透明陶瓷是一種利用陶瓷材料光學性質的新型陶瓷，除具有傳統陶瓷的典型特性外，兼具玻璃的光學特性。目前，氧化鋁透明陶瓷已經被廣泛應用于高壓鈉燈、陶瓷金鹵燈的發光燈管、LED用封裝基片以及高溫紅外探測窗口等。但是基于α-Al₂O₃的本征性質，即六方晶系的晶界雙折射問題，氧化鋁透明陶瓷的直線透過率一般較低，通常為30%以下，如何提高氧化鋁陶瓷的透過率一直是一個難題。

目前提升氧化鋁陶瓷透過率的主流方法有兩種：

1.減少晶粒尺寸。通常當氧化鋁陶瓷的晶粒尺寸小于光波長時，自身的雙折射效應會被減弱，使陶瓷的透過率大大提升。不過這種方法并不能本質上解決晶界的雙折射問題，陶瓷透過率在紫外光波長范圍內也會急速下降；

2.構造晶粒定向。例如將氧化鋁陶瓷漿料置于強磁場中，利用氧化鋁不同取向磁化系數的差異，使陶瓷粉體在磁場作用下發生扭轉，讓陶瓷粉體在單一方向達成定向排布，并最終經過燒結制備具有晶粒定向結構的陶瓷，光沿晶粒定向通過陶瓷時就不會發生折射，使陶瓷透過率大幅提升。但是強磁場只能在小模具中得以實現，并且強磁場對實驗設備要求較高，難以實現大尺寸透明陶瓷的制備和大規模的生產。

因此，需要進一步探索更簡單的調控氧化鋁陶瓷晶粒性質以提升其透過率的制備方法。

類單晶結構透明陶瓷的發展歷程

受磁場定向所制備的陶瓷透過率大幅提升的啟發，曾有研究者采用片狀氧化鋁粉借助熱壓燒結制備出了接近了類單晶結構的氧化鋁透明陶瓷，陶瓷透過率提升至65.4%，陶瓷透過率較磁場定向所制備的透過率仍有差距的原因是陶瓷的密度與取向度并不足夠高，但也為提高氧化鋁透明陶瓷透過率提出了新思路。

除了多晶透明氧化鋁陶瓷，也有人借助固態單晶轉化法(solid-state single-crystal conversion)將多晶陶瓷轉化為單晶態，以此得到具有優異光學和力學性能的藍寶石單晶。固態單晶轉化法利用了多晶中晶粒異常長大的現象，因此該方法不需要昂貴的設備，采用的設備即為傳統陶瓷制造設備。從理論上講，在多晶體中，一個大晶粒或種子晶體會吞并所有其它晶粒，多晶體最終就會變成一個單晶體。對于單晶的固態轉換，多晶的晶粒生長必須被抑制（或最小化），而種子晶體的生長必須在不受基質晶粒影響的情況下發生。因此，多晶的微觀結構控制至關重要。

總而言之，隨著半個多世紀的發展，氧化鋁透明陶瓷的光學性能和力學性能都有了很大幅度的提升，晶粒結構逐漸趨于細小均勻和織構化，其中類單晶結構氧化鋁透明陶瓷具有廣闊的應用前景，對于織構化氧化鋁透明陶瓷的制備有待深入研究。

類單晶結構陶瓷的織構化技術

陶瓷的性能除了受本身晶體結構的影響外，同時也受到微觀結構的影響，陶瓷的微觀結構主要包括晶粒、晶界和氣孔三部分。其中，晶粒的尺寸及分布、排布方式和堆積密度等對陶瓷性能影響最大。陶瓷內的晶粒大多都是無序排布，這也就導致多晶體的性質一般為各向同性，各向同性的結構會使得“性能平均化”，無法單獨呈現某個晶面的性質，即在特定方向將某項性質最大化。

因此，如果能采用一些微結構調控手段，使陶瓷晶粒沿著某些特定方向進行規則排列或在這些方向上出現取向幾率增大，就可以大幅度提高陶瓷性能，故織構化陶瓷，即類單晶結構陶瓷的制備成為人們研究的熱點。

目前，制備織構化陶瓷最常用的方法包括機械力學成型法和晶粒定向生長法。

1.機械力學成型法

機械力學成型法是在材料制備過程中通過施加外力來促使晶粒取向的方法，包括熱壓、熱鍛、熱軋和冷軋等。其中熱加工技術是最早實現應用的織構化技術，主要通過在高溫燒結或熱處理過程中施加單軸壓力使晶粒定向來制備織構化結構。

對于陶瓷而言，單軸壓力可導致晶粒扭轉和擇優取向生長，同時，外界壓力也能促進陶瓷的致密化和降低陶瓷燒結溫度。

陶瓷熱壓燒結

對于屬于六方晶系的陶瓷材料，晶粒通常呈板片狀或棒狀，很容易在熱加工過程中通過晶粒扭轉形成織構化結構。α-Al₂O₃和h-BN等傾向于沿a、b軸方向生長，所以c軸容易平行于壓力方向排布，即形成c軸取向的板片狀織構化結構。

板狀氧化鋁結構

熱加工是一種簡單有效的織構化陶瓷的制備方法，所制備陶瓷的織構化程度可以達到90%以上，雖不能實現準立方晶體的織構化，但適用于氧化鋁陶瓷，不過熱加工過程很容易引入缺陷，影響陶瓷性能。

2.模板晶粒生長法

模板晶粒生長法是一種通過在基體晶粒中加入模板晶粒來誘導晶粒定向制備織構陶瓷的方法。模板晶粒一般具有不規則的形狀，如板片狀、棒狀等。

首先將模板晶粒分散到基體（等軸晶）中，然后通過流延成型或者擠出成型等方式將模板定向均勻分布在基體晶粒中，得到陶瓷素坯。素坯干燥、排膠之后會進行燒結，一般會選用壓力燒結或者無壓的液相燒結來促進定向生長，燒結過程中在界面曲率驅動力和粉體表面自由能的推動下，基體在模板上沿模板方向生長，從而使得陶瓷晶粒實現定向排列。

模板晶粒生長法可根據模板晶粒與基體晶粒在組成上的不同，分為同質模板晶粒生長法和異質模板晶粒生長法，同質模板晶粒生長法中模板晶粒與基體晶粒為同種材料，大晶粒在生長過程中吞并小晶粒；異質模板晶粒生長法中模板晶粒與基體晶粒為異種材料，但兩者具有相近的晶體結構，由于晶格匹配，基體晶粒的成核可以發生在模板表面，并以異質外延的方式生長，隨著基體晶粒的生長，基體晶粒的形貌與模板趨于相同，從而得到具有織構化結構的陶瓷。

通過（a）擠出和（b）流延成型制備含定向晶種的陶瓷

模板晶粒生長法制備過程簡單高效，已經廣泛的應用于多種體系的織構化陶瓷制備中，不過與僅使用等軸晶相比，其致密化過程受到抑制，難以制備完全致密的陶瓷。

3.反應模板晶粒生長法

反應模板晶粒生長法是在模板晶粒生長法基礎上發展起來的一種織構化陶瓷制備方法，與模板晶粒生長法不同，反應模板晶粒生長法的模板一般為產物的某種前驅體，在燒結過程中不僅起到定向的作用，還需參與化學反應。首先將模板定向地排布在原料粉中，在燒結過程中，模板與原料粉反應生成的最終產物，產物晶粒定向在模板上成核生長，并最終形成具有織構化結構的陶瓷。

這種方法的模板的選擇更為廣闊，但是由于燒結過程中同時完成反應燒結與晶粒定向生長兩個過程，因此一般反應模板晶粒生長法制備的陶瓷坯體的體積收縮率比較大。

4.其它織構化技術

除了上訴的一些織構化制備技術，還有一些新型的織構化技術受到越來越多的關注，比如冷凍鑄造和激光快速固化技術等。

冷凍鑄造：將陶瓷漿料在受控的溫度梯度下單向冷凍，然后通過升華除去溶劑，這樣就形成了由陶瓷顆粒組成的層狀多孔支架，支架的結構可通過控制溶劑的冷凍動力學來調節，通過后續的燒結過程即可制備得到具有片層型織構化的陶瓷。冷凍鑄造過程中由于溶劑的升華所殘留的孔隙一般較多，在后續的燒結過程中也很難致密，所以冷凍鑄造一般用于多孔陶瓷的制備。

冷凍鑄造過程示意圖

激光快速固化技術：這種方法可以在幾分鐘的時間內在材料表面形成數層織構化結構，不過目前激光快速固化技術仍處于探索階段，固化深度有限，多用于對材料的表面修飾，難以制備具有完全織構化結構的整塊陶瓷。

激光快速固化制備的陶瓷顯微結構示意圖

總結

織構化陶瓷具有明顯的各向異性，在特定方向具有較高的強度和韌性。由于光子散射的各向異性，沿晶粒取向方向的透過率也高于垂直于晶粒取向方向的透過率，目前基于織構化技術制備透明陶瓷是一種值得研究的方向，而透明陶瓷對致密度要求較高，如何進一步提升織構化陶瓷的致密度是其關鍵。

參考來源:

類單晶結構氧化鋁透明陶瓷的形成機制及制備，陳晗（中國科學院上海硅酸鹽研究所）。

粉體圈小吉

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