常见的无机光学透明材料：透明陶瓷
2020-12-17 14:51:25
透明陶瓷又称光学陶瓷，指的是采用陶瓷制备工艺制取的，具有一定透光性的多晶材料。通常认为直线透过率超过10%的陶瓷为透明陶瓷，在10%以下的陶瓷成为半透明陶瓷。它包括透明铁电陶瓷、透明氧化物陶瓷、透明红外陶瓷等。
从透明陶瓷的性能角度考虑，可分为两大类：一种是光功能陶瓷，主要用于激光陶瓷和闪烁陶瓷;一种是用于偏向于结构陶瓷的，用在防弹汽车的窗、坦克的观察窗、轰炸机的轰炸瞄准器和高级防护眼镜等。
一般陶瓷不透明的原因是其内部存在有杂质和气孔，前者能吸收光，后者令光产生散射，所以就不透明了。如果选用高纯原料，并通过工艺手段排除气孔就可能获得透明陶瓷。透明陶瓷通常采用压力烧结「包括热压、等离子体压力烧结(SPS)、热等静压(HIP)」和气氛烧结「氢气烧结、氧气烧结和真空烧结」等烧结工艺以帮助排除气孔。
图1 各种光线(辐射)的波长范围
按组分分，特种陶瓷主要分为四大类：氧化物透明陶瓷，
下文将为大家简单介绍目前常见的一些透明陶瓷品种。
1、氧化物透明陶瓷
氧化物透明陶瓷一般在可见光和近红外波段透明。这类透明陶瓷主要有MgAl2O4，Al2O3，BeO，ThO2，Y2O3等。
透明镁铝尖晶石陶瓷
又称半透明烧结MgAl2O4。用Mg-Al氢氧化物的共沉淀物或Mg-Al的盐类热分解产物为原料，添加少量CaO以促进液相烧结，真空中经1800～1900℃或湿氢1700℃左右烧结半透明状态。
其烧结密度可达理论密度的99.7～100%，在0.5～6.5μm范围内的直线透过率大于10%，可见光范围的总透过率为67～78%。
可用于高温电弧密封外壳、天线窗和红外透射装置。
透明氧化铝陶瓷
一种呈透明状的α-Al2O3陶瓷，属于六方晶系，熔点2050℃。它是由高纯Al2O3(纯度大于99.9%)为原料，加入少量MgO、La2O3或Y2O3等外加剂，采用气氛烧结和热压烧结等方法制成的透明多晶体。
其密度大于3.95g/cm3，总透过率95%，介电常数大于9.5，介电损耗角正切小于1×10-4，热膨胀系数8.6×10-6/℃，抗弯强度大于350MPa，能耐高温钠蒸气的腐蚀。
广泛用于制造高压钠灯的发光管、微波集成电路用基片、轴承材料和红外光学元件等。
透明氧化铍陶瓷
一种呈半透明的主要成分为BeO的陶瓷。以氧化铍为原料，加入添加剂，在压力为20MPa，温度为1200℃下烧结，可得到半透明状多晶体。
晶型为六方晶系，熔点2550℃，热膨胀系数9.2×10-6/℃，透光率55～60%(波长0.4～3μm，厚度0.8mm)，具有极高的耐热震性、导热性和金属铝相似，电绝缘性能优良，高度化学惰性，但原料昂贵，有毒。
可作为高温原子能反应堆的中心减速剂和反射剂，微波输出窗以及飞机、火箭的高温部件。
透明氧化钍陶瓷
一种透明状的以ThO2为主成分的陶瓷，属于立方晶系。以ThO2为原料，添加CaO、Y2O3、ZrO2等稳定剂。在H2气氛中2000～2300℃下可烧制出透明体。
熔点3300℃，热膨胀系数7.1×10-6/℃，在0.4～7μm波长处，厚度为1.5mm时，透光率为50～70%，可作为高温环境的红外整流罩。
透明氧化钇陶瓷
一种呈透明状的主成分为Y2O3的陶瓷。以高纯Y2O3(99.9%)为原料，添加8～10mol%的ThO2，在氢气中于2000℃以上的高温烧成的透明多晶体，也有添加LiF和ThO2后在1300～1500℃和30～35MPa压力下真空热压烧结制成。
属于立方晶系，熔点大于2400℃，介电常数12～20，介电损耗角正切在1MHz时为1×10-4，透明性好，即使在远红外区仍有约80%的直线透过率。
是一种优良的高温红外材料和电子材料，主要用于红外导弹的窗口和整流罩、天线罩、微波基板、绝缘支架、红外发生器管壳、红外透镜以及其它高温窗口等。
也可在Y2O3-ThO2中添加少量的Eu2O3、Dy2O3、Tb2O3、Nd2O3等氧化物，制成透明陶瓷，作激光工作物质。
透明偏铌酸铅钡镧陶瓷
又称透明PBLN陶瓷，一种透明铁电陶瓷。化学式为(Pb1-yBay)1-xLaxNb2-x/2O6。以La2O3、Nb2O5、PbO、BaCO3等为原料，于1300℃通氧热压烧结而成。
具有高的电光效应，其一次及二次电光效应各为rc=7.45×10-10m/V和R=2.09×10-16m2/V2。
主要用于电光源装置和用作原子能反应堆材料。
2、氟化物透明陶瓷
主要是BaF2,CaF2,LaF2,MgF2,SrF2等，20世纪60年代开始CaF2透明陶瓷主要作为一种激光材料使用。MgF2主要作为一种透红外的材料。
热压多晶氟化钡陶瓷
是一种红外光学陶瓷，其化学式为BaF2。可用热压法制备，热压温度600℃，压力240MPa。在3～10μm波长范围内，透过率可达80%左右，用作红外透光材料。
热压多晶氟化钙陶瓷
是一种红外光学陶瓷，其化学式CaF2。可用热压工艺制备，一般是把氟化钙掺杂改性，使其除能透过红外光线外，还有“光色”作用。例如掺入Ce、Gd等杂质，在光线未照射前呈兰色，辐照时呈粉红色，停照后可退光。
如果掺入Eu、Sm等杂质，则辐照时呈绿色，它是一种“光色”材料。
热压多晶氟化镧陶瓷
以高纯LaF2为原料，它是在真空中，于825～875℃的温度和248～310MPa压力下热压而成。在3～11μm波长范围内，其透过率大于80%。
红外波段的折射率为1.5左右。具有很好的耐热震和耐高温性能。
热压多晶氟化镁陶瓷
以高纯MgF2为原料，在600～700℃的温度和300MPa压力下，经真空热压烧结制成。
其密度3.17g/cm3，莫氏硬度为6，抗弯强度100MPa，热膨胀系数为11.9×10-6/℃(在25～400℃)。
介电性能：在频率为9.42kHz，25℃时，介电常数ε=5.23，介电损耗角正切tgδ=0.0025。它是较理想的透红外材料之一，在3～6.5μm波长范围内，其透过率约为90%(样品厚度2～3mm)，它还具有透过率随温度变化小和折射率低等特点。
可用于红外窗口、半球形整流罩、激光片底板等。
热压多晶氟化锶陶瓷
是一种红外光陶瓷，化学式SrF2。用热压法制备，热压温度650℃，压力约为250MPa。
在5μm波长处的透过率大于80%，用作红外透光材料。
3、氮化物透明陶瓷、氧氮化物透明陶瓷、氧硫化物透明陶瓷
这几种材料体系相对于前两种而言，研究的较晚，但随着对这些材料研究的深入，人们越来越认识到它们的重要性。氮化物透明陶瓷主要是氮化铝(AIN);氧氮化物透明陶瓷主要是氧氮化铝透明陶瓷(AlON)和塞隆透明陶瓷(α-SiAlON);氧硫化物透明陶瓷主要是Gd2O2S，是一种性能优异的闪烁材料。
其中AlON主要应用于装甲观察窗口，防弹玻璃等。
4、硫化物透明陶瓷、硒化物透明陶瓷及碲化物透名陶瓷等
这类材料主要有ZnS，ZnSe，CdTe等，这些材料主要作为激光材料，目前已经得到了激光输出，同时它们还是很好的透红外陶瓷材料。
热压多晶硫化锌陶瓷
以高纯ZnS为原料，在700～800℃的温度和300～400MPa压力下，经热压烧结制成。
其密度4.09g/cm3，抗弯强度103MPa，热膨胀系数为7.9×10-6/℃(在30～600℃)。介电性能：在频率为9.4GHz，18℃时，介电常数ε=8.5，介电损耗角正切tgδ=0.0412。
它是8～14μm波段范围内较理想的透红外陶瓷之一，在1～14μm波长范围内，平均透过率约大于70%(样品厚度2～3mm)，一般用于红外透过窗口、支撑透镜、红外激光雷达密封罩、整流罩等。
热压多晶硒化锌陶瓷
化学式为ZnSe，是红外光学陶瓷之一。由热压烧结制成。
其密度5.27g/cm3热膨胀系数为7.7×10-6/℃，不溶于水，折射率很高，在5μm处为 2.4。它的透红外波段较宽，约1～21μm。反射损失较大，可在表面蒸镀氟化钡以减小反射损失，提高透过率。
用途和热压硫化锌等多晶红外陶瓷相似。
5、其他透明陶瓷
掺钕钇铝石榴石(Nd∶YAG)
2004年，东北大学孙旭东采用固相反应法、1700℃真空烧结5h，制备了高透光的Nd∶YAG陶瓷，其在可见光区最大透光率63%，红外光区透光率接近70%。
2006年5月，中科院上海硅酸盐研究所潘裕柏以高纯商业Al2O3、Y2O3和Nd2O3超微粉作为原料，在1650℃-1780℃真空条件下保温10h以上，制备出尺寸为3mm×3mm×3mm的Nd∶YAG透明陶瓷，并实现1003mW的激光输出。
掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG )晶体是最早和最著名的激光晶体,它优越的基本性质使其常被应用于近远红外固态激光器及其倍频、三倍频中，在科研、医疗、工业和军事激光器中都得到广泛的应用。
此外，钆镓铝石榴石(GGG)也是一种很好的激光晶体。
锆钛酸铅镧陶瓷(PLZT)
是属PZT锆钛酸铅系压电陶瓷。Haertling G H是在1970年用球磨和热压烧结工艺制备了透明的光电陶瓷PLZT。一种铁电陶瓷光电材料。
其光学特性可被电场或者通过拉伸或压缩而改变。用于各种光电存储器和显示设备中。亦称为掺镧锆[酸铅]钛酸铅。