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鄒小姐：13326633089 -
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透明陶瓷，又稱光學(xué)陶瓷，顧名思義就是運(yùn)用特殊工藝燒結(jié)制備出的能夠透光的陶瓷，行業(yè)內(nèi)一般會把直線透過率10%作為透明陶瓷與半透明陶瓷的分界線。
既然是陶瓷，那么透明陶瓷自然也具備陶瓷固有的耐高溫、耐腐蝕、高絕緣、高強(qiáng)度等特性，因此可應(yīng)用于條件極度嚴(yán)苛的環(huán)境或是工程設(shè)計當(dāng)中，如國防工業(yè)、特殊工業(yè)設(shè)備等；同時又因為透光，還擁有類似玻璃的光學(xué)性能，在照明技術(shù)、光學(xué)技術(shù)、特種儀器制造、無線電子學(xué)、信息探測、高溫技術(shù)以及軍事工業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。
不僅性能優(yōu)，就連顏值也高的透明陶瓷（來源：konoshima）
目前，透明陶瓷在未來技術(shù)發(fā)展上的潛力已受到廣泛認(rèn)可，下面將對幾種透明陶瓷及其應(yīng)用作具體介紹。
一、透明陶瓷為什么能透光？
早在1930年，科學(xué)家們就已經(jīng)開始進(jìn)行對透明陶瓷的研究，并在1957年時，由美國General Electric Company的陶瓷專家R. L. Coble與他的團(tuán)隊制備出第一塊透明氧化鋁陶瓷。這個團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，他們所制備出的透明氧化鋁樣品于儀器分析下并沒有發(fā)現(xiàn)任何微氣孔，就推測陶瓷透明度可能與微氣孔存在有很大的關(guān)系——事實也確實如此。
作為一種多晶無機(jī)材料，陶瓷一般是由晶粒、晶界、氣孔等組成。一般而言，多晶陶瓷的不透明性是由非等軸（立方）晶系晶粒在排列取向上的隨機(jī)性導(dǎo)致晶粒間折射系數(shù)不連續(xù)，以及晶界效應(yīng)及氣孔等因素引起的散射等原因所致。因此要成功制備透明陶瓷，除了氣孔結(jié)構(gòu)因素外，材料本身的純度以及晶體結(jié)構(gòu)也是影響的關(guān)鍵要因。
多晶陶瓷內(nèi)部影響光的散射主要因素示意圖
所以在實際生產(chǎn)過程中，高純超細(xì)的原料、盡可能少的添加劑和工藝上的嚴(yán)格控制都是必不可少的，其中工藝的控制主要是為了將陶瓷材料中的氣孔和雜質(zhì)充分排除，并適當(dāng)控制陶瓷材料的晶粒尺寸，使制品接近于理論密度。如此一來，就能避免入射光在透明陶瓷表面反射、內(nèi)部的吸收和散射，從而制備出透明陶瓷。
二、透明陶瓷的分類和用途
透明陶瓷種類很多，由于晶體結(jié)構(gòu)的差異它們會具有不同的特殊性能，可以滿足不同應(yīng)用領(lǐng)域的需求，因此一般會按功能和用途進(jìn)行分類。例如AlON透明陶瓷具有優(yōu)異的抗沖擊性能，在透明裝甲等軍事領(lǐng)域備受青睞。
1、透明激光陶瓷
從上世紀(jì)60年代以來，固體激光器得到快速發(fā)展，因而激光材料的研究受到廣泛關(guān)注。其中透明陶瓷材料因具有燒結(jié)溫度低、摻雜濃度高且方便調(diào)節(jié)、制備周期短、生產(chǎn)成本相對較低及易于制備多層結(jié)構(gòu)等多種優(yōu)點而備受關(guān)注。
1966年，E.Carnall等人2用熱壓燒結(jié)工藝研制出激光閾值與單晶相接近的Dy:CaF2陶瓷。1973年，C.Greskovich等用Y2O3、ThO2、Nd2O3作為原料合成出能發(fā)出激光的立方體固溶相NDY陶瓷，但激光閾值強(qiáng)度仍低于市面上最好的摻Nd玻璃。1995年，日本A.Ikesue博士等以高純粉體為原料，在1750℃高溫真空燒結(jié)成型好的素坯，成功研制出含0.3-4.8at%的Nd2O3的YAG陶瓷，其激光性能比利用直拉法制備的YAG單晶的激光效率還要高，實現(xiàn)了透明激光陶瓷的重要突破。國內(nèi)則于2006年5月由中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所科研人員首次實現(xiàn)了1.0at%Nd:YAG透明陶瓷的激光輸出。
激光陶瓷
總而言之，在研究人員的努力下，通過改進(jìn)燒結(jié)工藝和燒結(jié)設(shè)備，近年來激光透明陶瓷的激光效率不斷提高，更被業(yè)界認(rèn)為有望取代晶體的地位，成為應(yīng)用最廣泛的激光材料之一。理由如下：
①陶瓷的制備時間短，燒結(jié)裝置無需貴金屬材料，燒結(jié)無需在高純保護(hù)性氣氛下進(jìn)行，制備成本低；
②陶瓷可以制備成多種形狀，制備大尺寸的陶瓷是其制備方法固有的優(yōu)勢；
③陶瓷中摻雜粒子濃度高，從整體上看摻雜粒子的分布均勻；
④陶瓷燒結(jié)的溫度比晶體的熔點低許多，制備出的陶瓷其組份偏離??；
⑤陶瓷能夠做成不同形狀或者多層材料進(jìn)行燒結(jié)，有可能發(fā)展出多功能陶瓷。
固體激光在激光武器、激光核聚變點火、激光切割、激光熔覆等領(lǐng)域的應(yīng)用（來源：中科院上硅所官網(wǎng)）
2、透明閃爍陶瓷
閃爍材料是一種能將入射在其上的高能射線（X/γ射線）或粒子轉(zhuǎn)換為紫外或可見光的晶態(tài)能量轉(zhuǎn)換體，廣泛應(yīng)用在高能物理與核物理實驗、影像核醫(yī)學(xué)（簡稱CT和PET）、工業(yè)CT在線檢測、油井勘探、安全稽查及反恐應(yīng)用等。能夠把帶有高能量的射線轉(zhuǎn)化為可見光的透明陶瓷，就被稱為“透明閃爍陶瓷”。
閃爍材料在核醫(yī)學(xué)成像、工業(yè)無損檢測、高能物理粒子探測和機(jī)場安檢等領(lǐng)域的應(yīng)用（來源：中科院）
近年來隨著影像核醫(yī)學(xué)醫(yī)療設(shè)備的發(fā)展和及和高能物理與核物理實驗需求的提高，對閃爍體的要求也越來越高：大的有效原子序數(shù)（有利于高能射線吸收）、更高的光輸出（提高信號強(qiáng)度）、更快的衰減（可以實時成像，減少干擾）、更高的能量分辨率（提高成像精度）。而透明閃爍陶瓷由于具有可在較寬范圍內(nèi)摻雜，所需成本可控、易于制備大尺寸等諸多優(yōu)點，因此應(yīng)用潛力巨大，目前在醫(yī)學(xué)儀器領(lǐng)域、油井檢測、反恐等領(lǐng)域都有所應(yīng)用，而且已經(jīng)開發(fā)出GOS、GGG等不同的陶瓷閃爍體材料。
3、透明裝甲陶瓷
透明裝甲主要應(yīng)用在坦克、武裝直升機(jī)、防彈窗口等軍事領(lǐng)域。目前應(yīng)用較廣的裝甲材料主要是有單晶、抗彈玻璃和透明陶瓷。在這些材料中，透明陶瓷材料縣備光學(xué)質(zhì)量高、硬度大、耐刮利擦、耐高溫等優(yōu)點，適合在戰(zhàn)爭等極端環(huán)境中應(yīng)用，因此成了軍隊裝甲材料的首選。
法國武器裝備總局（DGA）與先進(jìn)陶瓷企業(yè)SOLCERA在“SPINELLE”（尖晶石）項目中共同開發(fā)的新型透明陶瓷裝甲窗
在眾多透明陶瓷材料中，常作為裝甲材料的主要是MgAl2O4和AlON透明陶瓷。在實際大范圍應(yīng)用中，為了減輕坦克等攜帶的裝甲的重量以及出自減少成本的考慮，經(jīng)常會將透明陶瓷和其它透明材料復(fù)合搭配使用，能夠達(dá)到軍事用抗沖擊的等級要求，如下圖中的這種結(jié)構(gòu)。
新型透明防彈裝甲結(jié)構(gòu)示意圖
可看出，透明防彈裝甲由三個功能層組成：
①迎彈面層：通常由玻璃、玻璃陶瓷或透明陶瓷制成，用于使彈丸鈍化、損傷、碎裂；
②中間層：由玻璃或聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）構(gòu)成，用于能量吸收、止裂、緩解熱膨脹錯配；
③背彈面層：通常選擇聚碳酸酯（PC），用于防碎片飛濺。
其中，迎彈面是整個透明防彈裝甲系統(tǒng)的核心。此外還有各層之間的黏結(jié)層（用于連接系統(tǒng)并提供多次撞擊阻力）。
4、紅外透明陶瓷
為了應(yīng)對未來戰(zhàn)場錯綜復(fù)雜的情況，軍用紅外光電系統(tǒng)需要能夠滿足不同嚴(yán)苛要求，其中紅外窗口和紅外整流罩是保護(hù)光電系統(tǒng)的重要部件。由于導(dǎo)彈攻擊速率在不斷提升，造成導(dǎo)彈前端位置與空氣摩擦產(chǎn)生的載荷也劇烈增加，因此紅外窗口和紅外整流罩要具備高透過率、力學(xué)性能好、熱導(dǎo)率高、抗熱震性強(qiáng)、耐腐蝕等優(yōu)點。在不同紅外波段應(yīng)用的材料種類也是不一樣的，目前已經(jīng)開發(fā)出的中波紅外材料主要有MgF2、MgAl2O4、AlON和Y2O3透明陶瓷和藍(lán)寶石單晶等；長波紅外透明材料主要是ZnS、ZnSe、CdTe等透明陶瓷。
透明鎂鋁酸尖晶石陶瓷（來源：laserfocusworld）
比如說上圖中由美國海軍研究實驗室(NRL)開發(fā)的用于高能激光(HEL)系統(tǒng)的透明鎂鋁酸尖晶石(MgAl2O4)陶瓷，在不改變傳輸參數(shù)的情況下，它可以承受時速600英里的雨滴和時速460英里的沙粒的沖擊。因此作為窗口和圓頂材料，可以很好地保護(hù)從紫外到中紅外到5μm的傳感器，優(yōu)異的低吸收損耗（6ppm /cm）使它能最大限度地減少在HEL系統(tǒng)中作為光路畸變測量的光束畸變和輸出功率損失。
資料來源：
AlON透明陶瓷的光學(xué)性能優(yōu)化研究，李建民。
陶瓷基透明防彈裝甲研究進(jìn)展，劉家希，石曉東，姜良寶等。
Transparent ceramic suits high-energy laser systems(Gail Overton)
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