損失，B為吸收損傷，C為內(nèi)部折射，雙折射損失，D為背面反射損失。圖2光在物質(zhì)中傳播時各種光損失示意圖（二）影響陶瓷透明性的因素一、原料的影響（1)原料的晶體結(jié)構(gòu)與缺陷多晶陶瓷材料中各種晶粒的取向是任意的，而折射率的改變?nèi)Q于晶體結(jié)晶軸方向。相鄰晶?？赡苡捎谌∠虿煌哂胁?/p>