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透明陶瓷，又称光学陶瓷，顾名思义就是运用特殊工艺烧结制备出的能够透光的陶瓷，行业内一般会把直线透过率10%作为透明陶瓷与半透明陶瓷的分界线。

既然(ran)(ran)是(shi)陶(tao)瓷(ci)，那么透(tou)明陶(tao)瓷(ci)自然(ran)(ran)也具(ju)备陶(tao)瓷(ci)固有(you)的耐(nai)高(gao)(gao)温、耐(nai)腐蚀、高(gao)(gao)绝缘、高(gao)(gao)强度等(deng)特性，因此可(ke)应用于条件极度严(yan)苛的环(huan)境(jing)或是工(gong)程(cheng)设计当(dang)中(zhong)，如国防工(gong)业(ye)、特殊工(gong)业(ye)设备等；同时又因为透光，还拥有类似玻(bo)璃(li)的光学(xue)性能，在(zai)照明技(ji)(ji)术(shu)、光学(xue)技(ji)(ji)术(shu)、特种仪器制造、无(wu)线电子学(xue)、信(xin)息探(tan)测、高温技(ji)(ji)术(shu)以及军事(shi)工(gong)业等领域应(ying)用(yong)前景广阔。

不仅性(xing)能优(you)，就(jiu)连颜值也高的透明(ming)陶瓷（来源：konoshima）

目前，透(tou)明陶(tao)瓷在未来(lai)技(ji)术(shu)发展上的潜力已受(shou)到广泛(fan)认可，下面将对几种透(tou)明陶(tao)瓷及(ji)其应(ying)用作具(ju)体介绍。

一、透(tou)明陶瓷为什么能(neng)透(tou)光？

早(zao)在1930年，科学家们(men)(men)就已经开始进行对透(tou)明(ming)(ming)(ming)陶瓷(ci)的(de)(de)研(yan)究，并在1957年时，由美国General Electric Company的(de)(de)陶瓷(ci)专家R. L. Coble与(yu)他的(de)(de)团队制(zhi)备出第一块透(tou)明(ming)(ming)(ming)氧化铝陶瓷(ci)。这个团队发现，他们(men)(men)所制(zhi)备出的(de)(de)透(tou)明(ming)(ming)(ming)氧化铝样品于仪器分(fen)析下(xia)并没(mei)有发现任何微气孔，就推测陶瓷(ci)透(tou)明(ming)(ming)(ming)度可能(neng)与(yu)微气孔存在有很大的(de)(de)关系——事实(shi)(shi)也确实(shi)(shi)如(ru)此(ci)。

作为一(yi)种多(duo)晶(jing)(jing)无机(ji)材(cai)料，陶(tao)瓷(ci)一(yi)般是(shi)(shi)由(you)(you)晶(jing)(jing)粒、晶(jing)(jing)界、气(qi)孔等(deng)(deng)(deng)组成(cheng)。一(yi)般而言，多(duo)晶(jing)(jing)陶(tao)瓷(ci)的不(bu)透(tou)(tou)明性是(shi)(shi)由(you)(you)非等(deng)(deng)(deng)轴（立(li)方）晶(jing)(jing)系(xi)晶(jing)(jing)粒在排列取向上(shang)的随(sui)机(ji)性导致晶(jing)(jing)粒间折(zhe)射(she)系(xi)数不(bu)连续(xu)，以及晶(jing)(jing)界效应及气(qi)孔等(deng)(deng)(deng)因(yin)(yin)素引起(qi)的散射(she)等(deng)(deng)(deng)原(yuan)因(yin)(yin)所致。因(yin)(yin)此要(yao)成(cheng)功(gong)制备透(tou)(tou)明陶(tao)瓷(ci)，除了气(qi)孔结(jie)构因(yin)(yin)素外，材(cai)料本身(shen)的纯度以及晶(jing)(jing)体结(jie)构也是(shi)(shi)影响(xiang)的关键要(yao)因(yin)(yin)。

多晶陶瓷内部影响光的散射主要因素示意图

所以在(zai)实际生产(chan)过程中，高纯超细的(de)(de)原料、尽可能少的(de)(de)添加(jia)剂和(he)工艺(yi)上的(de)(de)严(yan)格控制(zhi)都是必不可少的(de)(de)，其中工艺(yi)的(de)(de)控制(zhi)主要是为了(le)将(jiang)陶(tao)瓷(ci)材料中的(de)(de)气(qi)孔(kong)和(he)杂质充分排除，并适当控制(zhi)陶(tao)瓷(ci)材料的(de)(de)晶粒尺寸(cun)，使制(zhi)品接近于理论密度。如(ru)此一来，就能避免入射光在(zai)透明陶(tao)瓷(ci)表(biao)面反(fan)射、内(nei)部的(de)(de)吸收和(he)散射，从而制(zhi)备出透明陶(tao)瓷(ci)。

二、透明陶瓷(ci)的分类(lei)和(he)用途

透(tou)(tou)明(ming)陶(tao)瓷种(zhong)类很多，由于(yu)晶(jing)体结(jie)构的(de)差异(yi)它们会(hui)具有(you)不(bu)同的(de)特殊(shu)性能(neng)，可以满足不(bu)同应用领域的(de)需求，因此一般会(hui)按(an)功能(neng)和(he)用途进行分类。例如AlON透(tou)(tou)明(ming)陶(tao)瓷具有(you)优(you)异(yi)的(de)抗冲击性能(neng)，在透(tou)(tou)明(ming)装(zhuang)甲等军事(shi)领域备受青(qing)睐。

1、透明(ming)激光陶瓷

从上世纪(ji)60年代以(yi)来，固体激(ji)光(guang)(guang)器(qi)得到快速发(fa)展，因而(er)激(ji)光(guang)(guang)材料(liao)的研(yan)究(jiu)受(shou)到广泛关注。其中(zhong)透明陶瓷材料(liao)因具(ju)有烧结温(wen)度(du)低(di)、掺杂浓(nong)度(du)高(gao)且方便调节、制备周期短(duan)、生产成本相对较低(di)及易于制备多层结构等多种优点而(er)备受(shou)关注。

1966年，E.Carnall等人2用热压烧(shao)结工艺(yi)研制出激光阈(yu)值与单晶相接近的Dy:CaF₂陶(tao)瓷。1973年(nian)，C.Greskovich等用Y₂O₃、ThO₂、Nd₂O₃作(zuo)为(wei)原料合成(cheng)出能(neng)发出激光的立(li)方体固溶相(xiang)NDY陶瓷，但激光阈值强度仍低于市面(mian)上最(zui)好的掺Nd玻璃。1995年，日(ri)本(ben)A.Ikesue博士等(deng)以高(gao)纯粉体为(wei)原料，在1750℃高(gao)温真空烧结成(cheng)型好的素坯，成(cheng)功研制出含0.3-4.8at%的Nd₂O₃的(de)YAG陶(tao)瓷，其激光(guang)(guang)性能比利用直拉(la)法制备的(de)YAG单晶的(de)激光(guang)(guang)效率还要高，实现了透明激光(guang)(guang)陶(tao)瓷的(de)重要突破。国内(nei)则于2006年5月由(you)中国科学院上海硅酸(suan)盐研(yan)究所科研(yan)人员首次(ci)实现了1.0at%Nd:YAG透明陶(tao)瓷的(de)激光(guang)(guang)输出。

激光(guang)陶瓷

总而言(yan)之，在研究人员的努力下(xia)，通过改进(jin)烧结工(gong)艺和烧结设备(bei)，近(jin)年来(lai)激(ji)光透明陶瓷的激(ji)光效(xiao)率(lv)不(bu)断提高，更被业界(jie)认为有(you)望取代晶体的地位，成为应(ying)用最广泛的激(ji)光材(cai)料(liao)之一(yi)。理由如下(xia)：

①陶瓷的制(zhi)(zhi)备时间(jian)短，烧结(jie)装置无需(xu)贵金属材料，烧结(jie)无需(xu)在高纯(chun)保护性气氛下进行，制(zhi)(zhi)备成(cheng)本(ben)低；

②陶瓷可(ke)以制备(bei)成多种形状，制备(bei)大尺(chi)寸的陶瓷是其(qi)制备(bei)方法固(gu)有的优势；

③陶瓷中掺(chan)杂粒子(zi)浓(nong)度高，从整体上看掺(chan)杂粒子(zi)的(de)分布均匀(yun)；

④陶瓷烧结(jie)的温度比晶体(ti)的熔点(dian)低许多，制备出的陶瓷其组份(fen)偏离小；

⑤陶瓷能够做成不同(tong)形(xing)状(zhuang)或(huo)者多层(ceng)材料(liao)进行烧结，有可能发(fa)展(zhan)出多功能陶瓷。

固体激(ji)(ji)光(guang)在激(ji)(ji)光(guang)武器、激(ji)(ji)光(guang)核聚变点火、激(ji)(ji)光(guang)切(qie)割、激(ji)(ji)光(guang)熔覆等领域的应用(yong)（来源：中科院上(shang)硅所官网）

2、透明闪烁(shuo)陶瓷

闪烁材料(liao)是一种能(neng)将入射(she)在(zai)(zai)其上的高(gao)(gao)能(neng)射(she)线(xian)（X/γ射(she)线(xian)）或粒子转(zhuan)换(huan)为紫外(wai)或可见光的晶态能(neng)量(liang)转(zhuan)换(huan)体，广(guang)泛应用在(zai)(zai)高(gao)(gao)能(neng)物理(li)与(yu)核(he)物理(li)实验、影像(xiang)核(he)医(yi)学（简称CT和PET）、工业(ye)CT在(zai)(zai)线(xian)检测、油井勘(kan)探、安(an)全稽查及反恐应用等。能(neng)够把带有高(gao)(gao)能(neng)量(liang)的射(she)线(xian)转(zhuan)化为可见光的透明(ming)陶瓷(ci)，就被(bei)称为“透明(ming)闪烁陶瓷(ci)”。

闪(shan)烁(shuo)材料在核医(yi)学成像、工业无损(sun)检测(ce)、高能物(wu)理粒子探测(ce)和机场(chang)安检等领(ling)域的应用（来源：中科院）

近年来(lai)(lai)随着影(ying)像(xiang)核医(yi)学医(yi)疗设备的(de)发展和及和高能物理(li)与核物理(li)实验需求的(de)提高，对闪(shan)(shan)(shan)烁体(ti)的(de)要求也越来(lai)(lai)越高：大(da)的(de)有效原(yuan)子序数（有利于高能射线吸(xi)收）、更(geng)高的(de)光输出（提高信号强度）、更(geng)快的(de)衰减（可以实时成(cheng)像(xiang)，减少干扰(rao)）、更(geng)高的(de)能量(liang)分辨率(lv)（提高成(cheng)像(xiang)精度）。而(er)透明闪(shan)(shan)(shan)烁陶(tao)瓷由于具有可在较宽范围内掺(chan)杂，所(suo)需成(cheng)本可控、易(yi)于制备大(da)尺寸等诸多优(you)点，因此应用潜力(li)巨大(da)，目(mu)前在医(yi)学仪器领域、油井(jing)检测、反恐等领域都有所(suo)应用，而(er)且(qie)已经(jing)开(kai)发出GOS、GGG等不同(tong)的(de)陶(tao)瓷闪(shan)(shan)(shan)烁体(ti)材料。

3、透(tou)明装甲陶瓷(ci)

透(tou)明装(zhuang)甲(jia)主(zhu)要应(ying)(ying)用在坦克、武装(zhuang)直升机、防弹窗口等(deng)军(jun)事(shi)领(ling)域。目前应(ying)(ying)用较(jiao)广的(de)装(zhuang)甲(jia)材(cai)(cai)料(liao)主(zhu)要是有单晶、抗(kang)弹玻璃和(he)透(tou)明陶(tao)(tao)瓷。在这(zhei)些材(cai)(cai)料(liao)中(zhong)，透(tou)明陶(tao)(tao)瓷材(cai)(cai)料(liao)县(xian)备光学质量高、硬度(du)大(da)、耐刮(gua)利擦、耐高温等(deng)优点，适合在战争(zheng)等(deng)极(ji)端环境中(zhong)应(ying)(ying)用，因此成了军(jun)队装(zhuang)甲(jia)材(cai)(cai)料(liao)的(de)首选。

法国武器装(zhuang)备总局（DGA）与先进陶瓷企(qi)业SOLCERA在“SPINELLE”（尖晶石）项目中共(gong)同(tong)开(kai)发的新型透明陶瓷装(zhuang)甲窗

在众(zhong)多(duo)透明(ming)陶(tao)瓷(ci)材料中，常作为(wei)装甲材料的主要(yao)是MgAl₂O₄和AlON透(tou)明(ming)陶瓷(ci)。在实际大范围(wei)应用(yong)中，为(wei)了减轻坦克等携(xie)带的(de)装甲的(de)重(zhong)量以及出自减少成(cheng)本的(de)考(kao)虑，经(jing)常(chang)会将透(tou)明(ming)陶瓷(ci)和其它(ta)透(tou)明(ming)材(cai)料复合搭(da)配使用(yong)，能够达(da)到军事用(yong)抗冲击(ji)的(de)等级(ji)要求，如(ru)下图中的(de)这种结构。

新型透明(ming)防弹装甲结构示意(yi)图

可看出，透(tou)明防弹装甲由三个功(gong)能层组(zu)成：

①迎(ying)弹(dan)面层：通常(chang)由玻璃、玻璃陶瓷或透明陶瓷制成，用(yong)于使弹(dan)丸(wan)钝(dun)化(hua)、损(sun)伤(shang)、碎裂；

②中间(jian)层：由玻(bo)璃(li)或聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）构成，用于能量吸收、止裂、缓(huan)解热膨胀错配；

③背弹面层：通常选择聚碳酸(suan)酯（PC），用于防碎片飞溅。

其(qi)中，迎弹面是整个透(tou)明防(fang)弹装甲(jia)系统的核(he)心。此外还有各层之(zhi)间的黏结层（用于连接系统并提供多次撞(zhuang)击阻力）。

4、红外透明(ming)陶瓷

为了(le)应(ying)对未来(lai)战场错综复杂(za)的(de)(de)情况，军(jun)用红(hong)外(wai)光电系(xi)统(tong)需(xu)要能(neng)够满(man)足(zu)不(bu)(bu)同严苛要求，其中红(hong)外(wai)窗口(kou)和(he)红(hong)外(wai)整流(liu)罩是保(bao)护光电系(xi)统(tong)的(de)(de)重要部件。由于导(dao)弹攻击速率(lv)在不(bu)(bu)断提升(sheng)，造成导(dao)弹前端位置(zhi)与空气(qi)摩擦产生的(de)(de)载荷也(ye)剧烈(lie)增加，因此红(hong)外(wai)窗口(kou)和(he)红(hong)外(wai)整流(liu)罩要具备高透过率(lv)、力学性能(neng)好、热导(dao)率(lv)高、抗(kang)热震性强、耐腐蚀等(deng)优点。在不(bu)(bu)同红(hong)外(wai)波段(duan)应(ying)用的(de)(de)材(cai)料种类也(ye)是不(bu)(bu)一(yi)样的(de)(de)，目前已经开(kai)发出的(de)(de)中波红(hong)外(wai)材(cai)料主要有MgF₂、MgAl₂O₄、AlON和Y₂O₃透(tou)明陶瓷(ci)和蓝宝石单晶等；长(zhang)波红外透(tou)明材料主要是ZnS、ZnSe、CdTe等透(tou)明陶瓷(ci)。

透明镁(mei)铝酸尖晶石陶瓷（来源：laserfocusworld）

比(bi)如说上图(tu)中由美国海军(jun)研究实验室(shi)(NRL)开发(fa)的用于高(gao)能(neng)激光(guang)(HEL)系统的透明镁铝酸尖(jian)晶石(MgAl₂O₄)陶(tao)瓷，在不改(gai)变传(chuan)输(shu)(shu)参(can)数的(de)(de)(de)情况下，它可(ke)以承受时(shi)速600英里(li)的(de)(de)(de)雨滴和(he)时(shi)速460英里(li)的(de)(de)(de)沙粒的(de)(de)(de)冲击(ji)。因此作为(wei)窗口(kou)和(he)圆顶材料，可(ke)以很好地保护从紫外(wai)到中红外(wai)到5µm的(de)(de)(de)传(chuan)感器，优异的(de)(de)(de)低吸(xi)收损耗(hao)（6ppm /cm）使它能最大限度地减(jian)少在HEL系(xi)统中作为(wei)光路畸(ji)变测量的(de)(de)(de)光束畸(ji)变和(he)输(shu)(shu)出功率损失。

资(zi)料来源：

AlON透明陶(tao)瓷的(de)光学(xue)性能优化研究，李(li)建民。

陶(tao)瓷基透明防(fang)弹装(zhuang)甲研究进展(zhan)，刘家希(xi)，石晓东，姜(jiang)良宝等。

Transparent ceramic suits high-energy laser systems(Gail Overton)

粉体圈(quan) NANA整理