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透明陶瓷材料

發布時間:2023-02-17人氣:29

一般陶瓷是不透明的,但是光學陶瓷像玻璃一樣透明,故稱透明陶瓷。一般陶瓷不透明的,原因是其內部存在有雜質和氣孔,前者能吸收光,后者令光產生散射,所以就不透明了。因此如果選用高純原料,并通過工藝手段排除氣孔就可能獲得透明陶瓷。早期就是采用這樣的辦法得到透明的氧化鋁陶瓷,后來陸續研究出如燒結白剛玉(Al2O3)、氧化鎂{MgO)、氧化鈹(BeO)、氧化釔(Y2O3)、氧化釔-二氧化鋯(Y2O3-ZrO2)等多種氧化物系列透明陶瓷。近期又研制出非氧化物透明陶瓷,如砷化鎵(GaAs)、硫化鋅(ZnS)、硒化鋅(ZnSe)、氟化鎂(MgF2)、氟化鈣(CaF2)等。

這些透明陶瓷不僅有優異的光學性能,而且耐高溫,一般它們的熔點都在2000℃以上。如氧化釷-氧化釔透明陶瓷的熔點高達3100℃,比普通硼酸鹽玻璃高1500℃。透明陶瓷的重要用途是制造高壓鈉燈,它的發光效率比高壓汞燈提高一倍,使用壽命達2萬小時,是使用壽命最長的高效電光源。高壓鈉燈的工作穩定高達1200℃,壓力大、腐蝕性強,選用氧化鋁透明陶瓷為材料成功地制造出高壓鈉燈。透明陶瓷的透明度、強度、硬度都高于普通玻璃,它們耐磨損、耐劃傷,用透明陶瓷可以制造防彈汽車的窗、坦克的觀察窗、轟炸機的轟炸瞄準器和高級防護眼鏡等。   透明陶瓷的制造是有意識地在玻璃原料中加入一些微量的金屬或者化合物(如金、銀、銅、鉑、二氧化鈦等)作為結晶的核心,在玻璃熔煉、成型之后,再用短波射線(如紫外線、X射線等)進行照射,或者進行熱處理,使玻璃中的結晶核心活躍起來,彼此聚結在一起,發育成長,形成許多微小的結晶 ,這樣,就制造出了玻璃陶瓷。用短波射線照射產生結晶的玻璃陶瓷,稱為光敏型玻璃陶瓷,用熱處理辦法產生結晶的玻璃陶瓷,稱為熱敏型玻璃陶瓷。 

透明陶瓷的機械強度和硬度都很高,能耐受很高的溫度,即使在一千度的高溫下也不會軟化、變形、析晶。電絕緣性能、化學穩定性都很高。光敏型玻璃陶瓷還有一個很有趣的性能,就是它能象照相底片一樣感光,由于這種透明陶瓷有這樣的感光性能,故又稱它為感光玻璃。并且它的抗化學腐蝕的性能也很好,可經受放射性物質的強烈輻射。它不但可以象玻璃那樣透過光線,而且還可以透過波長10微米以上的紅外線,因此,可用來制造立體工業電視的觀察鏡,防核爆炸閃光危害的眼鏡,新型光源高壓鈉燈的放電管。  

透明陶瓷的用途十分廣泛,在機械工業上可以用來制造車床上的高速切削刀,汽輪機葉片,水泵,噴氣發動機的零件等,在化學工業上可以用作高溫耐腐蝕材料以代替不銹鋼等,在國防軍事上,透明陶瓷又是一種很好的透明防彈材料,還可以做成導彈等飛行器頭部的雷達天線罩和紅外線整流罩等;在儀表工業上可用作高硬度材料以代替寶石,在電子工業上可以用來制造印刷線路的基板和鏤板,在日用生活中可以用來制作各種器皿,瓶罐,餐具等等。 

透明陶瓷最早是使用在燈具上。高壓鈉燈是一種發光效率很高的電光源,但在鈉蒸氣放電時產生1000℃以上的高溫,具有很強的腐蝕性,玻璃燈管根本沒法耐受,所以高壓鈉燈一直沒能問世,直到有了透明陶瓷,高莊鈉燈才得到實際應用,除高壓鈉燈外,透明陶瓷還使用于其它新型燈具,如艷燈、銣燈、鉀燈等。響尾蛇導彈頭部的紅外探測器,外面有一個整流罩,它不僅要有足夠的強度,還要能透過紅外線,以確保導彈能跟蹤敵機輻射的紅外線。擔當此任的材料只有透紅外陶瓷,響尾蛇導彈的整流罩就是用透紅外陶瓷做的。電焊工人操作時,要不斷地把面罩舉起拿下,十分不方便。有一種鋯鈦酸鉛鑭透明鐵電陶瓷,能透光,耐高溫,用它造成具有夾層的護目鏡,能根據光線的亮暗自動進行調節,有了這種護目鏡,電焊工人工作起來就十分方便。這種護目鏡,正在核試驗工作人員和飛行員中得到廣泛的作用。新型材料進入市場的商標為ALON,它是“氮氧化鋁”的縮寫,ALON是一種多晶體,并且完全是透明的,其晶粒大小為80~250微米。從外表看ALON板就像藍寶石,ALON的化學公式為Al(64+x)/3O32-xNx,式中的X可以從2到5。在最近的試驗中由幾層ALON、玻璃和聚合物組成的雙層中空玻璃出色地經受了從7.62毫米口徑手槍連續射出的穿甲彈,同時雙層中空玻璃的重量比普通防彈玻璃輕一半。ALON可以在各個領域找到廣泛應用,例如利用它可以制成特別耐磨損的超市條碼掃描器窗口。但是要大量推擴應用ALON的障礙是其價格比傳統防彈玻璃貴3~5倍,此外還需要對建造新型爐子進行大量投資,以便能制取在工業規模中應用的大量材料。但是ALON的低重量與高強度比產品的價格更為重要,它已經顯示出其不可替代的優點。 

透明陶瓷是近幾十年發展十分迅猛的新型材料。透明陶瓷可分為透明結構陶瓷和透明功能陶瓷兩大類。透明結構陶瓷主要用于高壓鈉光燈管、高溫透視窗罩、透明裝甲等方面。透明功能陶瓷主要用于激光、顯示技術、醫學等方面。閃爍透明陶瓷是其中一種應用前景廣泛的新材料。

所謂閃爍透明陶瓷是一種吸收高能光子后發出紫外光或可見光的光功能陶瓷材料,被廣泛應用于高能物理(如精密電磁量能器)、核醫學(如X-CT機)、工業應用(CT探傷)、空間物理、地質勘探等領域。用透明陶瓷做閃爍材料具有熱力學性能優良,可實現發光離子多種類及高濃度摻雜等優勢,而且容易實現大尺寸,大批量生產,成本低,具有巨大的應用潛力。

近年來,隨著新型數字醫療影像技術,如X射線計算機斷層掃描影像術(X-CT),正電子發射計算機斷層掃描術(PLT),心血管造影術(DSA)等的出現和發展,對應用于這些技術中的閃爍材料的性能提出了越來越高的要求。出于對于人體安全的考慮,必須盡可能降低輻射強度和檢測時間,以減少人體對各種射線的吸收,這就要求閃爍材料具備透明性好、密度高、衰減時間短(小于0.1ms),余輝短等性能以及良好的物理化學穩定性。透明陶瓷制備技術的進步使研制這類閃爍體成為可能。由于閃爍陶瓷在粉體制備過程中可以較容易地實現摻雜元素的分子級均勻摻雜,制備工藝簡單、成本低廉,以及閃爍陶瓷本身具有良好的機械加工性能等,已成為X-CT用閃爍探測材料的首選對象,目前正在成為新型閃爍材料的研究熱點和前沿。

透明陶瓷的成型主要是通過燒結工藝。燒結是使陶瓷坯體在一定的高溫下(或同時在壓力場或其它外場下),發生體積收縮,實現致密化并獲得一定的組織結構和強度的一個熱力學與動力學過程。要想獲得高透明的陶瓷材料,關鍵是使材料本身致密、氣孔率低、晶粒大小適宜而均勻、晶界薄而干凈。燒結方法有:(1)真空與氣氛燒結。目前大部分具有適合熔點的氧化物透明陶瓷均采用真空和氫氣燒結。(2)熱壓燒結。指在燒成過程中施加一定的壓力(10~40Mpa),促使材料流動、重排與致密化。由于燒結溫度可以比常壓燒結低得多,所以晶粒長大較少,可得到氣孔率很低、同時晶粒比較細小的陶瓷材料。(3)微波燒結。這是使材料在微波電磁場中加熱至燒結溫度而實現致密化的快速燒結技術。微波燒結的速度快、時間短,從而避免了燒結過程中陶瓷晶粒的異常長大,最終可獲得高強度和高致密度的透明陶瓷。(4)等離子燒結。這是通過瞬時產生的放電等離子使燒結體內部的顆粒均勻地自發放熱,同時使顆粒表面活化,在短時間內使燒結體達到致密的一種快速燒結方法。

近十幾年來,國外相繼開發出氧化釔釓,硫氧化釓,釓稼石榴等陶瓷閃爍體,并成功應用于醫學X-CT上。國內,上海硅酸鹽研究所等單位在透明閃爍陶瓷研究和應用方面也獲得一些進展,他們采用Al2O3,Lu2O3,Y2O3,CeO2等原料,經高能球磨處理粉體,將陶瓷素坯在1700℃~1750℃下真空燒結10小時以上,得到厚度1.5mm的透明陶瓷試樣,在500nm~900nm可見光區的直線透過率可達80%,光學均勻性良好,X射線發射峰位于550nm左右,可作為應用于射線探測的閃爍材料。

陶瓷,也可以是透明的,擋風、防彈、照明、勘探、激光,“十八般武藝”樣樣都會。無論軍用還是民用,透明陶瓷目前都是各國追捧的“搶手貨”。中科院上海硅酸鹽研究所在這一領域取得多項突破性專利研究成果,使我國成為繼日本之后、世界上第二個掌握激光陶瓷材料制備專利技術的國家?!?/span>


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