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透明Al2O3陶瓷,蓝宝石与金属的钎焊

文章出处:微汉迪 人气:发表时间:2018-06-20 18:02

一、透明陶瓷的简介


1. 什么是透明陶瓷?

 

所谓透明陶瓷就是能透过光线的陶瓷。通常陶瓷是不透明的,其原因是陶瓷材料内部含有的微气孔等缺陷对光纤产生折射和散射作用,使得光线几乎无法透过陶瓷体。1959年通用电气公司首次提出了一些陶瓷具有可透光性,随后1962年R.L.Coble首次制备了半透明的Al2O3陶瓷证实了这一点,同时也为陶瓷材料开辟了新的应用领域。

 

2. 透明陶瓷的特点有哪些?

 

透明陶瓷不仅有良好的透明性和光学特性,同时又保持结构陶瓷的高强度、耐腐蚀、耐高温、电绝缘好、热导率高及良好的介电性能,因此在新型照明技术、高温高压及腐蚀环境下的观测窗口、红外探测用窗、导弹用防护整流罩、军事用透明装甲等领域得到愈来愈多的应用。

 

此外,与单晶相比,透明陶瓷制造成本低、易于大批量生产,可以制成尺寸较大、形状复杂的制品;而与玻璃相比,透明陶瓷具有强度和硬度高、光学透过范围大、导热性好、耐腐蚀、可以实现活性离子的高浓度均匀掺杂等特点,所以对于许多特殊要求的光学零部件及激光材料,透明陶瓷具有无可比拟的优势。
 

 
 

 

二、陶瓷如何做到透明?

首先我们要了解一下影响陶瓷透明的几个因素。

 

1、影响陶瓷透明的因素

  • 气孔率

  • 晶界结构

  • 表面光洁度

  • 晶粒尺寸

  • 晶体结构

杂质


 

图 多晶陶瓷中的主要光线散射效应

 

2、如何将陶瓷做的透明?

 

想让陶瓷透明,必须从以上几个方面进行改善:

 

  • 完全消除气孔或使气孔率趋于0;

  • 通过研磨抛光提高表面光洁度;

  • 减小杂质;

  • 选用各项同性的立方晶系材料

  • 让晶界结构尽可能薄,洁净无杂物和气孔

  • 让晶粒尺寸与入射光波长相差较大;

         选择立方等轴晶系的陶瓷
 

三、透明陶瓷的种类


1. 氧化铝透明陶瓷

 

透明氧化铝陶瓷最早是由美国GE公司的Coble博士发明的,其商品名称为LucaloxTM,0.75mm厚的Lucalox薄片于可见光谱区的总透光率达90%。

 

目前,透明氧化铝陶瓷除了用于高压钠灯,现在已用在新型照明的金属卤化物灯中作为发光管。此外作为生物陶瓷用作牙齿矫正中的陶瓷托槽。

 

制备氧化铝陶瓷的关键是消除残余气孔。如前所述,气孔与透明陶瓷的折射率相差最大,所以气孔的数量和大小对散射损失的影响最大。

 

2. 氧化镁透明陶瓷

 

氧化镁透明陶瓷属立方晶系,晶格常数为0.42nm,折射率为1.736,光学性能具有各向同性,其透光性比Al2O3陶瓷好,加之其熔点高达2800℃和耐碱性好,可用于制作高温炉窗口,红外探测器罩和高耐碱性的坩埚与反应容器等。

 

MgO高温缺氧气氛下易蒸发或升华损失。因此,透明MgO陶瓷制备常采用热压烧结或热等静压烧结。此外,在MgO粉料中添加少量的LiF、NaF等烧结助剂,以便形成液相促进致密化烧结而成为透明体。

 

3. 氧化钇透明陶瓷

 

20世界60年代报道了采用热压烧结制备Y2O3透明陶瓷,热压烧结可不使用添加剂,也可使用LiF作为添加剂。在真空下施加69~83MPa的压力,1000℃左右烧结48h,可得到Y2O3透明陶瓷。

 

烧结助剂在透明Y2O3陶瓷制备中是非常重要的,这些添加剂包括LiF、Nd2O5、Yb2O3、ThO2、Er2O3、La2O3等。

 

4. 镁铝尖晶石透明陶瓷

 

镁铝尖晶石(MgAl2O4)属于立方晶系,具有光学各向同性的特性,因此这种材料可以具有比六方晶系Al2O3更高的透明度;对于可见光、紫外光和红外光均具有良好的透过率。

 

常用的工艺一般是在尖晶石粉末中引入0.5-1.5wt%LiF作为助烧剂,于1400-1500℃进行热压或在1500-1700℃真空烧结,然后再于1800-1900℃范围,200MPa压力下进行热等静压烧结。

 

促进MgAl2O4透明陶瓷烧结和致密化的添加剂有LiF,CaCO3+LiF,CaO,B2O3,AlCl3,AlF3,Na3AlF6。

 

5. 钇铝石榴石激光透明陶瓷

 

  • 自80年代中期,人们开始重点关注和研究钇铝石榴石(YAG)掺Nd3+、Yb3+、Ln3+、Er3+、Tm3+等稀土离子的激光透明陶瓷材料与器件。•1990年SekitaM(SekitaM. ,1990)采用均相共沉淀法,以尿素作为沉淀剂制备出Nd3+:YAG粉末,用冷等静压成型和真空烧结工艺制得不同掺Nd3+量的YAG陶瓷。

  • 1995年,日本科学家I Kesue等(I KesueA,1995)在透明激光陶瓷这一领域取得重要突破。

     

6. 氮化铝透明陶瓷

 

氮化铝透明陶瓷不仅具有AlN陶瓷自身的优点,如高热导率、低介电 常数、高绝缘性等,而且还具有良好透明性,使其在红外导流罩以及窗口材料等领域有着广泛的应用前景。

 

为了达到高致密度一般需加入稀土金属氧化物或碱土金属氧化物作为烧结助剂,通过产生少量液相促进烧结,常用的有效的添加剂有CaO,Ca3Al2O6,CaF2,Y2O3,La2O3、CaC2、 Ca(NO3)2或3CaO·2A12O3等。此外,起始AlN粉料必须具备高纯度,尤其是Si、Mg、Fe的杂质含量均应低于200ppm,且氧含量要严格控制。

 

7. 塞隆透明陶瓷

 

近10年来,Mandal(H.Mandal, 1999)制备出具有等轴晶粒,厚度为1mm的α-SiAlON透明陶瓷试样,为了改善α-SiAlON透明陶瓷的力学性能,提高材料的断裂韧性和抗弯强度,(α+β)-SiAlON透明陶瓷近几年也得到重视。

 

8. 阿隆透明陶瓷

 

AlON透明陶瓷具有良好的光学性能、介电性能、和化学性能;同时还具有较高的抗弯强度(380MPa)和高硬度(1950kg/mm2)。此外,作为多晶陶瓷,它比单晶蓝宝石更容易制得大尺寸部件,而且用传统的陶瓷制备技术就可以制得复杂的透明部件,这大大降低了成本。因此,AlON在透明装甲和许多光学领域是非常有用的材料。如用于气体灯管、雷达天线罩、耐高温红外传感器窗口材料、坦克装甲车的观察窗、武装直升飞机的透明装甲等多个方面。
 

四、透明陶瓷的制作工艺及关键因素


以下是透明陶瓷的工艺流程。

制作透明陶瓷关键工艺因素有以下几点:

 

  • 陶瓷粉末的选择

陶瓷粉末特性直接影响致密化烧结和陶瓷内部的显微结构,从而显著影响最终烧结后陶瓷的透光性能。

 

  • 合适的烧结添加剂

添加剂用量一般很少,原则上所使用的的添加剂应能均匀分布于材料中,即能完全固溶于主晶相而不以新的固相形式析出,不破坏系统的单相性,否则又会形成新的第二相散射。

 

  • 致密化烧结工艺

合理而有效的烧结工艺可充分地排除气孔,使气孔率趋近于零,从而达到完全致密化,获得透光性良好的透明陶瓷;因此烧结工艺选择是否合理在很大程度上直接决定陶瓷透明性。

 

  • 表面加工光洁度


     

    图 制作透明陶瓷的重要因素

    五、透明陶瓷应用领域


    透明陶瓷材料不仅具有较好的透明性、耐腐蚀性,能在高温高压下工作,而且还有许多其他材料无可比拟的性能,如强度高、介电性能优良、电导率低、热导性好等。因此,透明陶瓷材料在国民生活的各个领域应用广泛。

     

    1. 照明灯具

     

    透明陶瓷最早是使用在灯具上。人们利用透明陶瓷的高温耐腐蚀性,制备了高压钠灯、铯灯、铷灯、钾灯等。
     

     

图 高纯氧化铝透明陶瓷用于高压钠灯
 

 
图 高纯氧化铝透明陶瓷用于金卤灯

2. 工业领域

 

透明陶瓷具有透光性、耐高温性能,可以制作成电焊面罩以及核试验中的人体保护罩。这种面罩,也在飞行员中得到广泛的作用。

 

同时在机械工业上可以用来制造车床上的高速切削刀,汽轮机叶片,水泵,喷气发动机的零件等;在化学工业上可以用作高温耐腐蚀材料以代替不锈钢等;在仪表工业上可用作高硬度材料以代替宝石,在电子工业上可以用来制造印刷线路的基板和镂板。

 

图 透明陶瓷电路基板

 

3. 航空航天/国防军事

 

在国防军事上,透明陶瓷又是一种很好的透明防弹材料,还具有红外性能,可以做成导弹等飞行器头部的雷达天线罩和红外线整流罩等。


 

图 红外成像导弹头及导弹引头氮氧化铝透明罩子

图 透明陶瓷用于装甲车窗口

 

4. 医疗

 

钇铝石榴石化学式Y3Al5O12(YAG),是一种优良的激光基质,主要应用于医学和高能物理领域,是唯一能在常温下连续工作、且有较大功率的激光器。但是提高透明性和光输出率仍是研究的关键技术问题。

 

同时透明陶瓷还可以用做医疗器械,如牙科医疗用的牙齿矫正器。

 

5. 日用生活

 

在日用生活中可以用来制作各种器皿,瓶罐,餐具等等。

 
 

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