《功能材料透明陶瓷》PPT课件.ppt

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1、透光陶瓷透光陶瓷卡西欧卡西欧EXILIMEX-S500 LURACERA是2001年2月村田制作所成功开发的透明多晶体陶瓷。这种多晶体陶瓷广泛应用于微波和毫波的电介质谐振器，具有优良的电子特性，高透光率和折射系数，它同时也具备良好的无双折射光学特征。0.透明陶瓷的发展透明陶瓷的发展目前已经开发的透明陶瓷有氧化铝透明陶瓷、氧化钇透明陶瓷、目前已经开发的透明陶瓷有氧化铝透明陶瓷、氧化钇透明陶瓷、氧化锆透明陶瓷以及电光透明陶瓷和激光透明陶瓷等。氧化锆透明陶瓷以及电光透明陶瓷和激光透明陶瓷等。第一例透明陶瓷是第一例透明陶瓷是1962年在美国制备成功的氧化铝透明陶瓷。年在美国制备成功的氧化铝透明陶瓷。氧

2、化铝透明陶瓷是最早投入生产的透明陶瓷材料。将氧化铝透明陶瓷是最早投入生产的透明陶瓷材料。将MgO、ZnO、NiO、La2O3等添加剂掺入高纯细散的等添加剂掺入高纯细散的Al2O3粉末粉末中压制成型中压制成型,并在氢气保护下或真空中焙烧并在氢气保护下或真空中焙烧,即可完全消除气即可完全消除气孔孔,制得具有较高透明度的陶瓷材料。制得具有较高透明度的陶瓷材料。AlN陶瓷是另一种典型的透明陶瓷陶瓷是另一种典型的透明陶瓷,它最早是由美国在它最早是由美国在20世纪世纪60年代研发成功年代研发成功,到了到了90年代其制备工艺和应用技术逐渐得年代其制备工艺和应用技术逐渐得到发展。氮化铝透明陶瓷表现出硬度较高、

3、热导率较高、电到发展。氮化铝透明陶瓷表现出硬度较高、热导率较高、电导率较低、介电损耗较低、热膨胀系数较低、化学稳定性优导率较低、介电损耗较低、热膨胀系数较低、化学稳定性优良等诸多优异性能。良等诸多优异性能。PLZT电光陶瓷是一种典型的透明铁电陶瓷电光陶瓷是一种典型的透明铁电陶瓷,1970年年G.H.Haertling4首次制备了首次制备了PLZT透明陶瓷。透明陶瓷。PLZT透明陶瓷是通过在透明陶瓷是通过在ZrO、TiO、PbO中掺入少量中掺入少量LaO经过粉体混合、压力成形和高温烧经过粉体混合、压力成形和高温烧结而成的结而成的。这种材料具有较高的光透过率和电光效应。这种材料具有较高的光透过率和

4、电光效应,人工极人工极化后还具有压电、光学双折射等特性。主要用于制作光调制化后还具有压电、光学双折射等特性。主要用于制作光调制器、光衰减器、光隔离器、光开关等光电器件器、光衰减器、光隔离器、光开关等光电器件,也可制成也可制成PLZT薄膜薄膜,在电光和光学方面具有较多的应用。在电光和光学方面具有较多的应用。0.透明陶瓷的发展透明陶瓷的发展钇铝石榴石激光透明陶瓷最初是以钇铝石榴石激光透明陶瓷最初是以Al2O3、Y2O3、Nd2O3为基体制备而成为基体制备而成,1974年年,Greskovich等用传统陶瓷的制备等用传统陶瓷的制备工艺制备出了工艺制备出了Nd:Y2O3陶瓷陶瓷,其主要性能见表其主要性

5、能见表1。之后美国、。之后美国、日本、俄罗斯相继用不同的方法制备了高透明度的钇铝石榴日本、俄罗斯相继用不同的方法制备了高透明度的钇铝石榴石激光透明陶瓷。因其具有较高的机械强度、良好的化学稳石激光透明陶瓷。因其具有较高的机械强度、良好的化学稳定性和电物理性能定性和电物理性能,被认为是有希望的新一代固体激光材料。被认为是有希望的新一代固体激光材料。0.透明陶瓷的发展透明陶瓷的发展(1)易制造，用提拉法制备单晶需要几周，但是制备陶瓷只需几易制造，用提拉法制备单晶需要几周，但是制备陶瓷只需几天时间。而且陶瓷彻底烧结温度通常都大大低于它的熔融温度天时间。而且陶瓷彻底烧结温度通常都大大低于它的熔融温度;(

6、2)费用了氏。单晶需要在昂贵的铱费用了氏。单晶需要在昂贵的铱(Ir)或铂或铂(Pt)甘锅里生长，甘锅里生长，而陶瓷棒不需要而陶瓷棒不需要甘锅甘锅，而且生长速度较快。一般单晶的费用随它，而且生长速度较快。一般单晶的费用随它的尺寸增加而成倍增加，而陶瓷不然的尺寸增加而成倍增加，而陶瓷不然(3)尺寸大。单晶的生长方式限制了晶体的尺寸，因而就限制了尺寸大。单晶的生长方式限制了晶体的尺寸，因而就限制了潜在的输出功率。现在最大的单晶尺寸为潜在的输出功率。现在最大的单晶尺寸为23cm长，但现在制得长，但现在制得的多晶陶瓷的长度已达到单晶的的多晶陶瓷的长度已达到单晶的2倍倍;(4)大批量生产。陶瓷激光棒适合流

7、水线作业，减少了时间和费大批量生产。陶瓷激光棒适合流水线作业，减少了时间和费用，单晶却不然。用，单晶却不然。多晶陶瓷相对单晶有以下优点多晶陶瓷相对单晶有以下优点0.透明陶瓷的发展透明陶瓷的发展1.光学透明性的影响因素光学透明性的影响因素、本征影响因素、本征影响因素多数陶瓷材料属于电介质多多数陶瓷材料属于电介质多晶体晶体,这种多晶体一般有两这种多晶体一般有两个重要的共振区产生吸收光个重要的共振区产生吸收光谱带。一是束缚电子跃迁产谱带。一是束缚电子跃迁产生的本征吸收带生的本征吸收带,如图所示如图所示,左侧的紫外截止波段左侧的紫外截止波段,另一另一个是共振吸收带个是共振吸收带,是光学支是光学支的晶格

8、振动带。的晶格振动带。透明材料的透过率与波长的关系透明材料的透过率与波长的关系在本征吸收带在本征吸收带,非金属材料对于非金属材料对于光子的吸收有如下光子的吸收有如下3种机理种机理:电子电子极化极化;电子受激发吸收光子而跃电子受激发吸收光子而跃迁禁带迁禁带;电子跃迁进入位于禁带电子跃迁进入位于禁带中的杂质或缺陷能而吸收光子。中的杂质或缺陷能而吸收光子。当光子能量当光子能量hEg(禁带宽度禁带宽度)时时,电子吸收光子从价带激发到导带上电子吸收光子从价带激发到导带上,即即:式中式中hPlank常数常数;c光速光速;光波波长光波波长;才能吸收光子。才能吸收光子。因此因此,禁带宽度越大禁带宽度越大,紫外

9、吸收端的截止波长就越小。而对紫外吸收端的截止波长就越小。而对于杂质引起的吸收比于杂质引起的吸收比Eg小的很多的光子能量小的很多的光子能量,则可将电子则可将电子和空穴分别激发到导带和价带上。和空穴分别激发到导带和价带上。1.光学透明性的影响因素光学透明性的影响因素对于共振吸收带对于共振吸收带,如图所示如图所示,可可采用双原子振动模型来描述采用双原子振动模型来描述,质质量分别为量分别为m1、m2,瞬时间距为瞬时间距为r,谐振子的频率为谐振子的频率为:k原子结合力弹性常数原子结合力弹性常数原子的结合力越大原子的结合力越大,原子质量越小原子质量越小,则振动频率越高则振动频率越高,红外红外截止波长越小截

10、止波长越小,否则截止波长就越大。因此否则截止波长就越大。因此,一般来说一般来说,材材料的透波范围多数情况是包含可见光的范围料的透波范围多数情况是包含可见光的范围(visiblespectralregion),如果可见光不在这个透波范围如果可见光不在这个透波范围,那么材料那么材料的本性已经决定在可见光范围内不能透明的。的本性已经决定在可见光范围内不能透明的。1.光学透明性的影响因素光学透明性的影响因素介质透过率高低介质透过率高低,也就是介质吸收的光波能量的多少也就是介质吸收的光波能量的多少,不仅不仅与介质的电子的能带结构有关与介质的电子的能带结构有关,还与光程有关还与光程有关,也就是与光也就是与

11、光穿过的介质厚度有关穿过的介质厚度有关入射光的强度为入射光的强度为,那么经过那么经过x厚度的介质厚度的介质,其光强度将其光强度将下降下降,光的强度将变成光的强度将变成介质对光的吸收系数介质对光的吸收系数不同材料的不同材料的又有很大的差别又有很大的差别,空气的空气的10-5cm-1,对于对于金属来说金属来说,值在值在104cm-1数量级以上。因此数量级以上。因此,对于可见光对于可见光,金属是不透明的金属是不透明的1.光学透明性的影响因素光学透明性的影响因素对于陶瓷、玻璃等电介质材料，材料的吸收率或吸收系数对于陶瓷、玻璃等电介质材料，材料的吸收率或吸收系数在可见光范围内是比较低的。这是因为电介质材

12、料的价电在可见光范围内是比较低的。这是因为电介质材料的价电子所处的能带是填满的，它不能吸收光子而自由运动，而子所处的能带是填满的，它不能吸收光子而自由运动，而光子的能量不足以使价电子跃迁到导带，因而在一定的波光子的能量不足以使价电子跃迁到导带，因而在一定的波长范围内吸收系数很小。所以，陶瓷材料的可见光吸收损长范围内吸收系数很小。所以，陶瓷材料的可见光吸收损失相对来说是较小的，在影响透光率的因素中不占主要地失相对来说是较小的，在影响透光率的因素中不占主要地位。位。1.光学透明性的影响因素光学透明性的影响因素材料的反射系数和影响因素材料的反射系数和影响因素达到透明介质右侧的光强为达到透明介质右侧的

13、光强为如果两种介质折射率相差很大如果两种介质折射率相差很大,因此反射损失相当大因此反射损失相当大;若若两种介质折射率相同两种介质折射率相同,则则R=0,光透过后几乎没有损失。光透过后几乎没有损失。由于陶瓷、玻璃材料的折射率比空气的大由于陶瓷、玻璃材料的折射率比空气的大,所以损失比所以损失比较严重较严重1.光学透明性的影响因素光学透明性的影响因素1.2环境温度影响因素环境温度影响因素对于透明陶瓷材料对于透明陶瓷材料,可理解可理解为通过晶界把晶体颗粒方向为通过晶界把晶体颗粒方向无序结合在一起的多晶体无序结合在一起的多晶体,因此透明陶瓷的透过率可按因此透明陶瓷的透过率可按照单晶体进行参照分析。对照单

14、晶体进行参照分析。对于有些材料如半导体材料于有些材料如半导体材料,如果环境温度升如果环境温度升高到足够的程度高到足够的程度,在导带中的热激发电子能够吸收较少的能量在导带中的热激发电子能够吸收较少的能量,从而在带内进入更高的能态从而在带内进入更高的能态,使得电子在足够的温度下能够有使得电子在足够的温度下能够有更多的机率进入导带更多的机率进入导带,这就使得紫外截至波段随着温度向长波这就使得紫外截至波段随着温度向长波长方向移动长方向移动,即所谓的红移趋即所谓的红移趋1.光学透明性的影响因素光学透明性的影响因素随着温度上升随着温度上升,折射率增大折射率增大,透透过率逐渐减少过率逐渐减少,所以折射率随温

15、所以折射率随温度的变化而影响度的变化而影响到透过率。到透过率。温度、透过率与折射率之间的关系温度、透过率与折射率之间的关系1.光学透明性的影响因素光学透明性的影响因素对于透明材料的红外截对于透明材料的红外截止波段止波段,随着温度的升随着温度的升高而使原子能量增大高而使原子能量增大,原子的振动频率增大原子的振动频率增大,因而共振吸收截止频率因而共振吸收截止频率增大增大,因此红外截止波因此红外截止波长缩短长缩短,具有蓝移的趋具有蓝移的趋势。势。蓝宝石在不同温度下的透过率蓝宝石在不同温度下的透过率1.光学透明性的影响因素光学透明性的影响因素1.3制备影响因素制备影响因素陶瓷材料制备因素的影响陶瓷材料

16、制备因素的影响,这里主要包括杂质、气孔、晶界、这里主要包括杂质、气孔、晶界、微裂纹以及表面的粗糙度等方面。光通过陶瓷材料会受到一系微裂纹以及表面的粗糙度等方面。光通过陶瓷材料会受到一系列阻碍列阻碍,这就导致多晶陶瓷不可能有单晶、玻璃那样的透明这就导致多晶陶瓷不可能有单晶、玻璃那样的透明,从而使得多数陶瓷看上去不透明。从而使得多数陶瓷看上去不透明。1.3.1原料原料原料的纯度是影响透明性诸多原料的纯度是影响透明性诸多因素中的主要因素之一因素中的主要因素之一,原料中原料中杂质容易生成异相杂质容易生成异相,形成光的散形成光的散射中心射中心,如图所示如图所示,减弱透射光减弱透射光的在入射方向的强度的在

17、入射方向的强度,降低陶瓷降低陶瓷的透过率的透过率,甚至失透。甚至失透。陶瓷内光散射示意图陶瓷内光散射示意图1.光学透明性的影响因素光学透明性的影响因素当原料的粒度很小当原料的粒度很小,处于高度分散处于高度分散,烧结时微细颗粒可缩短烧结时微细颗粒可缩短气孔扩散的路程气孔扩散的路程,颗粒越细颗粒越细,气孔扩散到晶界的路程就越短气孔扩散到晶界的路程就越短,容易排除气孔和改善原料的烧结性能容易排除气孔和改善原料的烧结性能,使透明陶瓷结构均匀使透明陶瓷结构均匀,透过率高。透过率高。原料的活性不仅与原料的分散状态且与原料的相变或预烧原料的活性不仅与原料的分散状态且与原料的相变或预烧温度有关温度有关,预烧温

18、度过高则活性降低预烧温度过高则活性降低;过低则相变转化不过低则相变转化不完全完全,制品在烧结过程中会产生变形等不良的影响制品在烧结过程中会产生变形等不良的影响为了获得透明陶瓷为了获得透明陶瓷,有时需加入添加剂有时需加入添加剂,抑制晶粒生长。添加抑制晶粒生长。添加剂的用量一般很少剂的用量一般很少,所以要求添加剂能均匀分布于材料中所以要求添加剂能均匀分布于材料中,另另外外,添加剂还应能完全溶于主晶相添加剂还应能完全溶于主晶相,不生成第二相物质不生成第二相物质,也就也就是说是说,不破坏系统的单相性。不破坏系统的单相性。1.光学透明性的影响因素光学透明性的影响因素1.3.2烧成制度烧成制度烧成制度影响

19、陶瓷材料的透明度烧成制度影响陶瓷材料的透明度,一般的陶瓷烧结温度更一般的陶瓷烧结温度更高才能排除气孔高才能排除气孔,达到透明化烧结。烧结透明陶瓷时达到透明化烧结。烧结透明陶瓷时,要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。烧结透明陶瓷时温度。烧结透明陶瓷时,必须控制升温速度必须控制升温速度,确保整个坯确保整个坯体均匀加热体均匀加热,控制晶体生长速度和晶粒尺寸控制晶体生长速度和晶粒尺寸,并达到消除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无而定,冷却制度的确

20、定应以陶瓷无变形且无内应力为准。冷却制度的确定应以陶瓷无变形且无内应力为准。1.3.2.1烧结温度烧结温度透明陶瓷和普通陶瓷不同透明陶瓷和普通陶瓷不同,最后需经真空、氢气气氛或其最后需经真空、氢气气氛或其它气氛中烧成。在真空或氢气气氛中它气氛中烧成。在真空或氢气气氛中,陶瓷烧结体的气孔陶瓷烧结体的气孔被置换后很快的进行扩散被置换后很快的进行扩散,从而达到消除气孔的目的从而达到消除气孔的目的,使使用这种烧结方法能达到陶瓷透明用这种烧结方法能达到陶瓷透明1.3.2.2气氛气氛1.光学透明性的影响因素光学透明性的影响因素由于陶瓷属于光学不均匀体系，由于陶瓷属于光学不均匀体系，光会被物质内结构不均匀区

21、域光会被物质内结构不均匀区域的散射中心散射。光散射系数的散射中心散射。光散射系数由下列三个因素决定由下列三个因素决定陶瓷中光散射中心示意图陶瓷中光散射中心示意图1.光学透明性的影响因素光学透明性的影响因素1.4显微结构的影响显微结构的影响:(1)由杂质和添加物析出不同相以及烧结过程中残余气孔引起的由杂质和添加物析出不同相以及烧结过程中残余气孔引起的散射散射(2)由空穴、位错等晶体结构不完整造成的光散射由空穴、位错等晶体结构不完整造成的光散射(3)在晶体具有各相异性情况下，由于在晶界等折射率不连续界在晶体具有各相异性情况下，由于在晶界等折射率不连续界面上产生的反射、双折射显示出的光散射。面上产生

22、的反射、双折射显示出的光散射。图中图中Sima、b所示的析出物、残余气孔、晶界等不完整性和组成所示的析出物、残余气孔、晶界等不完整性和组成的不均匀性引起光散射系数。的不均匀性引起光散射系数。SOP则为光学各向异性所造成的在则为光学各向异性所造成的在折射率不连续界面的散射系数折射率不连续界面的散射系数(图图c所示所示)。1.4.1气孔率气孔率对透明陶瓷透光性能影响最大的因素是气孔率对透明陶瓷透光性能影响最大的因素是气孔率,可更细分可更细分为气孔尺寸、数量、种类。普通陶瓷即使具有高的密度为气孔尺寸、数量、种类。普通陶瓷即使具有高的密度,往往也不是透明的往往也不是透明的,这是因为其中有很多闭口气孔这

23、是因为其中有很多闭口气孔,陶瓷陶瓷体中闭口气孔率从体中闭口气孔率从0.25%变为变为0.85%时时,透过率降低透过率降低33%。根据平均气孔的大小根据平均气孔的大小,产生的影响也不同产生的影响也不同:在气孔直径小于光波波长在气孔直径小于光波波长/3时时,会产生会产生Rayleigh散射散射;当当气孔直径与光波波长气孔直径与光波波长相接近时相接近时,会产生会产生Mie散射散射;当气孔直径大于光波波长当气孔直径大于光波波长时时,会产生反散射折射。会产生反散射折射。1.光学透明性的影响因素光学透明性的影响因素1.4显微结构的影响显微结构的影响气孔从三个方面影响陶瓷的透光性气孔从三个方面影响陶瓷的透光

24、性:气孔的数量、气孔的种类气孔的数量、气孔的种类以及气孔的尺寸。首先，就气孔数量而言，许多文献都指出，以及气孔的尺寸。首先，就气孔数量而言，许多文献都指出，总气孔率超过总气孔率超过1%的氧化物陶瓷基本上是不透明的。的氧化物陶瓷基本上是不透明的。RLcoble用抑制二次重结晶的方法，把氧化铝陶瓷内的微气孔排除到用抑制二次重结晶的方法，把氧化铝陶瓷内的微气孔排除到0.1%以下，从而使以下，从而使1mm厚的陶瓷片对可见光的总透光率达到厚的陶瓷片对可见光的总透光率达到90%以上。以上。CGreskovich等研究了氧化钇陶瓷中极微量气孔等研究了氧化钇陶瓷中极微量气孔对陶瓷激光性能的影响。他们以对陶瓷激

25、光性能的影响。他们以89%Y2O3、10%ThO:和和l%Nd203的组成，在的组成，在2170的高温和氢气气氛下保温的高温和氢气气氛下保温60125h，烧结出的掺钦氧化忆陶瓷的平均晶粒尺寸为，烧结出的掺钦氧化忆陶瓷的平均晶粒尺寸为150一一200pm，气孔减少到，气孔减少到1x10-7的数量级，从而使这种陶瓷的激的数量级，从而使这种陶瓷的激光性能接近铅玻璃的水平。光性能接近铅玻璃的水平。1.光学透明性的影响因素光学透明性的影响因素1.4显微结构的影响显微结构的影响1.光学透明性的影响因素光学透明性的影响因素1.4显微结构的影响显微结构的影响气孔按种类可分为晶界气孔和晶内气孔。晶体之间的气孔处

26、于气孔按种类可分为晶界气孔和晶内气孔。晶体之间的气孔处于晶界面上容易排除，它可以随着晶界的移动而迁移，最终排出晶界面上容易排除，它可以随着晶界的移动而迁移，最终排出体外，而晶体内部的气孔即使是小于微米级的也很难排除，而体外，而晶体内部的气孔即使是小于微米级的也很难排除，而且在封闭气孔中还可能进入水蒸汽、氮气和碳等。因此晶体内且在封闭气孔中还可能进入水蒸汽、氮气和碳等。因此晶体内气孔对于获得透明陶瓷是最危险的，从而应在任何工艺阶段防气孔对于获得透明陶瓷是最危险的，从而应在任何工艺阶段防止气孔的产生。止气孔的产生。气孔的尺寸对透光性能的影响主要体现在如下几个方面气孔的尺寸对透光性能的影响主要体现在

27、如下几个方面当气孔的尺寸小于入射光波长的当气孔的尺寸小于入射光波长的1/3时，则气孔尺寸越小个数越时，则气孔尺寸越小个数越少，陶瓷和气孔的折射率差别越小，散射光的比例就越小，透少，陶瓷和气孔的折射率差别越小，散射光的比例就越小，透光率越高。光率越高。1.光学透明性的影响因素光学透明性的影响因素1.4显微结构的影响显微结构的影响1.光学透明性的影响因素光学透明性的影响因素1.4显微结构的影响显微结构的影响当散射中心的大小接近或等于光的波长时，则以当散射中心的大小接近或等于光的波长时，则以Mie散射散射为主体的散射。为主体的散射。散射系数散射系数Sim为为:其中其中c、k为常数为常数;V为散射中心

28、体积为散射中心体积;N为单位体积内的散射中为单位体积内的散射中心数心数;为入射光波长。为入射光波长。当气孔等散射中心的尺寸与入射光波长基本上相等时，散射当气孔等散射中心的尺寸与入射光波长基本上相等时，散射最大，透光率最低。最大，透光率最低。当散射中心的大小当散射中心的大小d大于光的波长时，则以反射折射为主，大于光的波长时，则以反射折射为主，散射系数散射系数Sim在这种情况下气孔直径越大，则散射越小。在这种情况下气孔直径越大，则散射越小。要制备透光性能优越的陶瓷，必须减少气孔的数量、排除晶内要制备透光性能优越的陶瓷，必须减少气孔的数量、排除晶内气孔的产生气孔的产生.必须使其中残留的微气孔的尺寸或

29、者大于、或者小必须使其中残留的微气孔的尺寸或者大于、或者小于要透过的光线波长，而不要使这两者相等或接近，以免发生于要透过的光线波长，而不要使这两者相等或接近，以免发生Mie散射而影响透过率。散射而影响透过率。1.光学透明性的影响因素光学透明性的影响因素1.4显微结构的影响显微结构的影响气孔率超过气孔率超过%1的氧化物陶瓷基本上是不透明的，因此，生产具的氧化物陶瓷基本上是不透明的，因此，生产具有较高透光率陶瓷的一个主要条件，就是最大限度的降低增加有较高透光率陶瓷的一个主要条件，就是最大限度的降低增加光散射的残余气孔率，特别是显微气孔率。陶瓷内的气孔因为光散射的残余气孔率，特别是显微气孔率。陶瓷内

30、的气孔因为具有不同光学性质的相界，使光产生反射与折射，因而众多气具有不同光学性质的相界，使光产生反射与折射，因而众多气孔使陶瓷不透明。在封闭气孔中还可能进入水蒸汽和氮气等。孔使陶瓷不透明。在封闭气孔中还可能进入水蒸汽和氮气等。因此，晶体内气孔对于获得透明陶瓷是最危险的，从而应在任因此，晶体内气孔对于获得透明陶瓷是最危险的，从而应在任何工艺阶段防止气孔的产生。何工艺阶段防止气孔的产生。1.光学透明性的影响因素光学透明性的影响因素1.4显微结构的影响显微结构的影响近年来高透过率的透明陶瓷作为激光介质方面的应用成为全球近年来高透过率的透明陶瓷作为激光介质方面的应用成为全球的研究热点。然而这些陶瓷都局

31、限于的研究热点。然而这些陶瓷都局限于立方晶系立方晶系，如，如YAG和和Y2O3。对于非立方系的陶瓷，如。对于非立方系的陶瓷，如Al2O3和和AlN，其双折射是难，其双折射是难以避免的，故其直线透过率较低（以避免的，故其直线透过率较低（Al2O315%）。）。我们的目的是依照光轴将晶粒进行排列，使光通过时两边的环我们的目的是依照光轴将晶粒进行排列，使光通过时两边的环境是一致的，这样多晶材料的透过率才能显著的提高。这种方境是一致的，这样多晶材料的透过率才能显著的提高。这种方法能够应用到单轴的多晶材料，包括四方系、六方系和三方系。法能够应用到单轴的多晶材料，包括四方系、六方系和三方系。非立方系陶瓷晶

32、界的双折射现象非立方系陶瓷晶界的双折射现象1.光学透明性的影响因素光学透明性的影响因素1.4.2晶体结构晶体结构晶粒排列方向晶粒排列方向如果材料不是各向同性的立方晶系或玻璃态，则存在有双折射问题。与晶如果材料不是各向同性的立方晶系或玻璃态，则存在有双折射问题。与晶轴成不同角度的方向上的双折射率均不相同。陶瓷通常具有多相结构，除了晶轴成不同角度的方向上的双折射率均不相同。陶瓷通常具有多相结构，除了晶相外还有玻璃相和气泡，即使是高纯度陶瓷不存在玻璃相，但也是仍含少量气相外还有玻璃相和气泡，即使是高纯度陶瓷不存在玻璃相，但也是仍含少量气泡的多晶体。由于晶粒细小，晶界众多，有可能造成比较严重的界面反射

33、损失泡的多晶体。由于晶粒细小，晶界众多，有可能造成比较严重的界面反射损失(除非是等轴系晶体，因晶界两侧的媒质具有相同的折射率，因而不发生界面除非是等轴系晶体，因晶界两侧的媒质具有相同的折射率，因而不发生界面反射损失反射损失)。对于由各向异性晶体构成的陶瓷，相邻晶粒间可能由于取向不同。对于由各向异性晶体构成的陶瓷，相邻晶粒间可能由于取向不同而有不同的折射率，因而在晶界处会造成界面反射损失。如果晶体内存在异相而有不同的折射率，因而在晶界处会造成界面反射损失。如果晶体内存在异相物质，而且它与主晶相的折射率相差又较大时会引起较大的界面反射损失。图物质，而且它与主晶相的折射率相差又较大时会引起较大的界面

34、反射损失。图所示为一个典型的双折射引起的不同晶粒取向的晶界损失。所示为一个典型的双折射引起的不同晶粒取向的晶界损失。双折射晶体在晶粒界面产生连续的反射和折射1.光学透明性的影响因素光学透明性的影响因素1.4.3晶界结构晶界结构透明和不透明陶瓷的晶界结透明和不透明陶瓷的晶界结构是不同的。透明材料的晶构是不同的。透明材料的晶界干净清晰界干净清晰,而非透明材料而非透明材料的模糊不清。陶瓷材料的物的模糊不清。陶瓷材料的物相组成中通常包含着两相或相组成中通常包含着两相或更多相更多相,这种多相结构会导这种多相结构会导致光在相界表面上发生散射。致光在相界表面上发生散射。如图所示如图所示,当入射光进入晶当入射

35、光进入晶粒时粒时,会与晶界相遇会与晶界相遇,则会则会产生折射和反射。如果晶界产生折射和反射。如果晶界与晶粒的折射率相同时与晶粒的折射率相同时,就就不会发生折射和反射不会发生折射和反射陶瓷内部微观结构示意图陶瓷内部微观结构示意图1.光学透明性的影响因素光学透明性的影响因素要求要求:晶界应微薄、光性好、没有第二相夹杂物及位错等缺陷。晶界应微薄、光性好、没有第二相夹杂物及位错等缺陷。晶体结构决定陶瓷多晶体的光学性能晶体结构决定陶瓷多晶体的光学性能,直接影响其透过率直接影响其透过率,晶体光学性能的各向异性损害陶瓷的透过率晶体光学性能的各向异性损害陶瓷的透过率,具有双折射效具有双折射效应应,在晶界处造成

36、界面反射损失而降低透过率。着重指出的在晶界处造成界面反射损失而降低透过率。着重指出的是是,对于立方晶体结构的陶瓷对于立方晶体结构的陶瓷,由于其各向同性由于其各向同性,光线进入光线进入陶瓷内部陶瓷内部,不会产生双折射效应。不会产生双折射效应。1.光学透明性的影响因素光学透明性的影响因素1.4.4第二相第二相要控制陶瓷中第二相的生成，在陶瓷生产的过程中，我们应注要控制陶瓷中第二相的生成，在陶瓷生产的过程中，我们应注意原料与添加剂的选择。生产透明陶瓷应使用高纯度、高细散、意原料与添加剂的选择。生产透明陶瓷应使用高纯度、高细散、高烧结活性粉料。高纯度可减少第二相的析出高烧结活性粉料。高纯度可减少第二相

37、的析出;高细散可保障高高细散可保障高的烧结活性。有时为了获得透明陶瓷，我们使用添加剂。添加的烧结活性。有时为了获得透明陶瓷，我们使用添加剂。添加剂对透明陶瓷的影响，剂对透明陶瓷的影响，1.光学透明性的影响因素光学透明性的影响因素具体表现在以下三个方面具体表现在以下三个方面:(l)晶界偏析，抑制晶界的移动速度晶界偏析，抑制晶界的移动速度;(2)形成液相，通过液相烧结促进致密形成液相，通过液相烧结促进致密;(3)改变晶相的结构缺陷。由于添加剂在晶界处偏析，抑制了晶改变晶相的结构缺陷。由于添加剂在晶界处偏析，抑制了晶粒生长而缩短了晶粒内气孔的扩散路程。因此达到迅速消除气孔粒生长而缩短了晶粒内气孔的扩

38、散路程。因此达到迅速消除气孔的效果，使烧结体致密化速度加快。的效果，使烧结体致密化速度加快。在使用添加剂时我们应注意以下两个方面的问题在使用添加剂时我们应注意以下两个方面的问题:(l)添加添加剂应能均匀的分布于原材料中，抑制晶粒生长，否则会产剂应能均匀的分布于原材料中，抑制晶粒生长，否则会产生偏析生偏析;(2)添加剂的用量应适量，当添加剂越过固溶限度添加剂的用量应适量，当添加剂越过固溶限度时，过剩的添加物在晶界处析出，使得时，过剩的添加物在晶界处析出，使得Sim变大，相反使变大，相反使其透光率变得更差。其透光率变得更差。1.光学透明性的影响因素光学透明性的影响因素然而过量的添加剂反而会产生第三

39、相，影响陶瓷的透光性。然而过量的添加剂反而会产生第三相，影响陶瓷的透光性。1.光学透明性的影响因素光学透明性的影响因素材料对周围环境的相对折射率大，反射损失也大。而且，材料材料对周围环境的相对折射率大，反射损失也大。而且，材料表面的光洁度也影响透光性能。烧结后未经处理的陶瓷表面具表面的光洁度也影响透光性能。烧结后未经处理的陶瓷表面具有较大的粗糙度，即呈现微小的凹凸起伏，光线入射到陶瓷表有较大的粗糙度，即呈现微小的凹凸起伏，光线入射到陶瓷表面上会发生漫反射。其表面的粗糙度越大，则其透光性能就越面上会发生漫反射。其表面的粗糙度越大，则其透光性能就越差。对一不透明材料，测量单一入射光束在不同方向上的

40、反射差。对一不透明材料，测量单一入射光束在不同方向上的反射能量，得到如图结果。一般应对陶瓷的表面进行研磨和抛光。能量，得到如图结果。一般应对陶瓷的表面进行研磨和抛光。只有在陶瓷表面的光洁度达到只有在陶瓷表面的光洁度达到11一一13级光洁度后，才可能把透级光洁度后，才可能把透光率提高到受烧结时陶瓷吸收中心和散射中心清除率制约的最光率提高到受烧结时陶瓷吸收中心和散射中心清除率制约的最高可能程度。高可能程度。粗糙度增加的镜反射、漫反射能量图粗糙度增加的镜反射、漫反射能量图1.4.5表面加工粗糙度表面加工粗糙度1.光学透明性的影响因素光学透明性的影响因素1.4.4表面加工粗糙度表面加工粗糙度实验中对同

41、一样品抛光前和抛光后分别进行了光透过率的测实验中对同一样品抛光前和抛光后分别进行了光透过率的测试，测试结果如图所示。试样抛光后最大光透过率从试，测试结果如图所示。试样抛光后最大光透过率从14.2%增长到增长到32.3%，表明提高表面加工光洁度，透光性能增加，表明提高表面加工光洁度，透光性能增加，与理论分析相符。与理论分析相符。试样抛光前后的透光率试样抛光前后的透光率陶瓷表面进行研磨和抛光陶瓷表面进行研磨和抛光,经研磨后的陶瓷的透过率一般可经研磨后的陶瓷的透过率一般可从从40%45%增加到增加到50%60%以上以上,抛光可能达到抛光可能达到80%以以上上2.透明陶瓷的制备透明陶瓷的制备陶瓷材料的

42、透光性受其气孔率、晶体结构、原料与添加剂、陶瓷材料的透光性受其气孔率、晶体结构、原料与添加剂、烧成气氛和表面加工光洁度等因素的影响较大烧成气氛和表面加工光洁度等因素的影响较大,在制备透在制备透明陶瓷时需要精准控制每一个工艺过程明陶瓷时需要精准控制每一个工艺过程,以保证最终产品以保证最终产品具有较高的致密度和表面光洁度、均匀而细小的晶粒、对具有较高的致密度和表面光洁度、均匀而细小的晶粒、对入射光很小的选择吸收性、晶界处没有杂质及玻璃相或晶入射光很小的选择吸收性、晶界处没有杂质及玻璃相或晶界的光学性质与微晶体差别很小以及没有光学各向异性界的光学性质与微晶体差别很小以及没有光学各向异性,晶体结构以立

43、方晶系最佳晶体结构以立方晶系最佳透明陶瓷制备的技术关键在于排除陶瓷材料内部大量的气透明陶瓷制备的技术关键在于排除陶瓷材料内部大量的气孔孔,以达到陶瓷材料的气孔率为零或接近为零。根据透明以达到陶瓷材料的气孔率为零或接近为零。根据透明陶瓷的类型不同陶瓷的类型不同,制备工艺差别较大。制备工艺差别较大。2.1透明氮化铝陶瓷的制备透明氮化铝陶瓷的制备2.1.1粉料的制备粉料的制备对陶瓷材料来说，其工艺对材料的各方面的性能有着极其重要对陶瓷材料来说，其工艺对材料的各方面的性能有着极其重要的作用。而对于制粉，成型，烧结这三大工艺步骤来讲，制粉的作用。而对于制粉，成型，烧结这三大工艺步骤来讲，制粉工艺显得更加

44、重要，所以粉体的制备工艺对陶瓷的性能的影响工艺显得更加重要，所以粉体的制备工艺对陶瓷的性能的影响越来越明显，改善和提高粉体的特性是获得性能优异的新型陶越来越明显，改善和提高粉体的特性是获得性能优异的新型陶瓷材料的关键。粉体制备技术瓷材料的关键。粉体制备技术细粉体的重要特征细粉体的重要特征2.透明陶瓷的制备透明陶瓷的制备优良的粉体是晶体的决定因素。采用粒度小的粉体可以降低烧优良的粉体是晶体的决定因素。采用粒度小的粉体可以降低烧结温度和烧结时间，使材料的驱动力剧增。扩散速率的增大及结温度和烧结时间，使材料的驱动力剧增。扩散速率的增大及扩散路径的缩短大大加速烧结过程，使烧结温度大幅度下降。扩散路径的

45、缩短大大加速烧结过程，使烧结温度大幅度下降。研究表明，当粉末粒径从研究表明，当粉末粒径从10um减小到减小到10nm时，陶瓷粉体的扩时，陶瓷粉体的扩散速率将增大散速率将增大104一一1012倍。此外，粉体的化学纯度，化学组成倍。此外，粉体的化学纯度，化学组成的均匀性也十分重要。对于许多电子陶瓷电介质、绝缘体、压的均匀性也十分重要。对于许多电子陶瓷电介质、绝缘体、压电体、半导体及磁性材料等，许多都是含有两种以上金属元素电体、半导体及磁性材料等，许多都是含有两种以上金属元素的复合氧化物。为了得到材料高性能，原料必须是高纯度，化的复合氧化物。为了得到材料高性能，原料必须是高纯度，化学组成均匀、烧结性

46、能优良的粉末。制成的粉末应适宜各种不学组成均匀、烧结性能优良的粉末。制成的粉末应适宜各种不同的使用目的，所以必须控制粉末的特性。同的使用目的，所以必须控制粉末的特性。2.透明陶瓷的制备透明陶瓷的制备2.透明陶瓷的制备透明陶瓷的制备作为制造烧结制品的原料粉末，其重要特性是作为制造烧结制品的原料粉末，其重要特性是:(1)粒子小，粒径分布范围窄粒子小，粒径分布范围窄:(2)粒子呈球状粒子呈球状;(3)团聚粒子小，团聚强度低团聚粒子小，团聚强度低;(4)化学纯度和化学组成均匀性可以控制。化学纯度和化学组成均匀性可以控制。前驱体的制备前驱体的制备2.2.1粉料制备粉料制备(化学共沉淀化学共沉淀)以掺杂以

47、掺杂1.0%Nd离子为例，将离子为例，将Y2O3和和Nd2O3(均为激光纯均为激光纯)溶于浓硝酸，配成溶于浓硝酸，配成的盐溶液。的盐溶液。Al(NO3)3。9H2O溶于去离子水中，配制成的硝酸盐溶液。首先溶于去离子水中，配制成的硝酸盐溶液。首先将将30MOL的的A13+和和5Oml的的(Y3+和和Nd3+)盐溶液混合，盐溶液混合，1.0%Nd离子替代离子替代Y3+离子。再加入的离子。再加入的(NH4)2SO4，溶液充分搅拌混合。同时滴加少量的正硅酸，溶液充分搅拌混合。同时滴加少量的正硅酸乙脂，用氨水调节乙脂，用氨水调节PH值至左右，然后加入值至左右，然后加入60ml的的CO(NH2)2。加入去

48、。加入去离子水至离子水至1升，溶液充分搅拌澄清后，在升，溶液充分搅拌澄清后，在95水浴加热水浴加热4一一5小时，使小时，使溶液沉淀充分。将沉淀水洗、醇洗、抽滤。于电热恒温干燥箱溶液沉淀充分。将沉淀水洗、醇洗、抽滤。于电热恒温干燥箱120干燥干燥3小小时后，在时后，在1100锻烧锻烧3小时。小时。2.2透明透明Nd:YAG陶瓷的制备陶瓷的制备2.透明陶瓷的制备透明陶瓷的制备尿素作为沉淀剂均匀地溶解于溶液中，水解生成尿素作为沉淀剂均匀地溶解于溶液中，水解生成OH离子，离子，尿素的缓慢水解是整个反应的关键控制部分，它不会造成溶尿素的缓慢水解是整个反应的关键控制部分，它不会造成溶液中反应物浓度的局部过

49、大。构晶离子均匀的分布在溶液中液中反应物浓度的局部过大。构晶离子均匀的分布在溶液中的各个部分，与的各个部分，与AI3+、Y3+达到分子级别的混合，因此能够达到分子级别的混合，因此能够均匀的生成沉淀。均匀的生成沉淀。尿素在溶液中的作用与反应如下所示尿素在溶液中的作用与反应如下所示:2.2透明透明Nd:YAG陶瓷的制备陶瓷的制备2.透明陶瓷的制备透明陶瓷的制备2.2透明透明Nd:YAG陶瓷的制备陶瓷的制备2.透明陶瓷的制备透明陶瓷的制备其中反应其中反应(3.1)速度比较慢，而反应速度比较慢，而反应(3.2)速度快，这样就避免速度快，这样就避免了沉淀剂局部过饱和度过大，使溶液产生大量非均匀成核的危了

50、沉淀剂局部过饱和度过大，使溶液产生大量非均匀成核的危险。险。尿素共沉淀法对溶液的尿素共沉淀法对溶液的HP值控制的要求很严格。在混合液放入值控制的要求很严格。在混合液放入水浴恒温器之前应该保证溶液的水浴恒温器之前应该保证溶液的HP值不至于使溶液产生沉淀，值不至于使溶液产生沉淀，而当其而当其HP值稍微高一些，也就是刚有尿素分解时就有沉淀生成，值稍微高一些，也就是刚有尿素分解时就有沉淀生成，所以这是一个临界值，经过反复试验得该临界值为左右。反应之所以这是一个临界值，经过反复试验得该临界值为左右。反应之后应用氨水调节后应用氨水调节PH值至值至8左右，否则影响产量。左右，否则影响产量。化学共沉淀法制取的