无机光学透明材料 透明陶瓷(2)

2019-03-22 09:19

(4) 原料的其他影响因素

原料粉体的颗粒形状、流动性、成型时的速配密度均匀性等。

二、烧成工艺 (1)气体介质

透明陶瓷和普通陶瓷不同,在真空。氢气氛或其他气氛中烧成。正确选择烧成时的气体介质,是制备透明陶瓷的重要条件之一。 (2)烧成温度

烧成温度影响陶瓷材料的透明度。透明陶瓷需要比普通陶瓷更高的烧结温度,达到透明化烧结。 (3)烧结添加剂对陶瓷透明性的影响

添加剂一方面可以使烧结过程中出现少量液相,降低烧结温度,另一方面添加剂在多晶陶瓷的界面上,抑制晶界旳迁移和晶粒生长,使微气孔有足够的时间依靠晶界扩散而被排除,有利于得到致密的透光性好的透明陶瓷。

三、陶瓷微观结构和表面加工光洁度对陶瓷透明性的影响

对陶瓷透光性能影响最大的因素是气孔率,透明陶瓷的制备过程实质是在烧结过程中完全排除显微气孔的致密化过程。总气孔率超过1%的氧化物陶瓷是不透明的。在陶瓷材料中,气孔的折射率与晶粒的折射率相差最大,对光线造成的散射也大[10]。普通陶瓷不透明是因为里面有很多封闭的小气孔。陶瓷内部的气孔可能存在晶粒之间和晶

体内部。晶粒之间的气孔处于晶界面上,可以随着晶界的移动而迁移,最终排出体外。另外陶瓷的晶粒尺寸,相组成与晶界结构和表面加工光洁度对陶瓷的透光性有一定影响。

四、透明陶瓷的制备

一、粉料制备

陶瓷工艺的基本特点就是以粉体作为原料经过成型和烧成,制成多晶烧结体。作为起始原料的陶瓷粉体性能的好坏直接关系到最后终成品的质量。要得到纯相无气孔的陶瓷烧结体,对起始粉料有以下要求[11]:具有很高的纯度和可控的颗粒度;高的分散性,无硬团聚体;颗粒尺寸均匀成等轴形;高的烧结活性。透明陶瓷分体的制备有固相反应——机械粉碎法、溶胶——凝胶法、醇盐水解法、化学共沉淀法、水(醇)热法、喷雾热解法等。

二、成型工艺

成型工艺对陶瓷成品的烧结和最后达成的透明性有一定的影响。透明陶瓷成型可以采用与普通陶瓷类似的各种方法:干压成型、等静压成型、挤出成型以及注射成型等,只是成型过程中对污染物的控制要求更高。

三、烧结工艺

烧结过程中材料获得较高的强度和其他功能特性,少解释陶瓷制

备的核心和及重要的关节环节之一。要获得高透明的陶瓷材料,关键是使材料本身致密、气孔率超低、经历大小适宜均匀、晶界薄而干净,且要控制致密化和晶粒张大着两个相互竞争的过程。透明陶瓷的烧结方法除气氛和真空烧结外,还有特种烧结方法,如热压烧结、激光烧结、微波烧结及SPS放电烧结技术等。

五、透明陶瓷的应用

一、照明用透明陶瓷

随着高压钠灯、卤化物灯等以气体放电为主的一类光源的发展,

高温和腐蚀使原先采用玻璃作灯管的照明器材已经不能满足要求,耐高温、耐腐蚀的半透明多晶氧化铝、氧化钇成为主要选择。近年来,随着纳米技术和制备科学与技术的发展,Krell等[12-14]采用超细纳米粉体制备微晶(晶粒尺寸≤0. 5μm)氧化铝陶瓷,控制晶粒尺寸使之小于光波长,以减少晶界的双折射。制备的透明氧化铝陶瓷的可见光透过率高达~70%,但在紫外区光透过率较差。最近,Mao等[15-16]采用平均颗粒尺寸为0. 52μm高纯(>99. 99% )α-Al2O3粉制成浆料,然后在12T磁场下进行浇注.经烧结后,获得晶粒取向良好的透明氧化铝陶瓷,由于平均晶粒尺寸较大~30μm,总透过率只有50% ~60%,但在紫外区透过率较高。图3分别是由Krell和Ma等制备的透明氧化铝陶瓷的透过率比较,后者对采用非等轴晶材料制备透明陶瓷提供了启示.图4用XRD表征了晶粒定向与任意排列氧化铝陶瓷的区别。

图3 透明氧化铝陶瓷在紫外-红外区域范围内的透过率曲线

图4 晶粒定向与任意排列氧化铝陶瓷的XRD图谱

二、激光透明陶瓷

1964年以来,掺Nd-YAG晶体的出现,作为大功率固体激光材料受到广泛关注,与钕玻璃同时成为大功率固体激光材料的首选之

一 。1995年日本的Ikesue等[18-20]成功制备了透明多晶Nd-YAG陶瓷并获得激光输出,输出功率小于1W.取得明显的进展是在2000年以后,由日本神岛公司和日本电气通信大学的Ueda等[21]共同开发出透明多晶Nd-YAG陶瓷,在1064nm下输出功率达到110W,与单晶基本相(图5)。随后研制成功100mm单片,最高激光输出目前已达到1. 4kW.光-光效率达42%。图6是激光透明陶瓷激光输出功率的发展过程。2006年美国LivermoreNationalLaboratory利用日本神岛公司提供的大尺寸透明多晶Nd-YAG陶瓷片[22](100mm×100mm×20mm)采用热容的方式实现了67kW的最高功率输出,引起了国际上广泛关注,从此透明激光陶瓷正式成为大功率固体激光器的主要候选材料一,同时在国际上掀起透明陶瓷热。

图5 Nd-YAG陶瓷与Nd-YAG单晶激光输出功率比较


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