透明陶瓷论文.docx
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稀土掺杂透明陶瓷的光学性能稀土掺杂透明陶瓷,这可真是个有趣又神奇的东西!咱先来说说啥是透明陶瓷。
就拿咱们常见的陶瓷来说,一般都是那种不透明的,对吧?可这透明陶瓷就不一样啦,它能让光线穿过,就好像一块透明的玻璃。
那为啥能透明呢?这就得从它的微观结构说起了。
透明陶瓷里面的晶粒啊,排列得特别整齐,而且杂质和气孔都特别少,所以光线就能顺利通过啦。
再来说说稀土掺杂。
稀土元素,听起来是不是有点高大上?其实它们在咱们生活里的作用可大着呢!比如说钕、铒、镱这些稀土元素,把它们掺杂到透明陶瓷里,就像是给透明陶瓷施了魔法一样,能让它的光学性能发生奇妙的变化。
我记得有一次,我在实验室里做实验,就是研究稀土掺杂透明陶瓷的光学性能。
那时候,我小心翼翼地把稀土元素按照一定的比例掺杂到陶瓷材料里,然后放进高温炉里进行烧制。
在等待的过程中,心里那个紧张啊,就像等待开奖一样。
等烧制完成,把样品拿出来一检测,哎呀,那心情,真是跟坐过山车似的。
有的样品效果特别好,光学性能有了明显的提升,我高兴得差点跳起来;可有的样品效果不太理想,我就又得重新琢磨,调整比例和工艺。
稀土掺杂的透明陶瓷,在光学性能方面那可是有很多出色的表现。
比如说,它的透光率会大大提高。
这意味着什么呢?打个比方,如果用这种透明陶瓷来做窗户,那屋里就能照进更多的阳光,亮堂堂的。
而且,它的折射率也能发生变化。
折射率这东西听起来有点抽象,简单来说,就是能让光线折射的角度和程度不一样。
这在光学器件里可就有用啦,比如说制造特殊的透镜,能让成像更清晰。
还有呢,稀土掺杂透明陶瓷的发光性能也很棒。
有的能发出漂亮的红光,有的能发出蓝光,就像一个小小的彩色光源。
这在照明、显示等领域都有很大的应用前景。
想象一下,未来的灯具可能不再是普通的灯泡,而是用这种会发光的透明陶瓷做成的,多酷啊!另外,它的吸收和散射性能也会因为稀土掺杂而改变。
这对于激光技术来说可是非常重要的。
激光需要材料有很好的吸收和散射性能,才能保证激光的强度和稳定性。
无机光学透明材料——透明陶瓷一、基本概念透明陶瓷(Transparent ceramics)是指采用陶瓷工艺制备的具有一定透光性的多晶材料,又称光学材料。
一般多晶陶瓷的不透明性是由于非等轴晶系的多晶晶粒在排列取向上的随机性,导致晶粒间折射系数不连续,以及晶界效应,气孔等引起的散射等原因所致。
在制备透明陶瓷时,通过采用高纯超细原料,掺入尽可能少的添加剂和工艺上的严格控制,浆砌块石和杂质充分排出并适当控制晶粒尺寸,试制品接近于理理论密度,从而制备出透明陶瓷[1]。
制备透明陶瓷的首要条件是组成陶瓷的单晶体本身是透明的,同时具有高的对称性,一般为立方晶系。
某些非立方晶系的陶瓷材料如六方相的氧化铝,一定条件下可以制的半透明(translucent)陶瓷。
透明陶瓷通常采用压力烧结【包括热压,等离子体压力烧结(SPS),热等静压(HIP)等】和气氛烧结(包括氢气烧结,氧气烧结和真空烧结等)等方法制备而成。
二、透明陶瓷的种类透明陶瓷的种类按材料体系分为氧化物、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,随着技术的发展很可能出现更多种类的透明陶瓷的材料体系[2]。
按性能分类,可分为透明结构陶瓷、透明功能陶瓷(包括透明激光陶瓷、透明闪烁陶瓷、透明铁电陶瓷、红外透明陶瓷等)。
(一)按组划分(1)氧化物透明陶瓷氧化物透明陶瓷一般在可见光和近红外波段透明。
这类透明陶瓷已经报道的有等材料,其中以透明到的研究最为成熟。
可用于制作高压钠灯的灯管、微波集成电路用基片、轴承材料以及红外光学元件。
透明氧化铝陶瓷1961年由美国首先研制成功,制作工艺是采用纯度为99.99%、平均尺寸为0.3微米的氧化铝细粉作原料,加入质量分数为0.3%的MgO添加剂,在H2保护的高温电炉中烧成[3-5]。
高压钠灯用透明氧化铝陶瓷在高温下与钠蒸汽不发生作用,却能把90%以上的可见光透出来。
(2)氟化物透明陶瓷主要是CaF和MgF2透明陶瓷,20世纪60年代开始,CaF透明陶瓷主要作为一种激光材料使用。
氧化铝透明陶瓷氧化镁透明陶瓷、氧化钇透明陶瓷标题:探索透明陶瓷:氧化铝、氧化镁和氧化钇在现代科技和工业领域,透明陶瓷已经成为一个备受关注的材料。
氧化铝、氧化镁和氧化钇作为透明陶瓷的重要代表,它们在光学、电子、航空航天等领域都有着广泛的应用。
本文将从深度和广度两个方面进行全面评估,以帮助读者更好地理解透明陶瓷的特性和应用。
一、氧化铝透明陶瓷1. 氧化铝的基本特性氧化铝是一种常见的陶瓷材料,具有高强度、抗腐蚀性、耐磨损等优点。
其透明陶瓷具有良好的光学性能和化学稳定性,被广泛应用于光学窗口、激光器件等领域。
2. 氧化铝透明陶瓷的制备方法通过热压、热等静压等方法可以制备出高密度、均匀结构的氧化铝透明陶瓷。
在制备过程中,控制晶粒尺寸和杂质含量对于提高透明度和力学性能至关重要。
3. 氧化铝透明陶瓷的应用氧化铝透明陶瓷广泛应用于高温、高压、强腐蚀环境下的光学元件、传感器、航天器件等领域。
其在光学窗口、透镜、激光窗口等方面具有独特的优势。
二、氧化镁透明陶瓷1. 氧化镁的基本特性氧化镁是一种重要的陶瓷材料,具有高熔点、高硬度、高热导率等特点。
透明陶瓷具有较好的透明度和热稳定性,在光学和高温环境下有着重要应用。
2. 氧化镁透明陶瓷的制备方法氧化镁透明陶瓷的制备可以通过热等静压、热同步处理等方法进行。
在制备过程中,要控制晶粒尺寸和晶界的清晰度,以获得更好的透明度和性能。
3. 氧化镁透明陶瓷的应用氧化镁透明陶瓷在激光窗口、红外透镜、高温传感器等领域有着广泛的应用。
其在光学、电子等高技术领域有着独特的地位和作用。
三、氧化钇透明陶瓷1. 氧化钇的基本特性氧化钇是一种重要的稀土陶瓷材料,具有优良的光学、电学性能和磁学特性。
透明陶瓷具有良好的透明度和光学性能,在激光器件、光学窗口等方面有着广泛应用。
2. 氧化钇透明陶瓷的制备方法氧化钇透明陶瓷的制备可以通过固相反应、热等静压等方法进行。
在制备过程中,要控制杂质含量、晶界结构等因素,以提高透明度和性能。
氧化铝透明陶瓷简述
氧化铝透明陶瓷材料是第一个实现透明的陶瓷材料。
它具有耐高温、耐腐蚀、高强度、高硬度、化学稳定性和生物相容性等结构陶瓷所固有的属性,同时具备透光这一功能属性,已经在能源、机械、军工、电子、半导体、医学等高技术领域得到越来越多的应用。
图1 (a)透明氧化铝托槽(b)透明氧化铝装甲
1. 氧化铝透明陶瓷及其制备技术
自二十世纪六十年代美国通用公司发现了第一个氧化铝透明陶瓷以来,在半个多世纪里,陶瓷领域的科研工作者们通过改进氧化铝透明陶瓷的成型与烧结工艺,使得氧化铝透明陶瓷在力学、光学以及产业化应用方面均取得了巨大进步。
1.1 透明陶瓷的定义及影响因素
德国Fraunhofer研究所Krell等人严格区分了“透明”与“半透明”两个概念,Krell等人认为只有与物体隔着一定距离而仍然具有良好透明度的陶瓷才是透明陶瓷,否则只能称为半透明陶瓷。
我国一般认为直线透光率在可见光区域的最大值超过15%可称为透明陶瓷。
图2 半透明、介质透明与全透明陶瓷
光线透过陶瓷多晶体的光线损失主要包括三部分:(1)表面反射损失,对于氧化铝而言一般为7~8%;(2)第二相损失(气孔、杂质、第二晶相等),由于第二相与陶瓷基体的折射率有显著差异而造成的光线损失。
如氧化物陶瓷折射率一般为1.3~2.7,而气孔即光线在空气中的折射率为
1.003;(3)所有非等轴晶系的晶界上均存在双折射,双折射可产生额外光。
影响Al2O3透明陶瓷透光性的因素摘要:简要分析了陶瓷透明的机理:气孔散射、晶界散射、第二相散射、折射与吸收、多晶体吸收等效应都会影响光线透过陶瓷基体。
原料纯度、粒度,氢气或真空烧成气氛,添加剂,气孔数量、尺寸,晶界等因素会对Al2O3透明陶瓷的透光性产生影响,其中原料、添加剂、气孔影响因素占主导位置。
关键词:透明陶瓷,透光性,添加剂,气孔Factors of Transparency of TransparentAl2O3 CeramicsAbstract:A brief analysis of the mechanism of transparent ceramics: pore scattering, grain boundary scattering, the second phase of the scattering, refraction and absorption, polycrystalline absorption effect will affect the light through the ceramic matrix. Purity and size of raw materials,hydrogen or vacuum firing atmosphere, addition agent, pore number and their size, grain boundary will affect the transparency of transparent Al2O3 ceramics.Raw materials,addition agent and gas hole are the most importang factors of them.Key words:t ransparent ceramics, transparency, addition agent, gas hole1 引言自从1962年Coble制备出透明氧化铝陶瓷以来,打破了陶瓷不透明的传统概念,也开辟了陶瓷新的应用领域。
陶瓷透明AlON陶瓷研究现状及应用田庭燕杜洪兵孙峰姜华伟陈广乐刘妍彭珍珍(北京中材人工晶体有限公司北京100018)摘要主要介绍透明氮氧化铝(Al()N)陶瓷的研究进展。
对Al()N的制备方法和应用傲了综述翱介绍‘.并对其发展前景和存在的问题作了展望与分析。
关键词透明陶瓷AI()N制备应用TheResearchStatusQuooftheTransparentAIONCerami缁andItsApplication【TianTingyan,DuHongbing,SunFeng,JiangHuawei.ChenGuangle。
LiuYan.PcngZhenzhen(BeijingSinomaSyntheticCrysracsCo,Ltd,Beijing,100018)Abstract:ThispaperreviewedtheresearchprogressintransparentAluminumoxynitride(AI()N)ceramics,ineludingoflhefabricationsandapplicationsofAI()N..AndtheprospectsofAIONalsodiscussed.Keywords:“Fransparentceramics;Aluminumoxynitride;Fabrication;Application1980年美国Raytheon公司在军方资助下研制出透明AlON陶瓷材料,作为一种日益引起人们广泛重视的新兴透明陶瓷材料,AloN具有很好的光学透明性,从近紫外(O.2肛m)到中红外(5.0弘m)的平均光学透过率大予80%;在毫米波频段,具有优良的介电性能(介电常数小于10),损耗角正切小(在1mnl波长处为0.0002);男外还具有优良的抗渣侵蚀性和抗渣渗透性[J一;良好的耐高温性,抗热震性和抗侵蚀性能。
所以在导弹窗口和头罩材料等领域获得日益广泛的应用。
透明陶瓷材料
透明陶瓷材料是一种具有高透明度的陶瓷材料,通常由氧化铝、氧化锆、氧化
镁等多种氧化物组成。
它具有优异的光学性能和化学稳定性,被广泛应用于光学器件、医疗器械、航空航天等领域。
本文将对透明陶瓷材料的特性、制备工艺以及应用领域进行介绍。
首先,透明陶瓷材料具有优异的光学性能。
它的透光率高达85%以上,甚至有
些特殊的透明陶瓷材料透光率可以达到95%以上,因此在光学器件领域有着广泛
的应用。
透明陶瓷材料还具有较好的抗热性能和化学稳定性,能够在高温或腐蚀性环境下保持稳定的性能。
其次,透明陶瓷材料的制备工艺主要包括干法制备和湿法制备两种。
干法制备
是指通过粉末冶金工艺,将原料粉末进行混合、压制和烧结而成。
湿法制备则是将原料粉末与有机物混合成浆料,通过成型、干燥和烧结等工艺步骤制备而成。
无论是干法制备还是湿法制备,都需要严格控制工艺参数,以确保透明陶瓷材料具有良好的透明性和稳定性。
最后,透明陶瓷材料在医疗器械、光学器件、航空航天等领域有着广泛的应用。
在医疗器械领域,透明陶瓷材料被用于制备人工晶体、牙科修复材料等,具有良好的生物相容性和耐磨性。
在光学器件领域,透明陶瓷材料被用于制备高性能的光学透镜、激光窗口等,能够满足各种复杂环境下的使用要求。
在航空航天领域,透明陶瓷材料被用于制备航天器的外壳、导弹的窗口等,具有良好的耐高温、耐腐蚀等性能。
总之,透明陶瓷材料具有优异的光学性能和化学稳定性,制备工艺严格,应用
领域广泛。
随着科技的不断发展,透明陶瓷材料在更多领域将会有着更广阔的应用前景。
一种氧化钇透明陶瓷的制备方法
本文介绍了一种氧化钇透明陶瓷的制备方法。
首先,将氧化钇粉末和有机物混合,经过球磨机处理,得到球磨混合物。
然后,将球磨混合物加入有机溶剂中,制备成溶胶。
接着,将溶胶涂覆在基底上,干燥并烧结,得到氧化钇透明陶瓷。
在制备过程中,有机物的添加有助于增加球磨混合物的粘度和稳定性,提高氧化钇颗粒的分散度和均匀性。
有机溶剂的使用则可以使溶胶液体的流动性更好,有利于涂覆和成型。
在烧结过程中,采用适当的温度和时间,可使氧化钇颗粒结晶生长并形成致密的陶瓷结构,从而获得优良的透明性。
此外,在制备过程中还需注意一些问题。
例如,球磨混合物的球磨时间和转速、溶胶的浓度和粘度、烧结温度和时间等都需要进行合理的控制和调整,以保证最终制品的品质和性能。
同时,还需进行一定的表面处理和光学性能测试,以进一步
提高氧化钇透明陶瓷的透明度和均匀性。
总之,该制备方法具有简单、可控、经济、高效等优点,可为氧化钇透明陶瓷的大规模制备和应用提供重要参考。
透明陶瓷的透明原理透明陶瓷是一种具有优秀透光性能的陶瓷材料,能够让可见光尽可能地透过而不发生散射或吸收。
其透明原理主要涉及材料的组成和微观结构,下面将从这两个方面展开讨论。
首先,透明陶瓷的透明性与其组成有关。
通常,透明陶瓷是由无机晶体材料制成的,如二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)等。
这些无机晶体材料具有高度有序的结构,其原子或分子排列非常规律,从而使得透明陶瓷具有透明度高的特性。
例如,二氧化硅在固态中由均匀紧密排列的SiO4四面体构成,这种有规则的排列能让可见光在材料之间自由传播。
而切割成薄片后,透明陶瓷材料能够让可见光透过,使得我们能够清晰地看到透明陶瓷的内部情况。
其次,透明陶瓷的透明性与其微观结构以及光与物质相互作用有关。
透明陶瓷中的晶体在微观上呈现出较小的晶粒尺寸和较少的晶界,这种结构有助于减少杂质的存在,从而减小光的散射和吸收。
另外,透明陶瓷材料通常具有较高的密度,使得光子在材料中传播时与材料发生的相互作用较少。
例如,氧化铝由高纯度的氧化铝粉末烧结而成,其晶体内部几乎没有气孔和缺陷,因此能够实现良好的透明性能。
此外,透明陶瓷材料还可以通过改变其化学成分和制备工艺来调节透明性能。
例如,在氧化铝陶瓷中引入不同的掺杂物或改变烧结温度可以控制晶体的尺寸和形状,从而影响其对光的散射和吸收。
此外,还可以通过热处理和物理外场处理等方法来提高透明陶瓷材料的透明性。
总之,透明陶瓷的透明原理主要涉及其组成和微观结构。
透明陶瓷由有序排列的无机晶体材料构成,其微观结构特点使得光能够在其中自由传播,从而实现高透明度。
此外,改变化学成分和制备工艺也可以调节透明陶瓷的透明性能。
这些透明原理的理解对于研发和应用透明陶瓷具有重要的意义。
第49卷第5期人工晶体学报Vol.49No.5 2020年5月JOURNAL OF SYNTHETIC CRYSTALS May,2°2°Yb:CaF2透明陶瓷的制备与性能研究刘强1,刘阳V,韦家U2"3,谢腾飞2,李江2"3(1.江苏大学材料科学与工程学院,镇江212013;2.中国科学院上海硅酸盐研究所,透明光功能无机材料重点实验室,上海201899;3.中国科学院大学,材料与光电中心,北京100049)摘要:采用共沉淀法合成5w%Yb:CaC2纳米粉体。
该粉体为纯立方CaC2相,平均颗粒尺寸为45nm&Yb:CaC2纳米粉体呈立方体状,具有较好的分散性。
通过真空预烧结合热等静压烧结(HIE)后处理制备5w%Yb:CaC2透明陶瓷,研究了真空预烧温度对陶瓷物相、致密度、显微结构及光学透过率的影响。
结果表明,不同温度真空预烧的陶瓷均为纯立方相,在650i真空预烧的5w%Yb:CaC2陶瓷经H:处理后具有最好的光学质量,其在1200nm处的直线透过率达到87%(厚度为3mm)。
关键词:Yb:CaF'透明陶瓷;显微结构;光学透过率中图分类号:TQ174文献标识码:A文章编号:1OOO-985X(2O2O)O5B799B5 Preparation and Properties of Yb:CaF2Transparent CeramicsLIU Qiang1,LIU Yang1,2,WEI Jiabei,XIE Tengfe2,LI Jiang"2,3(1.Co a e geooMateooaasScoence&Engoneeoong Joangsu Unoveosoty Zhenaoang212013%Chona;2.Key Labo oato oy o oToanspaoentOpto-Functoon InooganocMateooaas ShanghaoInstotuteooCeoamocs ChoneseAcademyooScoences Shangha o201899%Chona;3.CenteoooMateooaasScoenceand OptoeaectoonocsEngoneeoong UnoveosotyooChoneseAcademyooScoences Be oaong100049%Chona)Abstract:5at%Yb:CaC2nano powders were synthesized by the ce-precipitaCon method.The powder is pure cubic CaC2phase and the average particle size was about45nm.Meanwhile,the Yb:CaC2nano powders arc well-distributed and the shape of small particles is close to cubic.5at%Yb:CaC2transparent ceramics were fabricated by vvcuum sinCring combined with hot isostatic pressing(HIE)post-treatment.The Oeuences of vvcuum pre-sintering temperature on the phase,densification,microstructure and opPcai transmission of the ceramics were studied.The results show that all the ceramics pre-sintered in vacuum at dOerent temperatures are still pure cubic phase.After HIE post-Ceatment,5at%Yb:CaF2ceramics with the thickncs of3mm pre-sintered a-650i under vacuum have the best optical quality and the in-line transmittance reaches 87%at1200nm.Key worlp Yb:CaC2;transparent ceramics;microstructure;optical transmission0引言随着固体激光器的不断发展,其应用范围也不断拓宽&激光增益介质材料作为固体激光器的核心部件,其应用性能要求也随之提高*T&Yb:CaF2材料具有较高的热导率和宽的发射带,有利于超短脉冲激光的产生和放大。
透明陶瓷市场需求分析1. 引言透明陶瓷是一种具有高度透明性和耐高温、耐腐蚀性的陶瓷材料,在多个应用领域具有广阔的市场前景。
本文将对透明陶瓷市场的需求进行分析,并探讨其市场潜力及未来发展趋势。
2. 市场规模分析透明陶瓷市场的规模可从多个角度进行分析。
首先,从产品类型角度,透明陶瓷市场可分为透明氧化铝陶瓷、透明氮化硅陶瓷等多个子市场。
其中,透明氧化铝陶瓷市场规模较大,占据了市场的主导地位。
其次,从应用领域角度,透明陶瓷市场可广泛应用于光学、航天航空、电子、医疗器械等多个领域。
以光学领域为例,透明陶瓷在高清摄像头、光学透镜等产品中有广泛应用。
根据市场调研数据,透明陶瓷市场在过去几年呈现出稳步增长的态势。
预计未来几年,随着技术的进一步成熟和应用领域的不断扩展,透明陶瓷市场规模将继续扩大。
3. 市场需求分析3.1 技术需求透明陶瓷市场的发展离不开核心技术的支撑。
目前,透明陶瓷的制备技术还存在一些难题,如制备工艺复杂、产能低、成本高等。
因此,市场对于技术水平更高、制备工艺更稳定的透明陶瓷产品的需求持续存在。
3.2 产品需求透明陶瓷市场的产品需求主要体现在以下几个方面:•光学领域的需求:透明陶瓷在光学领域有广泛应用,如高清摄像头、光学透镜等。
随着消费电子产品的普及以及高清影音需求的增加,透明陶瓷在光学领域的需求也将持续增长。
•航天航空领域的需求:透明陶瓷具有耐高温、耐腐蚀的特性,因此在航天航空领域有很大的应用潜力。
例如,透明陶瓷可以用于制作航天器的窗口材料,以提供更好的耐高温、耐冲击的性能。
•电子领域的需求:透明陶瓷在电子领域中有多个应用,如电子器件的封装材料、电子陶瓷电容器等。
随着电子产品的不断更新换代,透明陶瓷在电子领域的需求也将呈现增长趋势。
•医疗器械领域的需求:透明陶瓷在医疗器械领域有广泛应用,如人工关节、牙科修复材料等。
随着人口老龄化程度的加剧,透明陶瓷在医疗器械领域的需求也将逐渐增长。
3.3 市场竞争分析透明陶瓷市场目前竞争激烈,主要来自于国内外的制造商。
稀土掺杂对透明陶瓷性能的影响咱们先来聊聊啥是透明陶瓷哈。
您想啊,陶瓷一般给咱的印象就是那种硬邦邦、不透明的家伙。
可这透明陶瓷,就像是陶瓷家族里的“神奇宝贝”,它居然能透光!这可太有意思了。
我记得有一次去一个实验室参观,那里面就有研究透明陶瓷的。
我看到那些小小的陶瓷片放在灯光下,居然能透出柔和的光线,就像一片片神秘的魔法镜片。
当时我就特别好奇,这到底是咋做到的呢?其实啊,这里面稀土掺杂就起了大作用。
稀土元素就像是陶瓷性能的“魔法调料”。
比如说,掺进去一点儿钇,这透明陶瓷的硬度可能就蹭蹭往上涨。
就像一个本来有点软弱的小朋友,吃了营养剂一下子变得强壮起来。
再比如镧元素,加进去之后,透明陶瓷的光学性能那叫一个棒!原本可能只能透一点点光,现在简直变成了光线的“超级通道”,光在里面跑得那叫一个欢快。
还有铕元素,它能让透明陶瓷的发光性能变得超级厉害。
想象一下,晚上要是有个用这种掺杂了铕的透明陶瓷做的小夜灯,那柔和又漂亮的光,多温馨啊。
稀土掺杂可不只是简单地把这些元素扔进去就行。
这就好比做菜,调料放多放少、啥时候放,那都是有讲究的。
要是掺杂的量不对,或者掺杂的方式不合适,那透明陶瓷的性能可能不但没变好,反而还变差了。
就像有一次实验,研究人员不小心把稀土元素加多了,结果做出来的透明陶瓷变得又脆又不透光,就像是一个失败的作品。
大家那叫一个郁闷,然后又得重新调整配方,重新开始实验。
稀土掺杂还能影响透明陶瓷的热稳定性。
有时候,经过稀土掺杂的透明陶瓷,在高温环境下依然能保持良好的性能,就像一个坚强的战士,不怕高温的“烤验”。
而且啊,不同的稀土元素组合掺杂,效果也不一样。
这就像是不同的水果搭配在一起能做出不同口味的果汁一样。
有的组合能让透明陶瓷在光学性能上大放异彩,有的能让它在机械性能上出类拔萃。
总的来说,稀土掺杂就像是给透明陶瓷施了魔法,让它拥有了各种各样神奇的性能。
但这魔法也得用得恰到好处,不然可就不灵啦。
从那次实验室的参观经历之后,我对透明陶瓷和稀土掺杂的关系就一直充满了好奇和关注。
透明陶瓷的制备与用途摘要一般陶瓷是不透明的,但是光学陶瓷像玻璃一样透明,故称透明陶瓷。
目前制备透明陶瓷的方法主要有:透明Al 2O 3陶瓷制备;无水乙醇注浆成型制备YAG透明陶瓷; Y2 O 3透明陶瓷等。
主要的制备过程与传统陶瓷基本一致,大体上也要经过原料选择,成型,干燥,烧成等步奏。
透明陶瓷的透光性好,机械强度和硬度都很高,能耐受很高的温度,即使在一千度的高温下也不会软化、变形、析晶。
电绝缘性能、化学稳定性都很高。
决定了它的用途将比传统陶瓷更广泛,更先进。
目前主要用于生产工业生产和军事上用于防止强光损伤眼睛的护目镜;透光的灯罩;红外测试仪的外壳;ALON还可以用于防弹材料,超市条码扫描器窗口等方面;我国研制的激光透明陶瓷也广泛用于军事中。
未来透明陶瓷必将在日用生活中发挥更广泛的作用。
关键词透明陶瓷;烧结;制备;用途;未来引言一般陶瓷是不透明的,但是光学陶瓷像玻璃一样透明,故称透明陶瓷。
一般陶瓷不透明的原因是其内部存在有杂质和气孔,前者能吸收光,后者令光产生散射,所以就不透明了。
因此如果选用高纯原料,并通过工艺手段排除气孔就可能获得透明陶瓷。
早期就是采用这样的办法得到透明的氧化铝陶瓷,后来陆续研究出如烧结白刚玉、氧化镁、氧化铍、氧化钇、氧化钇 - 二氧化锆等多种氧化物系列透明陶瓷。
近期又研制出非氧化物透明陶瓷,如砷化镓、硫化锌、硒化锌、氟化镁、氟化钙等。
它对原料以及制造工艺的要求相当严格,例如,原料必须要有很高的纯度和粒度。
因此透明陶瓷的价格很昂贵,是现代陶瓷中的高级制品。
正文1几种先进的透明陶瓷的制备方法透明 Al 2O 3 陶瓷制备的研究进展 1.1.1 放电等离子烧结( SPS )透明氧化铝陶瓷的 SPS 烧结近几年也得到研究和探索。
Dibyendu【1】以平均粒径为 100 nm 的高纯 Al2O3 为原料,在不使用任何添加剂的情况下采用 SPS 烧结,工艺条件为压力 275 MPa ,最高烧结温度 1150℃,制备了平均晶粒尺寸为 0.3μ m ,硬度达到 23 GPa 的透明氧化铝陶瓷。
Jiang 等【2】采用高纯纳 米 Al 2O 3 粉 ( > 99 . 995%) , wt%MgO( 以Mg ( NO )3 形式加入 ) 作为烧结助剂, SPS 烧结工艺为真空条件下 90 MPa 压力,在3min 内温度从室温升至 600 ℃,然后快速升温至 1300 ~ 1700 ℃,保温 3 ~5 min 。
结果表明, 1300 ℃ × 5 min 条件 SPS 烧结的试样达到完全致密化,晶粒尺寸仅为 0.5 ~ 1 μm ,在中红外区透光率可达 85%,而经 1700 ℃ × 3 min条件下 SPS 烧结试样,晶粒尺寸迅速增大至 5μm 左右。
Michael 【3】等 同样采 用 SPS 烧结制备了透明氧化铝陶瓷,并研究SPS 过程中添加剂种类及含量对Al 2O 3 透光性的影响。
研究发现使用 Mg 、Y 、 La 三元复合添加剂,总质量为 450ppm 时,Al 2 O 3 陶瓷的直线透光率能达到。
57%1.1.2 微波快速烧结微波烧结是利用材料在微波电磁场中的介电损耗使陶瓷及其复合材料整体加热至烧结温度而实现致密化的快速烧结技术。
微波烧结速度快、 时间短, 从而避免了烧结过程中陶瓷晶粒的异常长大,最终可获得高强度和高致密度的透明陶瓷。
【4】Cheng 等 研究发现微波烧结氧化铝在加入百分比为 0.05% 氧化镁烧结助剂的条件下烧结 45 min 就可以得到密度为3. 97 /cm3,平均粒径为40 μ m 透明性能优异的氧化铝陶瓷。
但是,微波烧结有其本身的问题,如控温准确度, 温度场均匀性等, 这往往会产生氧化铝晶体晶粒尺寸的差别非常大,从而影响材料质量的稳定性。
无水乙醇注浆成型制备 YAG 透明陶瓷实验所用原料为纯度 %的国产微米 Y 2 O 3 粉和亚微米 AL 2O 3 粉. 实验流程如图1 所示 , 精确称量 ( 精确到 Y2 O3 (33.8715g) 和 AL 2O 3 (25.4903g) 粉体 , 把称量的粉体放入干净的装有 Al2O3 磨球 ( 球料比 2:1) 的 AL 2O 3 球磨罐中 . 把%的正硅酸乙酯 (TEOS, 分子式 S i ( OC 2H 5 )4 ) 滴入 28mL 无水乙醇中 , 然后倒入球磨罐中 , 封紧后以 120r/min 的速度球磨 12h. 球磨结束后打开球磨罐滴入一定量的氨水 , 调节 pH 值至 9( Y 2 O 3 和 AL 2 O 3 的等电点 ), 然后继续球磨 10min 以混合均匀 . 把球磨后的浆料倒入石膏模具中在低温下干燥 48h, 随后在空气气氛下于 600℃煅烧 2h, 除去残留的 TEOS. 把得到的素坯置于真空炉中进行烧结 ,以 10℃ /min 升温至 1800℃并于 10?3Pa 下保温 20h, 然后以 10℃/min 冷却至室温 . 把烧结后的样品放入马弗炉中 , 在空气气氛下 1450℃保温 10h 进行退火处理以消除真空烧结过程中产生的氧空位 .XRD 物相分析采用日本Rigaku 公司的D/Max-2550V 型 X 射线衍射仪 , 测试条件为 : CuKα射线 , λ=, 2θ角扫描范围为 10 ~ 70 ,狭缝宽度为0.3mm. 直线透过率测试所用设备为瓦里安公司的 VARIAN CARY 5000分光光度计 , 所有测试均在室温下进行 . 测试前 , 样品先经过双面抛光处理 , 最后一道抛光工序使用μm 的金刚石研磨膏 . 采用日本JEOL 公司的JSM-6700F 型场发射电子扫描电镜(FESEM) 观察陶瓷热腐蚀后的表面形貌 ,热腐蚀过程如下:把双面抛光后的样品清洗干净,然后在空气气氛下于 1500℃热处理 1~3h, 直到在光学显微镜下能观测到清晰的晶界为止【5】.Y 2 O 3透明陶瓷的研究进展1.3.1粉体的合成方法固相化学反应法将 Y(NO 3 )3 ?6H2O 与乙二酸按 1 ∶2 ( 物质的量比 ) 混合 , 在玛瑙研磨钵中研磨分散后放入玛瑙球磨罐中, 用球磨机球磨 3 h 至反应完全。
产物经过滤、干燥、热分解, 制得Y2O3纳米粉末【6】。
1.3.2成型双向压制是对单向压制的改进, 坯体的密度分布为两边大中间小。
采用这种方式宜采用“一轻、二重、慢提起”的加压方式, 对操作人员技术要求较高。
即开始加压时压力应小些, 以利于空气排出; 然后短时间内释放此力, 使受压气体逸出。
初压时坯体松 , 空气易排 , 可稍快加压 ; 当用高压使颗粒靠拢后 , 必须缓慢加压 , 以免残余空气无法排出 , 在释放压力后 , 空气膨胀 , 回弹产生层裂。
当坯体较厚或粉料颗粒较细 , 流动性低时 , 则宜减慢加压速度 , 延长保压时间。
为提高压力的均匀性 , 宜采用多次加压。
最后提起上模时要轻缓 , 防止产生裂纹。
1.3.3高温烧结热等静压集热压和等静压的优点于一身 , 施加压力高 , 并且使粉体受到各向同性的压力 , 因而制备出的陶瓷显微结构均匀 , 产品致密化程度高 , 性能优良。
其烧结机理与 HP一样与物质的黏性流动和塑性流动有关。
HIP 的缺点是设备昂贵、生产效率低【7】。
2透明陶瓷的用途用途广泛的透明铁电陶瓷随着陶瓷科技的发展,透明陶瓷家族中又诞生了一个多能的宠儿——透明铁电陶瓷。
它除了像玻璃般的透明外,还有一般铁电陶瓷的特征。
它一问世,就引起了世界各界的高度重视。
那么,透明陶瓷究竟是什么东西?“透明”无需多加解释了。
铁电陶瓷却不能简单地说它是含铁的陶瓷,一般铁电陶瓷本身都不含铁,而透明铁电陶瓷一旦含有少量的铁就会大大改变它的光学性能,稍多一点就会使它不透明了。
“铁电”二字的由来只是因为它具有和铁磁体相对应的一些性能。
众所周知,磁铁具有磁性,进一步研究指出,磁铁的磁性是因为在磁铁中存在磁畴,磁畴是由许多小的磁矩按相同方向排列组成的区域,这些磁畴能在外磁场的作用下,按外磁场的方向转动方向。
在铁电体中,存在着有许多小的电矩按相同方向排列组成的区域,与磁畴十分相似,人们称之为电畴。
电畴能在外电场作用下转向,当外电场取消后,已转向的电畴并不全部回复到原来的位置,表现有剩余的极化,电畴在外电场作用下的转向也会引起铁电体的机械形变——电致伸缩。
由于这些电性与电磁体的磁性几乎一一对应,人们就称它为铁电体。
而透明性铁电陶瓷,就是一种透明的多晶铁电体。
工业生产中,可用作生产防止电焊强光的护目镜;军事上,也可生产防止爆炸产生的强光的透明陶瓷护目镜,目前已被光放使用【8】。
目前最先进的透明陶瓷的用途最早是使用在灯具上。
高压钠灯是一种发光效率很高的,但在钠蒸气放电时产生 1000℃以上的高温,具有很强的腐蚀性,玻璃灯管根本没法耐受,所以高压钠灯一直没能问世,直到有了透明陶瓷,高庄钠灯才得到实际应用,除高压钠灯外,透明陶瓷还使用于其它新型灯具,如艳灯、铷灯、钾灯等。
向尾蛇导弹头部的红外探测器,外面有一个整流罩,它不仅要有足够的强度,还要能透过红外线,以确保导弹能跟踪敌机辐射的红外线。
担当此任的材料只有透红外陶瓷,响尾蛇导弹的整流罩就是用透红外陶瓷做的。
美国空军研究实验室与美国 Surmet 公司一起对以特殊透明陶瓷为基础的新型防弹护板进行了试验,最近几年 Surmet 公司一直坚持研究这种透明陶瓷。
新型材料进入市场的商标为ALON,它是“氮氧化铝”的缩写,ALON是一种多晶体,并且完全是透明的,其晶粒大小为80~250 微米。
从外表看ALON板就像蓝宝石, ALON的化学公式为 Al(64+x)/3O32-xNx ,式中的 X 可以从 2 到 5。
在最近的试验中由几层 ALON、玻璃和聚合物组成的双层中空玻璃出色地经受了从 7.62 毫米口径手枪连续射出的穿甲弹,同时双层中空玻璃的重量比普通防弹玻璃轻一半。
ALON可以在各个领域找到广泛应用,例如利用它可以制成特别耐磨损的超市条码扫描器窗口。
但是要大量推扩应用 ALON的障碍是其价格比传统防弹玻璃贵 3~5 倍,此外还需要对建造新型炉子进行大量投资,以便能制取在工业规模中应用的大量材料。
但是 ALON的低重量与高强度比产品的价格更为重要,它已经显示出其不可替代的优点。
中国研制的用于军事的激光透明陶瓷中科院上海硅酸盐研究所自主研制成功的激光透明陶瓷 , 标志着我国在激光材料方面的研究取得重大突破, 成为世界上仅有的几个掌握这一尖端技术的国家之一。
据中科院上海硅酸盐研究所潘裕柏研究员介绍 , 透明陶瓷采用高纯原料 , 在真空或氢气条件下烧结制成 , 其相对理论密度通常高达 %。