结构陶瓷ch.2.1之7-透明氧化铝陶瓷讲述.ppt

①气孔率 对透明陶瓷透光性能影响最大的因素是气孔率。充分致密、无气孔的陶瓷是具有良的好透光性的必要条件。 普通的陶瓷即使具有较高的致密度，往往也不是透明的，这是因为其中有很多封闭的气孔。 研究表明，总气孔率超过1%的氧化物陶瓷基本是不透明的，因为气孔的折射率非常低(约为1.0)，和基体Al2O3折射率差别大，气孔与多晶体本身折射率相差很大造成入射光的强烈散射。 氧化铝透明陶瓷 * 陶瓷内部的气孔可存在于晶体之间和晶体内部。晶体之间（晶界处）的气孔处于晶界上容易排除，而晶体内部的气孔即使是小于微米级的也很难排除。 因此，晶体内部气孔对于获得透明陶瓷是非常危险的。为此要从每一个工艺阶段：原料粉体的制备、预烧、烧成，来防止气孔的产生。 氧化铝透明陶瓷 * ② 晶界结构 首先，晶界是破坏陶瓷体光学均匀性、从而引起光的散射、致使材料的透光率下降的重要因素之一。 当单位体积晶界数量较多，晶体配置杂乱无序，入射光透过晶界时，必然引起光的连续反射、折射等，这样其透光率也就降低。 因此晶界应微薄、光匹配性好、无气孔及夹杂物、位错等缺陷。 其次，陶瓷材料的物相组成中通常包含着两相或更多相，这种多相结构会导致光在相界表面上发生散射。材料的组成差异越大，折射率相差越大，整个陶瓷的透光率越低。 氧化铝透明陶瓷 * ③原料与添加剂 高纯的原料，粉体粒径0.1~1μm，尺寸均匀，不产生团聚。过渡元素极为有害，要加以严格控制。 采用适当的促进烧结的添加剂，降低烧结温度；另一方面是抑制晶粒的长大，依靠晶粒边界的缓慢移动把微气孔赶跑，制备充分致密的无气孔陶瓷。 添加剂用量一般很少，应能均匀分布于材料中，完全溶于主晶相，尽量不生成第二相物质，也就是不破坏系统的单相性。 氧化铝透明陶瓷 * ④烧成气氛 透明陶瓷和普通陶瓷不同，最后需经真空、氢气氛中烧成。 气氛烧结是透明陶瓷常用的一种烧结工艺，为了使烧结体具有优异的透光性，必须使烧结体中的气孔率尽量降低（直至零），但在空气中烧结时很难消除后期晶粒中纯在的孤立气孔，相反在真空或氢气中烧结，气孔中的气体被置换而很快扩散，气孔就容易被消除。 氧化铝透明陶瓷 * 此外，氧化铝的烧结过程中与阴离子的扩散速率有关，还原气氛有利于阴离子扩散的增加，可以促进烧结的进行， 因此，真空烧结、氢气气氛烧结等是实现氧化铝瓷低温烧结的有效辅助手段。 氧化铝透明陶瓷 * ⑤表面加工光洁度 透明陶瓷的透光度还受表面加工光洁度的制约。烧结后未处理面具有较大的粗糙度，即呈现微小的凹凸状，光线入射到这种面上会发生漫反射。其表面的粗糙度越大，其透明度就越低。 陶瓷表面的粗糙度与原料的细度有关。除选用高超细原料外，还应对陶瓷表面进行研磨和抛光。 最终表面光洁度达到11～13级（表面粗糙度0. 1~0.025μm）。 氧化铝透明陶瓷 * 总结：要使陶瓷具有透光性， 就应该从工艺上消除对光的散射的各种因素。 晶体对入射光的选择吸收很小，无光学各向异性，晶体结构最好是立方晶系(减少双折射等光损失)； 致密度要高，大于理论密度的99.5%； 晶粒大小均匀，晶界上不存在气孔，如有气孔，其大小比波长应小得多； 晶界上没有杂质以及玻璃相，或晶界的光学性质与晶体之间差别很小； 表面光洁度高。 氧化铝透明陶瓷 * 5.透明氧化铝陶瓷的制备 采用高纯的原料，纯度≥99.9%，通常采用铵明矾热分解制备，这种方法制备的Al2O3纯度高、细度约小于1um，粒度分布窄； 为了促进致密化，可以加入适量添加剂： 如：MgO、La2O3+ Y2O3 ，配方中的MgO是以Mg（NO3）2的形式加入硫酸铝铵中共同热分解的。 La2O3+ Y2O3 可以调整第二相尖晶石的折射率，使之向刚玉的折射率靠近。但添加剂不能过量，否则影响透光性。 氧化铝透明陶瓷 * 成型：采用注浆和等静压成型，成型后的密度大于理论密度的85%才能获得良好的透明陶瓷; 在氢气气氛或真空气氛下烧结，1700-1900℃烧成，保温1-5h；或采用热压、热等静压1500℃、400MPa条件下烧成; 显微结构：减少气孔和晶界相（晶界薄而干净）；晶粒尺寸避开可见光波长；大小均匀； 表面粗糙度：取决于表面加工精度； 透明氧化铝陶瓷的透光范围： λ= 0.15~6.5μm，对于红外线（λ＞0.77μm的电磁波）的透光率比石英玻璃好。 氧化铝透明陶瓷 * 透明氧化铝陶瓷的SEM照片 氧化铝透明陶瓷 * 6.透明氧化铝陶瓷的用途 (1)传统的透明陶瓷 薄胎瓷 氧化铝透明陶瓷 * 性质： 透明陶瓷除透可见光之外，还具有陶瓷固有的耐高温、耐腐蚀、高绝缘、高强度等特性，又具有石英玻璃的光学性能，在紫外、可见光、红外光波段具有良好的透过率。 特种透明陶瓷的性质及用途 氧化铝透明陶瓷 * 在光学、照明技术、 高温技术、激光技术及特种仪器制造等领