傳統(tǒng)的透明材料包含玻璃、聚合物和堿金屬等，這些透明材料都存在鍵合強(qiáng)度弱，化學(xué)穩(wěn)定性差等劣勢。而單晶無機(jī)材料雖然相對(duì)傳統(tǒng)透明材料擁有更高的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，但其生長過程十分緩慢，制備條件苛刻，因此具備高強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性的透明陶瓷成為一種可靠的替代品。

1976 年制備出的第一塊 AlON 透明陶瓷

透明陶瓷的出現(xiàn)始于20世紀(jì)50年代，被 Coble成功制備。經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，陶瓷領(lǐng)域的科研工作者們通過改進(jìn)透明陶瓷的成型與燒結(jié)工藝，使得透明陶瓷在力學(xué)、光學(xué)以及產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用方面均取得了巨大進(jìn)步，在固態(tài)激光、光學(xué)器件、光電器件、透明陶瓷窗口等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用前景。

一、透光率的重要性

既然都被稱為“透明陶瓷”了，那么透光率自然是衡量其性能的決定性因素。透光率是指光線穿過材料時(shí)的透射比例，通常以百分比表示。它反映了材料透明度的程度，即光線能夠穿透材料的程度。透光率高的透明陶瓷可以讓更多的光線穿透，對(duì)許多應(yīng)用來說非常重要。如：

l 光學(xué)器件：在制造光學(xué)透鏡、窗戶、激光器件等方面，需要透光率高的材料以確保良好的光學(xué)性能。

l 醫(yī)療器械：在某些醫(yī)療設(shè)備中，需要透明陶瓷有足夠高透光率，才能允許醫(yī)生或病人觀察內(nèi)部情況。

l 防護(hù)用具：透明陶瓷可用于制造防護(hù)面罩、眼鏡和其他防護(hù)用具，透明度和抗沖擊性能都很重要。

下圖是半透明、介質(zhì)透明與全透明陶瓷的對(duì)比圖。對(duì)于透明陶瓷，德國Fraunhofer研究所Krell等人嚴(yán)格區(qū)分了“透明”與“半透明”兩個(gè)概念，Krell等人認(rèn)為只有與物體隔著一定距離而仍然具有良好透明度的陶瓷才是透明陶瓷，否則只能稱為半透明陶瓷。

那么到底該怎么提升透明陶瓷的透光率？就需要追本溯源，找到影響透光率的因素是什么。

二、影響透光率的因素

目前，影響透明陶瓷透光度的主要有以下四方面：

1、原料的影響

①原料的晶體結(jié)構(gòu)與缺陷：透明陶瓷的透明性，由晶體結(jié)構(gòu)所決定。晶向不同導(dǎo)致折射率不同，晶界會(huì)降低透光率。

②原料的純度與粒度：雜質(zhì)的存在會(huì)形成光的散射中心，減弱透射光的強(qiáng)度，大大降低透明度。

③原料的分散性：分散均勻的顆粒，能夠保障高的燒結(jié)活性。研究表明，制備理想的透明陶瓷，除需要高純度的、顆粒細(xì)小的原料，制備過程中不能引入雜質(zhì)、顆粒應(yīng)呈等軸狀外，顆粒之間還不能產(chǎn)生明顯的團(tuán)聚。

2、燒成工藝

①氣體介質(zhì)：透明陶瓷須在真空、氫氣氛等氣氛中燒成，以保證氣體的排除。氣體的正確選擇也是保證透明陶瓷擁有高透過率的要素之一。

②燒成溫度：透明陶瓷的透明度受燒成溫度影響。高的燒結(jié)溫度利于透明陶瓷中的氣孔的排出，進(jìn)而保證光學(xué)透過率。

不同溫度下燒結(jié)得到的Al₂O₃陶瓷片，隨著溫度提高，對(duì)可見光的透過率增大

③燒結(jié)添加劑：添加劑可以控制晶界結(jié)構(gòu)，降低燒結(jié)溫度，同時(shí)有利于氣孔的進(jìn)一步排除，從而有利于得到透光率高的透明陶瓷。

TiO₂/CaO助燒劑共滲熱等靜壓制備的氧化鋁透明陶瓷掃描照片

3、微觀結(jié)構(gòu)

①陶瓷的晶粒尺寸：透明陶瓷的透光率同樣受晶粒的分布和尺寸大小影響。當(dāng)晶粒尺寸與光波相比擬時(shí)，透光率最低，應(yīng)盡量增大透明陶瓷的晶粒尺寸。但當(dāng)晶粒過大或發(fā)生晶粒的異常長大時(shí)，會(huì)將氣孔包裹在晶粒內(nèi)，從而大大影響了透過率，同時(shí)晶粒過大時(shí)會(huì)導(dǎo)致材料的強(qiáng)度降低，因而晶粒尺寸不宜過大。

②相組成與晶界結(jié)構(gòu)：透明陶瓷中，相組成不同會(huì)導(dǎo)致折射率不同。如在氧化鋁中，氧化鎂含量高于 0.5mol%時(shí)會(huì)導(dǎo)致透光率顯著降低，因此透明陶瓷要求為純相。透明陶瓷的顯微結(jié)構(gòu)會(huì)影響其透光率，特別是晶界。因此，要獲得高的透光率，除了晶界薄，光匹配性好外，氣孔和位錯(cuò)等缺陷同樣要降低。

③氣孔率：氣孔率是影響透明陶瓷光學(xué)透過率的最大因素。在透明陶瓷中，當(dāng)氣孔與晶粒的折射率差最大時(shí)，光線的散射也最大。氣孔是導(dǎo)致普通陶瓷不透明的原因。因?yàn)闅饪妆旧淼恼凵渎蕵O低，且會(huì)對(duì)入射光產(chǎn)生強(qiáng)烈的散射，進(jìn)而大大降低陶瓷的透明度。

4、表面加工光潔度

透明陶瓷的表面光潔度同樣影響其透光率。研磨后具有一定表面光潔度的透明陶瓷的透過率比粗糙陶瓷的透過率高 10%左右，精細(xì)拋光后更可達(dá)到 80%以上。

但透明陶瓷是硬脆難加工材料，不僅要保證高加工精度、低表面粗糙度和高生產(chǎn)效率，同時(shí)更要注重不破壞被加工表面的性能，保持本體表面的完整性。為了減小表面粗糙度和加工變質(zhì)層深度，并提高加工效率，在超精密拋光之前先進(jìn)行精密研磨，改善樣品的表面粗糙度和平面度。然后采用化學(xué)機(jī)械拋光去除機(jī)械作用加工殘留的表面變質(zhì)損傷層，進(jìn)一步提高表面質(zhì)量和精度。

總結(jié)

以上是影響透明陶瓷的幾大因素，大家也可以通過下方示意圖進(jìn)行直觀地理解。

影響陶瓷透明度的因素示意圖

①晶界；②氣孔；③雜質(zhì)；④雙折射；⑤第二相；⑥表面粗糙度

總之，透光率對(duì)于透明陶瓷非常重要，它決定了材料在各種應(yīng)用中的可行性和效能。通常情況下，制造透明陶瓷的目標(biāo)之一是盡量提高透光率，以滿足特定用途的要求。除此之外，成本控制也至關(guān)重要，特別是在商業(yè)和工業(yè)應(yīng)用中，只有兩個(gè)目標(biāo)都達(dá)成，透明陶瓷才能具備足夠高的競爭力。因此，如何實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、成本效益高的透明陶瓷制造將是該領(lǐng)域的主要挑戰(zhàn)。

資料來源：

李豪偉.基于透明陶瓷的二元光學(xué)元件的設(shè)計(jì)與制作[D].江西:南昌航空大學(xué),2015.DOI:10.7666/d.D687365.

魏光平.透明陶瓷用氮氧化鋁粉體材料的制備研究[D].四川:西華大學(xué),2021.

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