图6 激光陶瓷发展的历史历程
三、医疗仪器用透明闪烁陶瓷
透明闪烁陶瓷在高能物理、无损检测、辐照探测、安全和医疗影像应用、空间探索等都有重要应用和潜在的应用价值,尤其是作为安全和医疗影像应用更加突出,常规采用X-ray、X-CT、NMR等进行诊断。对于这类仪器所使用的闪烁材料,一般要求有高的透明性和发光强度、高密度和离子幅照吸收能力以及转换高能光子成可易探测的可见光信号。随着对仪器分辨率要求的不断提高,对影像质量要求日益增强。传统闪烁材料主要使用晶体,如锗酸铋(Bi2Ge2O7)和钨酸铅Pb(WO3)等。近年来,由GE、Siemens和ALEM公司以及上海硅酸盐研究所分别开发出用铕掺杂氧化镥(Eu∶Lu2O3)透明陶瓷(如图7)。上海硅酸盐研究所还先后研制成Ce∶LuAG、Ce∶YAG和La2Hf2O7等多种闪烁材料[23-25]。图8是含0. 3a%t Ce∶YAG透过率曲线,通过退火后在可见光区的直线透过率达到79. 5%。目前透明闪烁陶瓷存在的最大问题是低成本制备工艺、高透明性和光输出功率。
图7 Eu∶Lu2O3透明闪烁陶瓷
图8 退火前后0. 3at% Ce∶YAG透过率曲线及照片
四、透明红外陶瓷
透明红外陶瓷被广泛应用于红外窗口材料,根据材料透过波长范围来选择应用场合.其中尖晶石陶瓷(MgAl2O4)和氮氧化铝陶瓷(AlON)的透过率可以达到80% ~87% (图9和图10),在紫外、可见到红外波长范围内透过率与蓝宝石、石英玻璃的透过率接近.为了获得高透过率的MgAl2O4和AlON陶瓷,通常需要采用高纯超结技术.最近也有报道采用低温(500~700℃)高压(2~5GPa)等静压、微波、SPS等烧结技术制备透明陶瓷[26-27]。图9和10分别是美国Surmet公司的透明AlON陶瓷和中国北京烁光(Bright)公司产品透明尖晶石陶瓷的透过率,二者在紫外到红外波段范围均有较好的透过率(大于80% )。图18是中国科学院上海硅酸盐研究所[28]制备的SiAlON透明陶瓷的透过率与波长之间的关系,虽然透过率不太高,但在中红外区有较好的透过率。
图 9 AlON陶瓷的透过率与波长关系
图10 透明尖晶石陶瓷的透过率与波长关系
图11 透中红外的SiAlON陶瓷及波长与透过率关系
五、透明装甲陶瓷
装甲材料的选择主要集中在高硬度、高比强度和复合结构方面,尤其是从弹道力学和冲击试验来选择,从单一钢铁、聚合物、陶瓷到复合材料。陶瓷材料具有高硬度、低比重,在人体装甲和要求轻量化场合,如战斗直升机保护装甲等受到特别青睐,以氧化铝、碳化硼、碳化硅等为代表的高性能陶瓷以及复合装甲材料先后发展起来。随着工艺技术的不断改进,装甲材料不仅性能上有大幅度提高,而且可以通过计算机辅助设计以及先进的成型技术,制成各种复杂和曲面形状以符合人体更舒适的需要[29]。作为陶瓷装甲轻量化的典型代表碳化硼,具有高硬度(仅次于金刚石和立方氮化硼)、低比重(2. 5g/cm3),是目前使用最广泛的材料之一,但碳化硼属于共价键结合材料,用一般工艺很难烧结到高密度,通常需要采用热压、高温等静压、SPS等烧结技术,才能获得较高密度和高强度。同时,这类陶瓷材料多数是不透明的,为了适应现代战场需求,既能保护人体又能随时观察敌情,新一代功能与结构一体化的透明装甲陶瓷迅速发展起来,以氮氧化铝(AlON)和镁铝尖晶石(MgAl2O3)为代表的一类材料特别受到了很大重视[30-31]。它们的透过范围从紫外(0. 2μm)一直到红外区域(6. 0μm) ,不仅可以作为透明装甲陶瓷,还可用于红外、可见窗口材料。
六、高折射指数透明陶瓷
长久以来,光学玻璃一直是制作相机镜头和光学仪器的主要材料,随着数字相机和可视移动电话的发展,作为光学部件可变焦透镜