陶瓷也透明

黃　慶

陶瓷是我們生活中最親近的物品，如瓷碗、瓷杯、潔具、工藝瓷器等，這些我們都稱為生活日用瓷，日用瓷并不需要瓷器的用料非常純凈，只要最后得到的產(chǎn)品具有一定的強(qiáng)度就可以。然而在工業(yè)上，陶瓷對(duì)于用料的要求卻非常之高，舉一個(gè)例子來說，高壓電線之間配置的絕緣瓷，如果內(nèi)部雜質(zhì)含量大于千分之一就會(huì)造成電擊穿的現(xiàn)象。這里要聊的透明陶瓷是對(duì)陶瓷原料純度要求更高的新型陶瓷，雜質(zhì)含量必須低于萬分之一，而且透明陶瓷內(nèi)部的晶粒形貌和尺寸都必須均勻分布，所以透明陶瓷也被認(rèn)為是所有陶瓷中最完美的一個(gè)家族。

何為透明陶瓷

工業(yè)陶瓷一般也叫做精細(xì)陶瓷，在特殊應(yīng)用場合我們需要陶瓷在一定的電磁頻率范圍內(nèi)透明，這樣就可以用陶瓷作為航天器上的窗口材料。如果在紫外一可見光范圍內(nèi)，也就是200～800納米光波長范圍內(nèi)能透過光波，那么就是我們?nèi)搜劭梢钥匆姷耐该魈沾桑蝗绻麅H有紅外頻譜某個(gè)區(qū)域的電磁波能夠穿透陶瓷，雖然人眼看起來陶瓷是白色的，但也可以說該陶瓷對(duì)于特定電磁波“透明”。所以透明的含義并不是按照人眼所見作為標(biāo)準(zhǔn)，而是需要科學(xué)計(jì)量手段來進(jìn)行表征。

我們?nèi)粘Ｓ玫拇皯舳际峭该鞯牟Ａ?，為什么一定要研究透明的陶瓷?這是因?yàn)樘沾珊筒Ａ啾染哂心透邷亍⒛透g、高強(qiáng)度、高硬度等優(yōu)異的性能。很多晶體也可以作為透明材料，但是晶體生長工藝、比較復(fù)雜，費(fèi)用昂貴，也不易于生長出大尺寸的單晶，就力學(xué)性能來說，晶體的硬度和耐磨性能也比陶瓷要遜色很多。這就是材料科學(xué)家為什么要開發(fā)透明陶瓷的原因。

透明陶瓷的制備并不輕松，需要結(jié)合具體陶瓷材料的高溫物理化學(xué)性質(zhì)找到最合適的燒結(jié)工藝。其中最主要的要求就是陶瓷晶粒尺寸一定要均勻，氣孔率要低，體積密度要趨近理論密度。打個(gè)比方：我們生活中使用的顆粒狀食鹽可以說是～個(gè)個(gè)氯化鈉晶體，一個(gè)顆粒就是一個(gè)晶體，如果我們把一把氯化鈉晶體壓成一個(gè)鹽餅，那么就稱這是一個(gè)具有高氣孔率的氯化鈉塊體。這個(gè)氯化鈉塊體中各個(gè)小晶體之間有很大的空間，就是氣孔，正是這些氣孔的存在使得氯化鈉塊體并不透明，而呈白色。如果我們用幾十兆帕的高壓去壓這個(gè)氯化鈉塊體，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)它會(huì)變得和單晶體一樣透明，這是因?yàn)槲覀儨p小了氣孔尺寸，在某個(gè)尺寸以下光的散射變得微乎其微了。而在陶瓷材料中道理也幾乎一樣：把氯化鈉小晶體換成其他具有立方結(jié)構(gòu)的無機(jī)粉體，同時(shí)鹽顆粒的尺寸縮小一萬倍，那么就和透明陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)一樣了。

陶瓷要透明的話就一定要減少入射光在陶瓷體內(nèi)的散射和折射，散射主要取決于氣孔的大小和分布；而折射則主要取決于陶瓷材料的晶體類型。一般立方晶系的材料其物理性質(zhì)是各向同性的，也就是說光線沿著各個(gè)方向傳播速度都一樣。而對(duì)于非立方晶系材料來說由于具有雙折射效應(yīng)，所以光在晶粒接觸的界面處會(huì)發(fā)生彎折(各向異性)，所以光線并不能沿著原來的路徑走，而是偏到一邊去了，這就是我們觀察到的蝕光現(xiàn)象。從以上分析中我們知道透明陶瓷研究的要點(diǎn)就在于使用高純的無機(jī)粉體制備出低氣孔率的塊體。如果我們?cè)趩我幌嗖牧现屑尤氲诙?，無論這是雜質(zhì)還是故意引入，由于這兩相具有不同的折射率，最終的材料都不可能具有很好的光透過率。不過正如前面所說，如果我們關(guān)心的只是某一個(gè)特定的電磁光譜，那么加入新的第二相有時(shí)反而能夠調(diào)控透明“窗口”的位置。

透明陶瓷的制備方法涉及到很多先進(jìn)的陶瓷燒結(jié)技術(shù)，這些技術(shù)的一個(gè)共同特點(diǎn)就是在燒結(jié)過程中施加了一定的壓力，這個(gè)壓力使得陶瓷粉體之間接觸更加緊密，氣孔排除得更快。現(xiàn)在已經(jīng)有很多材料能夠制備成透明陶瓷，美國在1962年首次制備出了氧化鋁透明陶瓷，隨后氧化釔、氧化鎂、氧化鋯等透明陶瓷也相繼問世。所有這些透明陶瓷的研究和發(fā)展給醫(yī)學(xué)、光學(xué)、高能物理等相關(guān)學(xué)科的研究提供了材料基礎(chǔ)，也提供了透明陶瓷科學(xué)分支發(fā)展的一個(gè)良好的機(jī)遇。

節(jié)能鈉燈

首先我們來看看氧化鋁透明陶瓷。其內(nèi)部相鄰晶粒由于晶體取向不同而存在著折射率微小的差異，從而會(huì)使入射光線偏轉(zhuǎn)，再加上氣孔對(duì)于入射光的強(qiáng)烈散射，所以一般不致密的氧化鋁陶瓷總是呈白色。由于氧化鋁強(qiáng)度非常大，工業(yè)上也常把它叫做‘剛玉。但是一旦氧化鋁陶瓷的氣孔率低于0.01％，氣孔散射的影響就可以忽略不計(jì)，這樣陶瓷在3～5微米的電磁波段光透過率就能達(dá)到所對(duì)應(yīng)的光透過率的86％左右。3～5微米電磁波是中紅外區(qū)域，在高溫下熱釋光經(jīng)常就在這個(gè)范圍?？紤]到氧化鋁陶瓷的高強(qiáng)度、耐高溫、高耐腐蝕性、高電絕緣性和具有適合的熱導(dǎo)率等性質(zhì)，透明氧化鋁陶瓷常被工業(yè)界用來做高壓鈉燈材料。高壓鈉燈的操作溫度一般都在1200℃左右，如此高的溫度可不是普通燈管玻璃可以忍受的。長期以來，工業(yè)界就一直在尋找一種適合高密度放電燈的封裝材料，曾經(jīng)使用過氧化硅和石英材料，但是這兩種材料在高溫下都容易被金屬鹵化物所腐蝕。而將藍(lán)寶石(氧化鋁單晶)制備成復(fù)雜形狀，成本很高。所以后來工業(yè)界一直都致力于制備出低成本、高透過率的透明氧化鋁燈管材料，而且也獲得了很大的成功?，F(xiàn)在的透明氧化鋁陶瓷可以經(jīng)受600兆帕以上的高壓，這樣可以滿足高壓狀態(tài)下鹵燈的運(yùn)行，燈管內(nèi)鈉蒸氣壓越大，光轉(zhuǎn)化效率越高，越節(jié)約能源，對(duì)于像大型體育場館這樣的高能耗密度場所，節(jié)能的高壓鈉燈是非常有益的。

輕薄的軍用玻璃

透明陶瓷在軍事以及其他防御系統(tǒng)中也大有用武之地，比如說做防彈頭盔面罩，如果用玻璃材料的話需要幾個(gè)厘米，然而用透明陶瓷的話只需要兩個(gè)毫米，這樣就可以極大減輕負(fù)載。但透明氧化鋁陶瓷材料并不適合做頭盔面罩，原因是其在2毫米厚度條件下在可見光范圍的光透過率并不理想，而氮氧化鋁陶瓷和鎂鋁尖晶石透明陶瓷更為適合。如果我們感興趣的應(yīng)用領(lǐng)域不在可見光范圍，而是紅外電磁波范圍，那么氧化鋁透明陶瓷倒是可以不受到材料厚度的限制，因?yàn)榧t外波長尺度比氣孔的尺寸要大了很多，電磁波就可以很容易地穿過氣孔不發(fā)生散射現(xiàn)象。紅外區(qū)域是熱源發(fā)出電磁波的核心區(qū)域，在軍事上導(dǎo)彈定位系統(tǒng)正是利用紅外探測器來確定空中飛行物體或者地面目標(biāo)。然而高速飛行的導(dǎo)彈在空中不可避免會(huì)和粉塵或者不明物體碰撞，如果用常規(guī)玻璃做彈頭紅外探測器窗口材料的話就極易產(chǎn)生表面損傷，這對(duì)于探測分辨率甚至整個(gè)探測器都是嚴(yán)重的威脅。透明氧化鋁陶瓷具有很高的耐磨性能，在1～5微米電磁波范圍內(nèi)能達(dá)到理論透過率，這些特點(diǎn)恰好滿足了紅外窗口材料的要求。當(dāng)然不僅僅只有氧化鋁陶瓷具有紅外透明的性能，當(dāng)考慮到材料的輕便性、硬度要求、窗口選擇性等特定要求時(shí)，材料科學(xué)家還將開發(fā)出更具有針對(duì)性的透明陶瓷材料出來。

鋯鉆不怕火煉

當(dāng)然，透明陶瓷的耐磨性能還可以用在日常生活中，如設(shè)計(jì)成手表蓋。由于形狀尺寸的要求，這樣的陶瓷蓋手表估計(jì)全球只能限量發(fā)行了。另外有些陶瓷，如氧化鋯，具有很高的折射率，可以全反射光線，制得的透明陶瓷也就更加晶瑩璀璨，這也是為什么有些鉆石企業(yè)喜歡用透明氧化鋯取代真正的鉆石，名曰：鋯鉆。鋯鉆致命的不足之處在于它的硬度比金剛石差很多，想要買鉆戒的朋友可要留心了，二者化學(xué)性質(zhì)上有很大不同，比如鋯鉆不怕火燒，十分穩(wěn)定，而金剛石則易被氧化，經(jīng)火燒便失去光澤。

責(zé)任編輯趙檸