氧化鋁（半）透明陶瓷對(duì)可見光和紅外光具有良好的透過性，同時(shí)也具有高溫強(qiáng)度大、耐熱性好、耐腐蝕性強(qiáng)及電阻率大等特點(diǎn)，可應(yīng)用于高壓鈉燈、金屬鹵化物燈等高強(qiáng)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(fā)現(xiàn)，通過提高氧化鋁的純度、致密度以及合理的調(diào)控顯微結(jié)構(gòu)，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(shù)要點(diǎn)做一個(gè)簡(jiǎn)單的總結(jié)。

一、影響氧化鋁陶瓷透明性的因素

透明陶瓷的一個(gè)關(guān)鍵性能在于其透光度。當(dāng)光通過某一介質(zhì)時(shí)，由于介質(zhì)的吸收、表面反射、散射和折射等效應(yīng)會(huì)使光線損失，光強(qiáng)衰減（可以簡(jiǎn)單的理解成，透明度差的材料，光線損失相對(duì)較多）。這些衰減除了與材料的基本化學(xué)組成有外，還取決于此材料的顯微組織結(jié)構(gòu)。下面將對(duì)影響陶瓷透光度的因素做個(gè)小總結(jié)。

1、陶瓷的氣孔率

透明陶瓷的制備過程實(shí)質(zhì)上就是在燒結(jié)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(shù)量、種類都會(huì)對(duì)陶瓷材料的透明性產(chǎn)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(gè)例子，有研究表明，陶瓷體中的閉口氣孔率從0.25%變?yōu)?.85%時(shí)，透明度降低33%。盡管這可能是在某種特定情況下的結(jié)果，但從某些程度上我們可以看出氣孔率對(duì)陶瓷透明度的影響是會(huì)很直接暴力的體現(xiàn)。又有研究數(shù)據(jù)表明，氣孔體積占3%時(shí)，透光率0.01%，0.3%時(shí)，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(duì)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(dāng)氣孔直徑與入射光波長(zhǎng)相當(dāng)時(shí)，透過率最低。

氣孔率為0.1時(shí) 氧化鋁透明陶瓷的線性透過率與氣孔直徑的關(guān)系

2、晶界結(jié)構(gòu)

晶界是破壞陶瓷體光學(xué)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(jié)構(gòu)容易導(dǎo)致光在相界表面上發(fā)生散射。材料的組成差異越大，折射率相差越大，整個(gè)陶瓷的透光率越低。

因而透明陶瓷晶界區(qū)應(yīng)微薄、光匹配性好、無氣孔及夾雜物、位錯(cuò)等。具有各向同性晶體的陶瓷材料可以達(dá)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(duì)透明陶瓷的透光率也有很大的影響，當(dāng)入射光波長(zhǎng)相當(dāng)于晶粒直徑時(shí)，光的散射效應(yīng)最大，透光率最低。因此為提高透明陶瓷的透光率，應(yīng)將晶粒粒徑控制在入射光的波長(zhǎng)范圍之外。

舉個(gè)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(cè)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(cè)量，納米晶主要靠XRD和TEM。

各種光線及其對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)

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(xì)散度有關(guān)外，還與陶瓷表面的機(jī)械加工光潔度有關(guān)。燒結(jié)后未經(jīng)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(huì)發(fā)生漫反射，導(dǎo)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(xì)散度有關(guān)，除了選用高細(xì)散度的原料外，還應(yīng)對(duì)陶瓷表面進(jìn)行研磨和拋光。對(duì)陶瓷表面進(jìn)行研磨和拋光處理會(huì)大大提高透光率，經(jīng)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(dá)到80%以上。

備注：透明陶瓷在基片的應(yīng)用與其透明度無關(guān)，而與結(jié)構(gòu)有關(guān)，不含氣孔和其它相的結(jié)構(gòu)，可保證基片在研磨時(shí)具有高的表面光潔度。

二、氧化鋁透明陶瓷的制備工藝要點(diǎn)

1、對(duì)原料粉體的要求

原料純度：純度較低的原料會(huì)在燒結(jié)體中出現(xiàn)較多的第二相雜質(zhì)物和各種結(jié)構(gòu)缺陷，從而破壞了陶瓷材料的光學(xué)均勻性。由于折射率的不同,第二相雜質(zhì)物會(huì)產(chǎn)生光的折射和反射,而結(jié)構(gòu)缺陷則會(huì)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(dāng)原料的粒度很小，處于高度分散，燒結(jié)時(shí)微細(xì)顆粒可縮短氣孔擴(kuò)散的路程，顆粒越細(xì)，氣孔擴(kuò)散到晶界的路程就越短，容易排除氣孔和改善原料的燒結(jié)性能，使透明陶瓷結(jié)構(gòu)均勻，透過率高。

另外，許多研究表明:在陶瓷工藝中最終結(jié)構(gòu)有繼承最初結(jié)構(gòu)現(xiàn)象，如果初始粉末的顆粒結(jié)構(gòu)不均勻，那么最終陶瓷制品結(jié)構(gòu)也不均勻。不均勻的微觀結(jié)構(gòu)，不僅影響Al₂O₃透明陶瓷的透明性，還會(huì)影響材料的力學(xué)等性能。因此需要原料粉體細(xì)且粒度均勻。

粉體晶型： γ-Al₂O₃轉(zhuǎn)變成α-Al₂O₃伴隨體積縮小14.3%，若在氧化鋁料中含有γ-Al₂O₃會(huì)導(dǎo)致燒成后制品的氣孔率增高和收縮增大。這就是我們?yōu)槭裁匆x用晶型為α相的原料粉體的原因。

2、燒結(jié)助劑的選用    

燒結(jié)純氧化物粉體時(shí)，如果不添加改性劑，甚至在接近于熔點(diǎn)溫度下也不能獲得高于97-98%理論密度的材料，因?yàn)樵跓Y(jié)最后階段，晶體開始極快的生長(zhǎng)而只留下封閉氣孔之故。由于劇烈的再結(jié)晶，晶體捕獲了大量的微小氣泡，它們很快進(jìn)入晶體內(nèi)部而從晶界處消失。

為了使Al₂O₃燒結(jié)成沒有氣孔的致密體，必須在Al₂O₃粉中加入微量的燒結(jié)助劑，通常是加入0.1%MgO。作為調(diào)節(jié)剛玉晶粒長(zhǎng)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(nèi)，最大透光率保持不變的特點(diǎn)。

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(xì)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(shí)對(duì)透光率的影響比含量高時(shí)更嚴(yán)重。不同資料中所指出的原始配料內(nèi)氧化鎂的最佳含量是在較寬的范圍內(nèi)變化（0.05-0.4%）這是因?yàn)閼?yīng)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(jī)進(jìn)行研磨，對(duì)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(chǎn)透明陶瓷材料時(shí)大部分采用振動(dòng)研磨機(jī)。采用專用工藝設(shè)備，避免配合料中金屬和其它雜質(zhì)的污染，以保持陶瓷配合料的起始純度。制備好的配合料應(yīng)保持在關(guān)閉的容器中，最好放在聚乙烯容器中。

4、燒結(jié)工藝

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

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

另一方面氧化鋁陶瓷的燒結(jié)是由陰離子(0^2-)擴(kuò)散速率控制的燒結(jié)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(chǎn)生大量的氧空位，使0^2-擴(kuò)散系數(shù)增大導(dǎo)致燒結(jié)過程加速，從而達(dá)到完全致密，因此透明氧化鋁陶瓷在氫氣氣氛下燒結(jié)可有效排除剩余氣孔。

小結(jié)

總的來說，原料、添加劑、成型方法、燒結(jié)氣氛、表面光潔度等進(jìn)行嚴(yán)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(jī)械強(qiáng)度好的氧化鋁透明陶瓷。

粉體圈 作者：小白