透明陶瓷材料现状与发展

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1、第19卷第2期无机材料学报V01．19．NO．2Mar．．20042004年3月文章编号：1000．324X(2004)02·0275·08透明陶瓷材料现状与发展吉亚明，蒋丹宇，冯涛，施剑林(中国科学院上海硅酸盐研究所，上海200050)摘要：透明陶瓷的诞生使得高压钠灯得到实际应用．近年来通过透明陶瓷技术可以解决单晶工艺中的某些难题，并发展多晶代替单晶开发出了激光陶瓷、陶瓷闪烁体等新一代光学材料．本文就透明陶瓷的现状和发展作一简要综述．关键词：透明陶瓷；激光陶瓷；陶瓷闪烁体中图分类号：TQ174

2、文献标识码：A1引言自1957年美国陶瓷学家Coble制造出第一块透明氧化铝陶瓷“Lucalox”[引，透明陶瓷经过几十年的发展，到目前已经研制出了几十种透明陶瓷：从过去的氧化铝透明陶瓷、氧化镁透明陶瓷、氧化钇透明陶瓷等发展到铝镁尖晶石透明陶瓷、氮化铝透明陶瓷、氮氧化铝透明陶瓷、透明PLZT电光陶瓷、钇铝石榴石激光透明陶瓷、以及YGO、GGG、Gd2O2S透明闪烁陶瓷等材料．目前许多研究单位和公司都在从事新型透明陶瓷的研发．根据透明陶瓷的用途和功能可将透明陶瓷分为透明结构陶瓷和透明功能陶瓷．透明

3、结构陶瓷主要用于高压钠光灯管、高温透视窗等方面，包括氧化铝，氧化钇，氧化锆，氧化镁及尖晶石透明陶瓷等结构材料．透明功能陶瓷包括：电光透明陶瓷(PLZT)、激光透明陶瓷(Nd：YAG)、闪烁透明陶瓷(YGO、GGG、Gd2O2S等)等．最近功能透明陶瓷尤其是透明激光陶瓷和闪烁陶瓷得到了广泛的研究与关注，并取得了可喜的成果．目前已成功地研制出透明YAG激光陶瓷【伽]和透明YGO[引、Gd2O2SIs,9]等闪烁陶瓷．Siemens公司已经成功地将Gd202S陶瓷闪烁体应用于医学X·CT，制造出的Ul

4、trafastX．CT具有优异的性能．大大促进了新型透明陶瓷的研究与探索．本文就影响陶瓷透明的因素，透明陶瓷的制备方法和其最新进展及发展方向做一简要综述．2影响陶瓷透明的因素陶瓷是一种多晶的无机材料，陶瓷中存在大量的气孔、杂质、晶界等缺陷，这些缺陷造成对光线强的散射和折射．图1为透明陶瓷中光散射模型示意图．因此，通常陶瓷是不透明的，但1959年GE公司的研究表明，在一定结构条件下，一些陶瓷会变得透明[，引．大量研究结果表明，对陶瓷透明性能的影响因素主要有以下几个方面．收稿日期：2003—02-1

5、3，收到修改稿日期；2003—04—17作者简介：吉亚明(1977一)，男，硕士研究生．E—mail：ji—ym@mail．sic．ac．cn276无机材料学报19卷2．1气孔率对透明陶瓷透光性能影响最大的因素是气孔率．普通陶瓷即使具有高的致密度，往往也不是透明的，这是因为其中有很多封闭的气孔．气孔与多晶本身的折射律相差很大造成入射光的强烈散射．2．2晶界结构陶瓷材料的物相组成通常包含两相或更多相，这种多相结构会导致光在相界表面上发生散射．透明和不透明陶瓷的晶界结图1陶瓷中的主要散射效应构是不同

6、的．透明材料是单相的，晶界与晶Fig．1Schematicdiagramofthemainscattering体的光学性质差别小因而晶界模糊不清，efectsinceramics而非透明材料是多相的，晶界很清晰．2．3晶体结构在各向异性的晶体中，光从一个晶粒向邻近的晶粒入射时，由于双折射现象会产生散射．因此要得到透明的多晶体，双折射必须很小．一般选用对光各项同性的立方晶系材料制备透明陶瓷，如YAG、YGO、Y203[11~13】等．而对光各项异性的晶系则很难得到透明度很高的透明陶瓷，如Gd202

7、S[¨】、Lu2sioL~5J等陶瓷的透明性则不是很好．2．4原料与第二相杂质陶瓷中的杂质等第二相与基体的光学性质不一致，往往成为散射和吸收中心，大大降低陶瓷的透明性．因此，透明陶瓷体要求是均一、连续的单相结构．这就要求原料必须具备高纯、超细、高分散等特性，制备过程中不能引入杂质．2．5晶粒尺寸与添加剂研究表明晶粒的尺寸大小和分布对陶瓷的透明性也有影响．如果晶粒的直径与入射光的波长相同时晶粒对入射光散射最强．晶粒直径小于入射光波长时光线可以容易地通过．为了获得透明陶瓷，有时需加入添加剂，抑制晶粒

8、生长，依靠晶粒边界的缓慢移动把微气孔赶跑．添加剂的用量一般很少，且能均匀分布于材料中．另外，添加剂还应能完全溶于主晶相，不生成第二相，不破坏系统的单相性．2．6表面加工光洁度透明陶瓷的透光率还受表面光洁度的制约．表面粗糙度越大，漫反射越严重，陶瓷的透明度就越低．由于陶瓷表面粗糙度与原料的细度有关．因此应选用超细原料外，此外还应对陶瓷表面进行研磨和抛光．其它研究表明陶瓷中的空位等点缺陷对陶瓷的透光率也有一定的影响f]．为了综合表示以上因素对透光率的影响，陶瓷的透光率可用以下公式表示["]：S／So