陶瓷也透明

黄　庆

陶瓷是我们生活中最亲近的物品，如瓷碗、瓷杯、洁具、工艺瓷器等，这些我们都称为生活日用瓷，日用瓷并不需要瓷器的用料非常纯净，只要最后得到的产品具有一定的强度就可以。然而在工业上，陶瓷对于用料的要求却非常之高，举一个例子来说，高压电线之间配置的绝缘瓷，如果内部杂质含量大于千分之一就会造成电击穿的现象。这里要聊的透明陶瓷是对陶瓷原料纯度要求更高的新型陶瓷，杂质含量必须低于万分之一，而且透明陶瓷内部的晶粒形貌和尺寸都必须均匀分布，所以透明陶瓷也被认为是所有陶瓷中最完美的一个家族。

何为透明陶瓷

工业陶瓷一般也叫做精细陶瓷，在特殊应用场合我们需要陶瓷在一定的电磁频率范围内透明，这样就可以用陶瓷作为航天器上的窗口材料。如果在紫外一可见光范围内，也就是200～800纳米光波长范围内能透过光波，那么就是我们人眼可以看见的透明陶瓷；如果仅有红外频谱某个区域的电磁波能够穿透陶瓷，虽然人眼看起来陶瓷是白色的，但也可以说该陶瓷对于特定电磁波“透明”。所以透明的含义并不是按照人眼所见作为标准，而是需要科学计量手段来进行表征。

我们日常用的窗户都是透明的玻璃，为什么一定要研究透明的陶瓷呢?这是因为陶瓷和玻璃相比具有耐高温、耐腐蚀、高强度、高硬度等优异的性能。很多晶体也可以作为透明材料，但是晶体生长工艺、比较复杂，费用昂贵，也不易于生长出大尺寸的单晶，就力学性能来说，晶体的硬度和耐磨性能也比陶瓷要逊色很多。这就是材料科学家为什么要开发透明陶瓷的原因。

透明陶瓷的制备并不轻松，需要结合具体陶瓷材料的高温物理化学性质找到最合适的烧结工艺。其中最主要的要求就是陶瓷晶粒尺寸一定要均匀，气孔率要低，体积密度要趋近理论密度。打个比方：我们生活中使用的颗粒状食盐可以说是～个个氯化钠晶体，一个颗粒就是一个晶体，如果我们把一把氯化钠晶体压成一个盐饼，那么就称这是一个具有高气孔率的氯化钠块体。这个氯化钠块体中各个小晶体之间有很大的空间，就是气孔，正是这些气孔的存在使得氯化钠块体并不透明，而呈白色。如果我们用几十兆帕的高压去压这个氯化钠块体，我们会发现它会变得和单晶体一样透明，这是因为我们减小了气孔尺寸，在某个尺寸以下光的散射变得微乎其微了。而在陶瓷材料中道理也几乎一样：把氯化钠小晶体换成其他具有立方结构的无机粉体，同时盐颗粒的尺寸缩小一万倍，那么就和透明陶瓷的微观结构一样了。

陶瓷要透明的话就一定要减少入射光在陶瓷体内的散射和折射，散射主要取决于气孔的大小和分布；而折射则主要取决于陶瓷材料的晶体类型。一般立方晶系的材料其物理性质是各向同性的，也就是说光线沿着各个方向传播速度都一样。而对于非立方晶系材料来说由于具有双折射效应，所以光在晶粒接触的界面处会发生弯折(各向异性)，所以光线并不能沿着原来的路径走，而是偏到一边去了，这就是我们观察到的蚀光现象。从以上分析中我们知道透明陶瓷研究的要点就在于使用高纯的无机粉体制备出低气孔率的块体。如果我们在单一相材料中加入第二相，无论这是杂质还是故意引入，由于这两相具有不同的折射率，最终的材料都不可能具有很好的光透过率。不过正如前面所说，如果我们关心的只是某一个特定的电磁光谱，那么加入新的第二相有时反而能够调控透明“窗口”的位置。

透明陶瓷的制备方法涉及到很多先进的陶瓷烧结技术，这些技术的一个共同特点就是在烧结过程中施加了一定的压力，这个压力使得陶瓷粉体之间接触更加紧密，气孔排除得更快。现在已经有很多材料能够制备成透明陶瓷，美国在1962年首次制备出了氧化铝透明陶瓷，随后氧化钇、氧化镁、氧化锆等透明陶瓷也相继问世。所有这些透明陶瓷的研究和发展给医学、光学、高能物理等相关学科的研究提供了材料基础，也提供了透明陶瓷科学分支发展的一个良好的机遇。

节能钠灯

首先我们来看看氧化铝透明陶瓷。其内部相邻晶粒由于晶体取向不同而存在着折射率微小的差异，从而会使入射光线偏转，再加上气孔对于入射光的强烈散射，所以一般不致密的氧化铝陶瓷总是呈白色。由于氧化铝强度非常大，工业上也常把它叫做‘刚玉。但是一旦氧化铝陶瓷的气孔率低于0.01％，气孔散射的影响就可以忽略不计，这样陶瓷在3～5微米的电磁波段光透过率就能达到所对应的光透过率的86％左右。3～5微米电磁波是中红外区域，在高温下热释光经常就在这个范围。考虑到氧化铝陶瓷的高强度、耐高温、高耐腐蚀性、高电绝缘性和具有适合的热导率等性质，透明氧化铝陶瓷常被工业界用来做高压钠灯材料。高压钠灯的操作温度一般都在1200℃左右，如此高的温度可不是普通灯管玻璃可以忍受的。长期以来，工业界就一直在寻找一种适合高密度放电灯的封装材料，曾经使用过氧化硅和石英材料，但是这两种材料在高温下都容易被金属卤化物所腐蚀。而将蓝宝石(氧化铝单晶)制备成复杂形状，成本很高。所以后来工业界一直都致力于制备出低成本、高透过率的透明氧化铝灯管材料，而且也获得了很大的成功。现在的透明氧化铝陶瓷可以经受600兆帕以上的高压，这样可以满足高压状态下卤灯的运行，灯管内钠蒸气压越大，光转化效率越高，越节约能源，对于像大型体育场馆这样的高能耗密度场所，节能的高压钠灯是非常有益的。

轻薄的军用玻璃

透明陶瓷在军事以及其他防御系统中也大有用武之地，比如说做防弹头盔面罩，如果用玻璃材料的话需要几个厘米，然而用透明陶瓷的话只需要两个毫米，这样就可以极大减轻负载。但透明氧化铝陶瓷材料并不适合做头盔面罩，原因是其在2毫米厚度条件下在可见光范围的光透过率并不理想，而氮氧化铝陶瓷和镁铝尖晶石透明陶瓷更为适合。如果我们感兴趣的应用领域不在可见光范围，而是红外电磁波范围，那么氧化铝透明陶瓷倒是可以不受到材料厚度的限制，因为红外波长尺度比气孔的尺寸要大了很多，电磁波就可以很容易地穿过气孔不发生散射现象。红外区域是热源发出电磁波的核心区域，在军事上导弹定位系统正是利用红外探测器来确定空中飞行物体或者地面目标。然而高速飞行的导弹在空中不可避免会和粉尘或者不明物体碰撞，如果用常规玻璃做弹头红外探测器窗口材料的话就极易产生表面损伤，这对于探测分辨率甚至整个探测器都是严重的威胁。透明氧化铝陶瓷具有很高的耐磨性能，在1～5微米电磁波范围内能达到理论透过率，这些特点恰好满足了红外窗口材料的要求。当然不仅仅只有氧化铝陶瓷具有红外透明的性能，当考虑到材料的轻便性、硬度要求、窗口选择性等特定要求时，材料科学家还将开发出更具有针对性的透明陶瓷材料出来。

锆钻不怕火炼

当然，透明陶瓷的耐磨性能还可以用在日常生活中，如设计成手表盖。由于形状尺寸的要求，这样的陶瓷盖手表估计全球只能限量发行了。另外有些陶瓷，如氧化锆，具有很高的折射率，可以全反射光线，制得的透明陶瓷也就更加晶莹璀璨，这也是为什么有些钻石企业喜欢用透明氧化锆取代真正的钻石，名曰：锆钻。锆钻致命的不足之处在于它的硬度比金刚石差很多，想要买钻戒的朋友可要留心了，二者化学性质上有很大不同，比如锆钻不怕火烧，十分稳定，而金刚石则易被氧化，经火烧便失去光泽。

责任编辑赵柠