氧化鋁（半）透明陶瓷對可見光和紅外光具有良好的透過性，同時也具有高溫強度大、耐熱性好、耐腐蝕性強及電阻率大等特點，可應用于高壓鈉燈、金屬鹵化物燈等高強度氣體放電燈的放電管、微波集成電路基片、矯治牙齒用透明陶瓷托槽以及透紅外窗口材料等。

科研工作者發現，通過提高氧化鋁的純度、致密度以及合理的調控顯微結構，可以顯著提高氧化鋁陶瓷的透光性。下文將影響氧化鋁陶瓷透明性的因素及氧化鋁陶瓷的制備技術要點做一個簡單的總結。

一、影響氧化鋁陶瓷透明性的因素

透明陶瓷的一個關鍵性能在于其透光度。當光通過某一介質時，由于介質的吸收、表面反射、散射和折射等效應會使光線損失，光強衰減（可以簡單的理解成，透明度差的材料，光線損失相對較多）。這些衰減除了與材料的基本化學組成有外，還取決于此材料的顯微組織結構。下面將對影響陶瓷透光度的因素做個小總結。

1、陶瓷的氣孔率

透明陶瓷的制備過程實質上就是在燒結過程中完全排除顯微氣孔的致密化過程，材料中的氣孔尺寸、數量、種類都會對陶瓷材料的透明性產生顯著影響。

氣孔率的微小變化可顯著改變材料透光率。舉個例子，有研究表明，陶瓷體中的閉口氣孔率從0.25%變為0.85%時，透明度降低33%。盡管這可能是在某種特定情況下的結果，但從某些程度上我們可以看出氣孔率對陶瓷透明度的影響是會很直接暴力的體現。又有研究數據表明，氣孔體積占3%時，透光率0.01%，0.3%時，透光率10%。因此，透明陶瓷一定要提高致密度，降低氣孔率，通常致密度大于99.9%。

除了氣孔率，氣孔的直徑對陶瓷的透光率也有跟大的影響。如下圖所示，我們可以看出當氣孔直徑與入射光波長相當時，透過率最低。

氣孔率為0.1時 氧化鋁透明陶瓷的線性透過率與氣孔直徑的關系

2、晶界結構

晶界是破壞陶瓷體光學均勻性，從而引起光的散射，致使材料的透光率下降的重要因素之一。陶瓷材料的物相組成通常包含兩相或更多相，這種多相結構容易導致光在相界表面上發生散射。材料的組成差異越大，折射率相差越大，整個陶瓷的透光率越低。

因而透明陶瓷晶界區應微薄、光匹配性好、無氣孔及夾雜物、位錯等。具有各向同性晶體的陶瓷材料可以達到與玻璃相近的直線透光率。

3、晶粒尺寸

陶瓷多晶體的晶粒尺寸對透明陶瓷的透光率也有很大的影響，當入射光波長相當于晶粒直徑時，光的散射效應最大，透光率最低。因此為提高透明陶瓷的透光率，應將晶粒粒徑控制在入射光的波長范圍之外。

舉個例子：就可見光透明陶瓷材料而言，需避免尺寸為0.4-0.75μm的晶體的存在。晶粒尺寸測量：在晶相顯微鏡直接觀察到晶粒的直接照晶相照片就可以測量，納米晶主要靠XRD和TEM。

各種光線及其對應的波長

4、表面加工光潔度

透明陶瓷的透光度還受表面粗糙度的影響。陶瓷表面的粗糙度除了與原料的細散度有關外，還與陶瓷表面的機械加工光潔度有關。燒結后未經處理的陶瓷表面具有較大的粗糙度，光線入射到這種面上會發生漫反射，導致光線損失。其表面的粗糙度越大，則其透光性能就越差。

陶瓷的表面粗糙度與原料的細散度有關，除了選用高細散度的原料外，還應對陶瓷表面進行研磨和拋光。對陶瓷表面進行研磨和拋光處理會大大提高透光率，經研磨后的氧化鋁透明陶瓷的透過率一般可從40%～45%增加到50%～60%以上,拋光可能達到80%以上。

備注：透明陶瓷在基片的應用與其透明度無關，而與結構有關，不含氣孔和其它相的結構，可保證基片在研磨時具有高的表面光潔度。

二、氧化鋁透明陶瓷的制備工藝要點

1、對原料粉體的要求

原料純度：純度較低的原料會在燒結體中出現較多的第二相雜質物和各種結構缺陷，從而破壞了陶瓷材料的光學均勻性。由于折射率的不同,第二相雜質物會產生光的折射和反射,而結構缺陷則會成為光的散射中心,這樣必然降低了陶瓷材料的透光性能。通常要求原料在3N或以上，具體不同工藝要求不同。

原料粒度：當原料的粒度很小，處于高度分散，燒結時微細顆粒可縮短氣孔擴散的路程，顆粒越細，氣孔擴散到晶界的路程就越短，容易排除氣孔和改善原料的燒結性能，使透明陶瓷結構均勻，透過率高。

另外，許多研究表明:在陶瓷工藝中最終結構有繼承最初結構現象，如果初始粉末的顆粒結構不均勻，那么最終陶瓷制品結構也不均勻。不均勻的微觀結構，不僅影響Al₂O₃透明陶瓷的透明性，還會影響材料的力學等性能。因此需要原料粉體細且粒度均勻。

粉體晶型： γ-Al₂O₃轉變成α-Al₂O₃伴隨體積縮小14.3%，若在氧化鋁料中含有γ-Al₂O₃會導致燒成后制品的氣孔率增高和收縮增大。這就是我們為什么要選用晶型為α相的原料粉體的原因。

2、燒結助劑的選用    

燒結純氧化物粉體時，如果不添加改性劑，甚至在接近于熔點溫度下也不能獲得高于97-98%理論密度的材料，因為在燒結最后階段，晶體開始極快的生長而只留下封閉氣孔之故。由于劇烈的再結晶，晶體捕獲了大量的微小氣泡，它們很快進入晶體內部而從晶界處消失。

為了使Al₂O₃燒結成沒有氣孔的致密體，必須在Al₂O₃粉中加入微量的燒結助劑，通常是加入0.1%MgO。作為調節剛玉晶粒長大的添加劑，除氧化鎂外，還有氧化鑭，氧化釔，氧化鋯，它們與氧化鎂相比具有更寬的濃度范圍內，最大透光率保持不變的特點。

備注：添加0.1%MgO的剛玉陶瓷是由正六方晶體組成，沒有氣孔和夾雜物。清晰的細晶粒主要以120度夾角相交，其理論密度3.98。最佳氧化鎂含量0.1%，最佳值含量低時對透光率的影響比含量高時更嚴重。不同資料中所指出的原始配料內氧化鎂的最佳含量是在較寬的范圍內變化（0.05-0.4%）這是因為應用不同的原料，不同的分散度和不同的燒成條件所致。

3、原料混合

原始組分配合料（原料粉體及助劑）的研磨是重要的工序，可用各種球磨機進行研磨，對研磨的總要求是保證材料的原始純度和獲得一定的分散度。生產透明陶瓷材料時大部分采用振動研磨機。采用專用工藝設備，避免配合料中金屬和其它雜質的污染，以保持陶瓷配合料的起始純度。制備好的配合料應保持在關閉的容器中，最好放在聚乙烯容器中。

4、燒結工藝

透明陶瓷的燒結方法多種多樣，最常用的是常壓燒結，這種方法生產成本低，是最普通的燒結方法。除此之外，人們還采用不少特種燒結方法，如熱壓燒結、氣氛燒結、微波燒結及SPS放電等離子燒結技術。

為了使燒結體具有優異的透光性，必須使燒結體中氣孔率盡量降低（甚至為零）。在空氣中燒結時，很難消除燒結后期晶粒之間存在的孤立氣孔，相反，在真空或氫氣中燒結時，氣孔內的氣體被置換而很快地進行擴散，氣孔就易被消除。

另一方面氧化鋁陶瓷的燒結是由陰離子(0^2-)擴散速率控制的燒結過程，在還原氣氛下，晶體中的氧從表面脫離，從而在晶體表面產生大量的氧空位，使0^2-擴散系數增大導致燒結過程加速，從而達到完全致密，因此透明氧化鋁陶瓷在氫氣氣氛下燒結可有效排除剩余氣孔。

小結

總的來說，原料、添加劑、成型方法、燒結氣氛、表面光潔度等進行嚴格控制，才能獲得高致密度、低氣孔率、組織均勻（包括晶界、第二相、晶粒等）、表面光潔度好，從而獲得透光性好、機械強度好的氧化鋁透明陶瓷。

粉體圈 作者：小白