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，只要最后得到的產品具有一定的強度就可以。然而在工業上，陶瓷對于用料的要求卻非常之高，舉一個例子來說，高壓電線之間配置的絕緣瓷，如果內部雜質含量大于千分之一就會造成電擊穿的現象。這里要聊的透明陶瓷是對陶瓷原料純度要求更高的新型陶瓷，雜質含量必須低于萬分之一，而且透明陶瓷內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為是所有陶瓷中最完美的一個家族。

何為透明陶瓷

工業陶瓷一般也叫做精細陶瓷，在特殊應用場合我們需要陶瓷在一定的電磁頻率范圍內透明，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，也就是200～800納米光波長范圍內能透過光波，那么就是我們人眼可以看見的透明陶瓷；如果僅有紅外頻譜某個區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準，而是需要科學計量手段來進行表征。

我們日常用的窗戶都是透明的玻璃，為什么一定要研究透明的陶瓷呢?這是因為陶瓷和玻璃相比具有耐高溫、耐腐蝕、高強度、高硬度等優異的性能。很多晶體也可以作為透明材料，但是晶體生長工藝、比較復雜，費用昂貴，也不易于生長出大尺寸的單晶，就力學性能來說，晶體的硬度和耐磨性能也比陶瓷要遜色很多。這就是材料科學家為什么要開發透明陶瓷的原因。

透明陶瓷的制備并不輕松，需要結合具體陶瓷材料的高溫物理化學性質找到最合適的燒結工藝。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。打個比方：我們生活中使用的顆粒狀食鹽可以說是～個個氯化鈉晶體，一個顆粒就是一個晶體，如果我們把一把氯化鈉晶體壓成一個鹽餅，那么就稱這是一個具有高氣孔率的氯化鈉塊體。這個氯化鈉塊體中各個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氯化鈉塊體，我們會發現它會變得和單晶體一樣透明，這是因為我們減小了氣孔尺寸，在某個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構的無機粉體，同時鹽顆粒的尺寸縮小一萬倍，那么就和透明陶瓷的微觀結構一樣了。

陶瓷要透明的話就一定要減少入射光在陶瓷體內的散射和折射，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是各向同性的，也就是說光線沿著各個方向傳播速度都一樣。而對于非立方晶系材料來說由于具有雙折射效應，所以光在晶粒接觸的界面處會發生彎折(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象。從以上分析中我們知道透明陶瓷研究的要點就在于使用高純的無機粉體制備出低氣孔率的塊體。如果我們在單一相材料中加入第二相，無論這是雜質還是故意引入，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，如果我們關心的只是某一個特定的電磁光譜，那么加入新的第二相有時反而能夠調控透明“窗口”的位置。

透明陶瓷的制備方法涉及到很多先進的陶瓷燒結技術，這些技術的一個共同特點就是在燒結過程中施加了一定的壓力，這個壓力使得陶瓷粉體之間接觸更加緊密，氣孔排除得更快?，F在已經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展給醫學、光學、高能物理等相關學科的研究提供了材料基礎，也提供了透明陶瓷科學分支發展的一個良好的機遇。

節能鈉燈

首先我們來看看氧化鋁透明陶瓷。其內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，從而會使入射光線偏轉，再加上氣孔對于入射光的強烈散射，所以一般不致密的氧化鋁陶瓷總是呈白色。由于氧化鋁強度非常大，工業上也常把它叫做‘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，這樣陶瓷在3～5微米的電磁波段光透過率就能達到所對應的光透過率的86％左右。3～5微米電磁波是中紅外區域，在高溫下熱釋光經常就在這個范圍。考慮到氧化鋁陶瓷的高強度、耐高溫、高耐腐蝕性、高電絕緣性和具有適合的熱導率等性質，透明氧化鋁陶瓷常被工業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，工業界就一直在尋找一種適合高密度放電燈的封裝材料，曾經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。而將藍寶石(氧化鋁單晶)制備成復雜形狀，成本很高。所以后來工業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在的透明氧化鋁陶瓷可以經受600兆帕以上的高壓，這樣可以滿足高壓狀態下鹵燈的運行，燈管內鈉蒸氣壓越大，光轉化效率越高，越節約能源，對于像大型體育場館這樣的高能耗密度場所，節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厘米，然而用透明陶瓷的話只需要兩個毫米，這樣就可以極大減輕負載。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用領域不在可見光范圍，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，因為紅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生散射現象。紅外區域是熱源發出電磁波的核心區域，在軍事上導彈定位系統正是利用紅外探測器來確定空中飛行物體或者地面目標。然而高速飛行的導彈在空中不可避免會和粉塵或者不明物體碰撞，如果用常規玻璃做彈頭紅外探測器窗口材料的話就極易產生表面損傷，這對于探測分辨率甚至整個探測器都是嚴重的威脅。透明氧化鋁陶瓷具有很高的耐磨性能，在1～5微米電磁波范圍內能達到理論透過率，這些特點恰好滿足了紅外窗口材料的要求。當然不僅僅只有氧化鋁陶瓷具有紅外透明的性能，當考慮到材料的輕便性、硬度要求、窗口選擇性等特定要求時，材料科學家還將開發出更具有針對性的透明陶瓷材料出來。

鋯鉆不怕火煉

當然，透明陶瓷的耐磨性能還可以用在日常生活中，如設計成手表蓋。由于形狀尺寸的要求，這樣的陶瓷蓋手表估計全球只能限量發行了。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，二者化學性質上有很大不同，比如鋯鉆不怕火燒，十分穩定，而金剛石則易被氧化，經火燒便失去光澤。

責任編輯趙檸