学术干货 | 一篇诠释透明陶瓷制备关键技术的诚心之作

What？陶瓷也能透明？是的，你没有听错！咱们材料人就是如此的机智。传统的陶瓷材料都是不透明的，如我们家里用的瓷碗。但是透明陶瓷在国防工业等“高大上”领域有着非常高的诱人的应用前景(如透明装甲陶瓷、医疗仪器用透明闪烁陶瓷)，所以我们材料人的研究总是对口祖国和人民的需要，因此许多陶瓷材料专家和学者就在想怎么样如何才能让陶瓷透明？

图1透明陶瓷样品及其微观结构(图摘自中科院福建物构所周有福课题组网页)

时至今日，我们国家对于透明的研究也取得了一系列的成果，国内透明陶瓷“专业户”有：中科院上海硅酸盐研究所（拥有中国科学院透明光功能无机材料重点实验室）、武汉理工等单位。好吧，“前戏”就到这里吧！看官不要着急，小编这就进入正题。

陶瓷从传统不透明到半透明，再到接近完全透明，其中涉及到大量基础科学问题, 尤其是材料的微结构。要想制备透明的陶瓷，首先我们需要研究普通陶瓷材料为什么是不透明的，这样对于我们制备透明陶瓷能够有很好的“反面教材”意义。

图2光在多晶陶瓷体中传播过程

陶瓷是由粉体烧结而成的，它是由晶粒、晶界和气孔组成的多晶体，在光的照射下，晶界和气孔处会产生光吸收、反射、折射、散射等, 故从光学意义上来说,多晶陶瓷一般是不透明的。那么我们该怎么做才能制备出非常透明的陶瓷呢？对比“反面教材”的特点，可以得出透明陶瓷的制备关键点有：

一、粉体原料

原料的纯度是影响透明性诸多因素中的主要因素之一，所以想要制备出高品质透明陶瓷就必须是“制粉小能手”。粉体纯度要高，如果粉中含有杂质的话，会成为光的散射中心，大大降低其制备的陶瓷透光性.

粉体的粒度要小.当原料的粒度很小时, 处于高度分散状态, 烧结时细微颗粒可缩短气孔扩散的路程, 颗粒越细, 效果越好，减少光在气孔出的散射与反射，陶瓷的透明程度也就提高了，纳米材料的也极大的促进透明陶瓷的发展；

为了获得透明陶瓷, 有时需加入添加剂, 抑制晶粒生长，添加剂的用量一般很少, 所以要求添加剂能均匀分布于材料中, 另外, 添加剂还应能完全溶于主晶相, 不生成第二相物质，不然的话这外加添加剂可能就会“帮倒忙”喽！所以添加剂的使用可以说是一门艺术。

二、烧成制度

设计合理的烧成制度是为了尽可能地排除陶瓷内部的气孔（对透明陶瓷透光性能影响最大的就是这“该死的”气孔,），提高致密度。烧结制度主要包括烧结温度、保温时间、降温速度等等。

烧结透明陶瓷时, 要根据烧结材料的性能和坯体的性能及大小来确定最高烧结温度。烧结透明陶瓷时, 必须控制升温速度, 确保整个坯体均匀加热, 控制晶体生长速度和晶粒尺寸, 并达到消除气孔的目的。保温时间的选择可依照晶粒的大小和气孔有无而定, 冷却制度的确定应以陶瓷无变形且无内应力为准。普通的烧结技术是达不到这样的要求，所以就需要各种高大上的烧结设备和技术，后面再谈。

这还不够呢！最后还需经真空、氢气气氛或其它气氛中烧成，让陶瓷烧结体中气孔被置换后很快的进行扩散, 从而达到消除气孔的目的, 使用这种烧结方法能达到陶瓷透明。

三、晶界结构和表面粗糙度

晶界结构和表面粗糙度也是制备透明陶瓷所需要考虑的。

当入射光进入晶粒时, 会与晶界相遇, 则会产生折射和反射。如果晶界与晶粒的折射率相同时, 根据相关公式就不会发生折射和反射。如果晶界与晶粒之间折射率存在一定的差距, 就会影响透过率。各向异性晶体具有双折射效应, 在晶界处会出现反射损失而降低透过率。对于立方晶体结构的陶瓷, 由于其各向同性, 光线进入陶瓷内部, 不会产生双折射效应，所以现在很多透明陶瓷都是立方晶系的，随着技术的发展，研究人员正在开发非立方晶系的透明陶瓷。

从表面粗糙度角度来说，光线入射到粗糙表面上会发生漫反射。烧结陶瓷的表面粗糙度越大, 其透过率就越低，可以通过应对陶瓷表面进行研磨和抛光来解决这些问题。

介绍完透明陶瓷烧结的要点……我们来看看烧结技术

透明陶瓷烧结技术

1、热压烧结

热压烧结是在加热粉体的同时进行加压,因此烧结主要取决于塑性流动,而不是扩散。对于同一种材料而言,压力烧结与常压烧结相比,烧结温度低得多,而且烧结体中气孔率也低,另外由于在较低的温度下烧结,抑制了晶粒的成长,所得的烧结体致密,且具有较高的强度。热压烧结的缺点是加热、冷却时间长,而且必须进行后加工,生产效率低,只能生产形状不太复杂的制品。

图3高温高压烧结设备示意图

2、热等静压烧结

是一种集高温、高压于一体的工艺生产技术，加热温度通常为1000 ~2000℃，通过以密闭容器中的高压惰性气体或氮气为传压介质，工作压力可达200MPa。在高温高压的共同作用下，被加工件的各向均衡受压。故加工产品的致密度高、均匀性好、性能优异。同时该技术具有生产周期短、工序少、能耗低、材料损耗小等特点。

图5不同预烧结温度对透明陶瓷制备影响

3、真空烧结

氧化物陶瓷坯体的气孔中含有的水蒸气、氢、氧等气体在烧结过程中借溶解、扩散沿着坯体晶界或通过晶粒可从气孔中逸出，但其中的一氧化碳、二氧化碳，特别是氮，由于溶解度较低，不易从气孔中逸出，致使制品内含有气孔，致密度下降。如将坯体在真空条件下烧结，则所有气体在坯体尚未完全烧结前就会从气孔中逸出，使制品不含气孔，从而提高制品的致密度。

4、放电等离子烧结

放电等离子烧结法是90年代发展起来的一种烧结技术。SPS装置设备非常类似于热压烧结炉,所不同的是这一过程给一个承压导电模具加上可控脉冲电流,脉冲电流通过模具,也通过样品本身,并有一部分贯穿样品与模具间隙。通过样品及间隙的部分电流激活晶粒表面,击穿孔隙内残余气体,局部放电,甚至产生等离子体,促进晶粒间的局部结合,通过模具的部分电流加热模具,给样品提供一个外在加热源。所以,在SPS过程中样品同时被内外加热,加热可以很迅速。

又因为仅仅模具和样品导通后得到加热,截断后它们即实现快速冷却,冷却速度可达300℃/imn以上。优点在于SPS烧结技术的快速升温特性,有利于控制晶粒的异常长大,同时模具所给予的压力又促使陶瓷致密化,但是其缺点在于由于升温快,保温时间也比较短,这样使得气孔的完全排除比较困难。

图6放电等离子烧结设备示意图

5、微波烧结

利用在微波电磁场中材料的介电损耗使陶瓷及其复合材料整体加热至烧结温度而实现致密化的快速烧结的新技术。微波烧结速度快、时间短,从而避免了烧结过程中陶瓷晶粒的异常长大,最终可获得高强度和高致密度的透明陶瓷。微波烧结工艺中的关键是如何保证烧结试样的温度均匀性和防止局部区域热断裂现象。

总结

主要是控制烧结体的微观结构，特别是气孔率。

对于透明陶瓷的制备所花的费用是所有陶瓷材料中最贵的之一吧！所以一般人是玩不起的，上面所说的那些设备都是非常贵的。在制备透明陶瓷的过程中需要非常小心，一点的瑕疵都有可能导致实验的功亏一篑，但是挑战高难度是我们材料人的性格。当看到自己做的透明陶瓷展现在我们面前的时候，自豪感和成就感是常人无法享受到的。最后补充一句，透明陶瓷的气孔率一般要达到95%甚至更高，所以加油，做透明陶瓷的小伙伴！

本文由材料人编辑部学术组淡年华供稿，材料牛编辑整理。

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