What？陶瓷也能透明？是的，你沒有聽錯！咱們材料人就是如此的機智。傳統的陶瓷材料都是不透明的，如我們家里用的瓷碗。但是透明陶瓷在國防工業等“高大上”領域有著非常高的誘人的應用前景（如透明裝甲陶瓷、醫療儀器用透明閃爍陶瓷），所以我們材料人的研究總是對口祖國和人民的需要，因此許多陶瓷材料專家和學者就在想怎么樣如何才能讓陶瓷透明？

    圖1透明陶瓷樣品及其微觀結構（圖摘自中科院福建物構所周有福課題組網頁）

    時至今日，我們國家對于透明的研究也取得了一系列的成果，國內透明陶瓷“專業戶”有：中科院上海硅酸鹽研究所（擁有中國科學院透明光功能無機材料重點實驗室）、武漢理工等單位。好吧，“前戲”就到這里吧！看官不要著急，小編這就進入正題。

    陶瓷從傳統不透明到半透明，再到接近完全透明，其中涉及到大量基礎科學問題， 尤其是材料的微結構。要想制備透明的陶瓷，首先我們需要研究普通陶瓷材料為什么是不透明的，這樣對于我們制備透明陶瓷能夠有很好的“反面教材”意義。

    圖2光在多晶陶瓷體中傳播過程

    陶瓷是由粉體燒結而成的，它是由晶粒、晶界和氣孔組成的多晶體，在光的照射下，晶界和氣孔處會產生光吸收、反射、折射、散射等， 故從光學意義上來說，多晶陶瓷一般是不透明的。那么我們該怎么做才能制備出非常透明的陶瓷呢？對比“反面教材”的特點，可以得出透明陶瓷的制備關鍵點有：

    一、粉體原料

    原料的純度是影響透明性諸多因素中的主要因素之一，所以想要制備出高品質透明陶瓷就必須是“制粉小能手”。粉體純度要高，如果粉中含有雜質的話，會成為光的散射中心，大大降低其制備的陶瓷透光性。

    粉體的粒度要小。當原料的粒度很小時， 處于高度分散狀態， 燒結時細微顆粒可縮短氣孔擴散的路程， 顆粒越細， 效果越好，減少光在氣孔出的散射與反射，陶瓷的透明程度也就提高了，納米材料的也極大的促進透明陶瓷的發展；

    為了獲得透明陶瓷， 有時需加入添加劑， 抑制晶粒生長，添加劑的用量一般很少， 所以要求添加劑能均勻分布于材料中， 另外， 添加劑還應能完全溶于主晶相， 不生成第二相物質，不然的話這外加添加劑可能就會“幫倒忙”嘍！所以添加劑的使用可以說是一門藝術。

    二、燒成制度

    設計合理的燒成制度是為了盡可能地排除陶瓷內部的氣孔（對透明陶瓷透光性能影響最大的就是這“該死的”氣孔，），提高致密度。燒結制度主要包括燒結溫度、保溫時間、降溫速度等等。

    燒結透明陶瓷時， 要根據燒結材料的性能和坯體的性能及大小來確定最高燒結溫度。燒結透明陶瓷時， 必須控制升溫速度， 確保整個坯體均勻加熱， 控制晶體生長速度和晶粒尺寸， 并達到消除氣孔的目的。保溫時間的選擇可依照晶粒的大小和氣孔有無而定， 冷卻制度的確定應以陶瓷無變形且無內應力為準。普通的燒結技術是達不到這樣的要求，所以就需要各種高大上的燒結設備和技術，后面再談。

    這還不夠呢！最后還需經真空、氫氣氣氛或其它氣氛中燒成，讓陶瓷燒結體中氣孔被置換后很快的進行擴散， 從而達到消除氣孔的目的， 使用這種燒結方法能達到陶瓷透明。

    三、晶界結構和表面粗糙度

    晶界結構和表面粗糙度也是制備透明陶瓷所需要考慮的。

    當入射光進入晶粒時， 會與晶界相遇， 則會產生折射和反射。如果晶界與晶粒的折射率相同時， 根據相關公式就不會發生折射和反射。如果晶界與晶粒之間折射率存在一定的差距， 就會影響透過率。各向異性晶體具有雙折射效應， 在晶界處會出現反射損失而降低透過率。對于立方晶體結構的陶瓷， 由于其各向同性， 光線進入陶瓷內部， 不會產生雙折射效應，所以現在很多透明陶瓷都是立方晶系的，隨著技術的發展，研究人員正在開發非立方晶系的透明陶瓷。

    從表面粗糙度角度來說，光線入射到粗糙表面上會發生漫反射。燒結陶瓷的表面粗糙度越大， 其透過率就越低，可以通過應對陶瓷表面進行研磨和拋光來解決這些問題。

    介紹完透明陶瓷燒結的要點……我們來看看燒結技術

    透明陶瓷燒結技術

    1、熱壓燒結

    熱壓燒結是在加熱粉體的同時進行加壓，因此燒結主要取決于塑性流動，而不是擴散。對于同一種材料而言，壓力燒結與常壓燒結相比，燒結溫度低得多，而且燒結體中氣孔率也低，另外由于在較低的溫度下燒結，抑制了晶粒的成長，所得的燒結體致密，且具有較高的強度。熱壓燒結的缺點是加熱、冷卻時間長，而且必須進行后加工，生產效率低，只能生產形狀不太復雜的制品。

    圖3高溫高壓燒結設備示意圖

    2、熱等靜壓燒結

    是一種集高溫、高壓于一體的工藝生產技術，加熱溫度通常為1000 ~2000℃，通過以密閉容器中的高壓惰性氣體或氮氣為傳壓介質，工作壓力可達200MPa。在高溫高壓的共同作用下，被加工件的各向均衡受壓。故加工產品的致密度高、均勻性好、性能優異。同時該技術具有生產周期短、工序少、能耗低、材料損耗小等特點。

    圖4 不同預燒結溫度對透明陶瓷制備影響

    3、真空燒結

    氧化物陶瓷坯體的氣孔中含有的水蒸氣、氫、氧等氣體在燒結過程中借溶解、擴散沿著坯體晶界或通過晶粒可從氣孔中逸出，但其中的一氧化碳、二氧化碳，特別是氮，由于溶解度較低，不易從氣孔中逸出，致使制品內含有氣孔，致密度下降。如將坯體在真空條件下燒結，則所有氣體在坯體尚未完全燒結前就會從氣孔中逸出，使制品不含氣孔，從而提高制品的致密度。

    4、放電等離子燒結

    放電等離子燒結法是90年代發展起來的一種燒結技術。SPS裝置設備非常類似于熱壓燒結爐，所不同的是這一過程給一個承壓導電模具加上可控脈沖電流，脈沖電流通過模具，也通過樣品本身，并有一部分貫穿樣品與模具間隙。通過樣品及間隙的部分電流激活晶粒表面，擊穿孔隙內殘余氣體，局部放電，甚至產生等離子體，促進晶粒間的局部結合，通過模具的部分電流加熱模具，給樣品提供一個外在加熱源。所以，在SPS過程中樣品同時被內外加熱，加熱可以很迅速。

    又因為僅僅模具和樣品導通后得到加熱，截斷后它們即實現快速冷卻，冷卻速度可達300℃/imn以上。優點在于SPS燒結技術的快速升溫特性，有利于控制晶粒的異常長大，同時模具所給予的壓力又促使陶瓷致密化，但是其缺點在于由于升溫快，保溫時間也比較短，這樣使得氣孔的完全排除比較困難。

    圖5 放電等離子燒結設備示意圖

    5、微波燒結

    利用在微波電磁場中材料的介電損耗使陶瓷及其復合材料整體加熱至燒結溫度而實現致密化的快速燒結的新技術。微波燒結速度快、時間短，從而避免了燒結過程中陶瓷晶粒的異常長大，最終可獲得高強度和高致密度的透明陶瓷。微波燒結工藝中的關鍵是如何保證燒結試樣的溫度均勻性和防止局部區域熱斷裂現象。

    總結

    主要是控制燒結體的微觀結構，特別是氣孔率。

    對于透明陶瓷的制備所花的費用是所有陶瓷材料中最貴的，有之一嗎？小編目前不知道。所以一般人是玩不起的，上面所說的那些設備都是非常貴的。在制備透明陶瓷的過程中需要非常小心，一點的瑕疵都有可能導致實驗的功虧一簣，但是挑戰高難度是我們材料人的性格。當看到自己做的透明陶瓷展現在我們面前的時候，自豪感和成就感是常人無法享受到的。最后補充一句，透明陶瓷的氣孔率一般要達到95%甚至更高，所以加油，做透明陶瓷的小伙伴！

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責任編輯：王元

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