陶瓷表面与界面对材料透光性能的影响.doc

陶瓷表面与界面对材料透光性能的影响 自20世纪50年代美国通用电气公司研究所Burke和R.L.Coble提出透明陶瓷概念并成功研制出透明氧化铝以来，透明陶瓷即以其在照明技术、光学技术、特种仪器制造、无线电子学、信息探测、高温技术以及军事工业等方面的应用前景引起人们的广泛兴趣。透明陶瓷不仅具有特异的透光性，而且具有陶瓷高强度、高硬度、耐腐蚀、耐高温等特性，这使得透明陶瓷具有独特的应用前景与诱人的发展潜力。 目前透明陶瓷主要可以分为单晶与多晶两大类。单晶材料透明性能优异，但制备困难，生产周期长，成本高，严重阻碍了单晶透明材料的发展；多晶材料制备相对容易，但由于结构及成分的复杂性，往往很难达到理论上的较高透光率。 无机材料由于不存在自由价电子，不会由于电子的自由运动吸收光子而导致光强的减弱，因此不会像金属材料那样不透明。同时由于无机材料禁带宽度较宽，引起电子跃迁所需的能量较高，因此只有波长很短的远紫外光才会由于电子跃迁而导致吸收。另外，由于原子团的振动而吸收的光又局限于波长较长的远红外。因此，理论上，无机材料对于较大波长范围内的光都具有较高的透过率。但实际制备过程中发现，由于陶瓷材料结构及组成上的起伏波动性，往往很难达到较高的透光率。其中，材料的表面与界面是影响陶瓷材料透光率的一个重要因素。下面将对其影响作用作具体说明。 表面的反射：光束由一种介质入射另一种介质时，由于两种介质折射率的差异，会导致光束的反射从而降低材料的透光率。反射可分为漫反射与镜面反射。粗糙的陶瓷材料表面会引起光的漫反射，由于每个方向上的光都是由各个位置及方向反射而来，因此其相位的分布具有随机性。当光程差为光波长一半（）奇数倍的两束光叠加时，由于两束光频率相同而相位相反，两束光叠加将相互抵消为零。这样任何方向上的光都有相互抵消的部分，而得不到较强的光。这相当于入射光的强度均匀分布在各个方向上，显然这对提高材料的透明度是不利的。实验表明，表面光洁的材料往往具有更高的透光率，抛光是提高材料透明度的一个重要手段。对于表面光洁的材料，不考虑其漫反射的情况下，从反射定律和能量守恒定律可以推出，当光束垂直或接近垂直介质表面入射时，其反射系数R为 其中n1和n2分别为两种介质的折射率。光束透过陶瓷薄膜材料需要经过两个界面，若只考虑界面反射因素，则透过薄膜后的光强I与入射光强I0的关系为： 由此可见，两种介质的折射率相差越大，其接触面上的反射也越大，光的损失也越大。在电镜领域，往往采用油浸镜头，以及用折射率与镜头材料相近的胶将各个镜头粘贴在一起，正是为了减少由于镜头与空气折射率差异而造成的光反射损失。在电镜领域中，往往还会在镜头表面镀一层厚度为四分之一入射光波长（）的薄膜，使得两个界面的镜面反射光程差正好相差，这两束反射光相互消光，使反射光近于零，从而提高透光率。但在陶瓷材料领域，目前还没有类似方法的应用。 表面的折射：光从真空进入较致密的材料时，其速度降低。光在真空和材料中的速度之比即为材料的折射率 根据马克斯威尔电磁波理论，光在介质中的传播速度应为 其中，为真空中光束，为介质的介电常数，为介质的导磁率。因此有 在无机材料中，，，因此有 由此可见，材料的折射率随介电常数的增大而增大。介电常数与材料的极化现象有关。当介质受外电场作用时，其正负电荷中心可能发生定向相对位移而发生极化。极化的强度与材料中正负电荷数及相对位移的大小有关。光束穿过发生极化的介质时，电磁辐射将和原子的电子体系相互作用，光波被减速，折射率变大。材料的折射率越大，不仅直接导致入射光束方向上的光强减弱，从而降低直线透光率，而且还会增强表面的反射。因此，为了获得透明度较高的陶瓷材料，应该研究那些折射率较低的材料，即选择那些原子半径小，极化强度小的材料。 晶界的反射与折射：当光束在均匀介质中传播时，不会发生光的反射与折射。但是在陶瓷材料中，为了改善其烧结或其它性能，往往会在材料中加入添加剂。为了使整个系统的内能最小化，添加剂往往会在材料晶界附近产生偏析，使材料成分发生起伏，甚至在晶界处形成第二相。材料偏析的驱动力是质点位于晶内与晶界处的内能差，阻力是质点分布的组态熵。当两者达到平衡时，质点的分布处于稳定状态。在晶界处形成的第二相对材料的光学性能有非常大的影响。比如，为了提高Al2O3陶瓷的透光率，往往在原料中加入少量的MgO来抑制晶粒长大。MgO可以与Al2O3形成尖晶石薄膜而附着在Al2O3晶粒表面，这可以阻止晶粒在烧结后期的迅速长大，同时又可以提供较长的时间使坯体中气体充分排出，从而提高材料透光率。但是新生成的尖晶石的折射率（1.72）比Al2O3的折射率（1.76）小，这样在两相界面处便会产生反射与折射，使材料透光率下降。透射光束的损失与穿越晶界的数目有关。另外，如果材料不是各向同