功能陶瓷材料_透明陶瓷要素.pptVIP

* 4.4 透明陶瓷 1959年，美国通用电气公司开发出透光性氧化铝陶瓷，最先打破陶瓷不透明这一，其透光率约为80%，而现在作为高压钠灯灯管的透明氧化铝瓷对可见光的透光率已达到90％以上。现在研制成功的透明陶瓷包括Al2O3、MgO、Y2O3、ZrO2、ThO、MgF2、CaF2、LaF3以及PZT、PLZT、GaAs、ZnS等。 功能陶瓷 * 透光性陶瓷要获得高度透光性能，须满足以下条件： 高密度，尽可能接近理论密度； 晶界处无气孔和空洞，或其尺小比入射的可见光波长小得多因其所引起的损失也很轻微； 晶界无杂质和玻璃相或它们与主晶相的光学性质差别很小； 晶粒细小，尺寸接近均一，晶粒内无气泡封入。 * 为了保证透明陶瓷的透光性，通常采取如下一些措施： 采用高纯原料，如生产透明氧化铝，其原料中A12O3的含量不得低于99.9%； 适当的转相(或顶烧)温度，若转相温度过高，则活性降低，影响产品烧成时的准确烧结；若转相温度过低，转相或合成不完全； 充分排除气孔； 细粒化，加入适当的添加剂以抑制晶粒长大； 热压烧结，采用热压烧结技术，所得制品可基本上排除气泡，接近理论密度。 * 透明陶瓷的发展 氧化铝透明陶瓷是最早投入生产的透明陶瓷材料。将MgO、ZnO、NiO、La2O3 等添加剂掺入高纯细散的Al2O3 粉末中压制成型，并在氢气保护下或真空中焙烧，即可完全消除气孔，制得具有较高透明度的陶瓷材料。 AlN陶瓷是另一种典型的透明陶瓷，它最早是由美国在20世纪60年代研发成功，到了90年代其制备工艺和应用技术逐渐得到发展。氮化铝透明陶瓷表现出硬度较高、热导率较高、电导率较低、介电损耗较低、热膨胀系数较低、化学稳定性优良等诸多优异性能。 * PLZT电光陶瓷是一种典型的透明铁电陶瓷, 1970 年G. H. Haertling首次制备了PLZT透明陶瓷。PLZT透明陶瓷是通过在ZrO、TiO、PbO中掺入少量LaO经过粉体混合、压力成形和高温烧结而成的 。这种材料具有较高的光透过率和电光效应,人工极化后还具有压电、光学双折射等特性。主要用于制作光调制器、光衰减器、光隔离器、光开关等光电器件，也可制成PLZT薄膜，在电光和光学方面具有较多的应用。 钇铝石榴石激光透明陶瓷最初是以Al2O3、Y2O3、Nd2O3 为基体制备而成, 之后美国、日本、俄罗斯相继用不同的方法制备了高透明度的钇铝石榴石激光透明陶瓷。因其具有较高的机械强度、良好的化学稳定性和电物理性能,被认为是有希望的新一代固体激光材料。 * 透明陶瓷透光性的影响因素 制备影响因素 原料 原料的纯度是影响透明性诸多因素中的主要因素之一, 原料中杂质容易生成异相, 形成光的散射中心, 如图所示, 减弱透射光在入射方向的强度, 降低陶瓷的透过率, 甚至失透。 陶瓷内光散射示意图 * 当原料的粒度很小, 处于高度分散, 烧结时微细颗粒可缩短气孔扩散的路程, 颗粒越细, 气孔扩散到晶界的路程就越短, 容易排除气孔和改善原料的烧结性能, 使透明陶瓷结构均匀, 透过率高。 原料的活性不仅与原料的分散状态且与原料的相变或预烧温度有关, 预烧温度过高则活性降低; 过低则相变转化不完全, 制品在烧结过程中会产生变形等不良的影响 为了获得透明陶瓷, 有时需加入添加剂, 抑制晶粒生长。添加剂的用量一般很少, 所以要求添加剂能均匀分布于材料中, 另外, 添加剂还应能完全溶于主晶相, 不生成第二相物质, 也就是说, 不破坏系统的单相性。 * 烧成制度 烧成制度影响陶瓷材料的透明度, 一般的陶瓷烧结温度更高才能排除气孔, 达到透明化烧结。烧结透明陶瓷时, 要根据烧结材料的性能和坯体的性能及大小来确定最高烧结温度。烧结透明陶瓷时, 必须控制升温速度, 确保整个坯体均匀加热, 控制晶体生长速度和晶粒尺寸, 并达到消除气孔的目的。保温时间的选择可依照晶粒的大小和气孔有无而定, 冷却制度的确定应以陶瓷无变形且无内应力为准。 透明陶瓷和普通陶瓷不同, 最后需经真空、氢气气氛或其它气氛中烧成。在真空或氢气气氛中, 陶瓷烧结体的气孔被置换后很快的进行扩散, 从而达到消除气孔的目的, 使用这种烧结方法能达到陶瓷透明 * 由于陶瓷属于光学不均匀体系，光会被物质内结构不均匀区域的散射中心散射。光散射系数由下列三个因素决定: 显微结构的影响 由杂质和添加物析出不同相以及烧结过程中残余气孔引起的散射 由空穴、位错等晶体结构不完整造成的光散射 在晶体具有各相异性情况下，由于在晶界等折射率不连续界面上产生的反射、双折射显示出的光散射。 陶瓷中光散射中心示意图 * 气孔率 对透明陶瓷透光性能影响最大的因素是气孔率，可更细分为气孔尺寸、数量、种类