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    透明陶瓷的結構是什么?

    發布日期:2020-12-08 16:32 瀏覽次數:

    影響陶瓷透明度的因素很多,涉及到陶瓷制備過程的各個方面,其中主要控制因素有:原料粉末、燒結工藝、陶瓷微觀結構和后處理工藝。這些因素往往是相互關聯的,以下是各種影響因素的概述。
    1、原料粉的影響。
    ①晶體結構與缺陷:晶體結構決定陶瓷多晶的光學性質,直接影響其透明度。立方系多晶陶瓷只在晶界產生散射,在可見光區其透明度接近透明玻璃。四方、三角和六方晶體是單軸各向異性晶體,在晶界界面具有雙折射和反射損耗,透光率低。而單斜、三斜和正交晶體是雙軸各向異性晶體,在晶界界面雙折射和反射損耗更嚴重,對應的多晶材料透光率更低甚至沒有透光率。一些各向異性晶體(α-氧化鋁)的主折射率相差很小,晶界界面的反射損耗不足以嚴重影響其透明度,因此仍具有較高的透明度。
    晶體結構對陶瓷多晶體的透明度有很大的影響,晶體結構缺陷的影響不容忽視。例如,材料中O2-空位的存在有利于O2-擴散,可以促進氧化物透明陶瓷的燒結,但燒結產物中殘留的氧空位會降低陶瓷的透明度。此外,晶體的位錯缺陷、晶粒表面的生長條紋、晶粒的無序取向等結構缺陷也是影響透明度提高的不利因素。
    ②原料純度和粒度:制備透明陶瓷應使用純度高(99.5%以上)、高分散、高燒結活性的粉體。原料中的雜質會產生異相,形成光散射中心,削弱入射方向投射光的強度,顯著降低產品的透明度。
    此外,在保持粉末顆粒高度分散和高成型密度的前提下,原料粉末越小,越有利于消除氣孔,提高燒結性能。但實際上原料粒度有一個合適的范圍,過細會導致成型密度低、易團聚、環境中的外來分子吸附等問題。
    ③原料的分散性:除了純度高、粒度小外,粉末還應高度分散,以保證高的燒結活性。高度分散是指當原料顆粒達到一定細度時,顆粒仍保持其獨立性,顆粒不會因相互作用而團聚,形成較大尺寸的二次顆粒。
    研究表明,制備透明陶瓷的理想粉體要求原料必須具有高純度、超細等特性。在制備過程中不能引入雜質,顆粒應等軸,顆粒間無明顯團聚。硬聚集體的產生會完全或部分喪失高分散、小粒徑的優勢。粉末成型中存在較大孔隙時,這些孔隙的熱力學穩定性高于較小孔隙,對排除的動力學阻力較大,甚至難以排除。骨料的存在使得由于粉末成型的存在而難以獲得透明的陶瓷材料。
    2.燒結過程。
    ①氣體介質:光亮陶瓷不同于普通陶瓷,最后必須在真空、氫氣氣氛或其他氣氛中燒制。燒制過程中氣體介質的正確選擇是制備透明陶瓷的重要條件之一。在空氣或惰性氣體介質中燒結時,由于空氣或惰性氣體殘留在孔隙中,不利于孔隙的消除,很難生產出無孔隙的透明陶瓷。因此,有必要在真空或使用氫氣氣氛下燒結。對于揮發性小、陽離子和陰離子差異小的化合物,可以使用真空燒結。例如,透明陶瓷如氧化鋁、氧化釔、氧化鈧和氧化鋯可以通過真空燒結來制備。
    ②燒結溫度:透明陶瓷需要比普通陶瓷制品更高的燒結溫度來消除氣孔,實現透明燒結。燒制透明陶瓷時,最高燒制溫度應根據燒結材料的性能和坯體的性能和尺寸來確定。最佳燒成溫度也與熱工設備的承受能力有關,同時要考慮節能??傊?,透明陶瓷的燒成溫度要在保證光學透明的前提下盡可能低。
    ③燒結添加劑:一方面,燒結添加劑能有效降低燒結溫度;另一方面,它可以抑制晶界的遷移和晶粒的產生,促進氣孔的消除,有利于燒結的致密化;然而,過量的添加將產生第二相并影響透光率。在確定添加劑的用量時,應保證其不以新的固相形式沉淀,而是完全進入主晶相形成固溶體。
    3.陶瓷的微觀結構
    ①晶界結構:晶界是破壞陶瓷光學均勻性的重要因素之一,從而引起光散射,導致材料透光率下降。陶瓷材料的相組成通常包含兩個或多個相,這種多相結構容易導致相界面上的光散射。材料成分差異越大,折射率差異越大,整個陶瓷的透光率越低。因此,透明陶瓷應具有薄的晶界面積,良好的光學匹配,無氣孔、夾雜、位錯等。各向同性晶體的陶瓷材料可以達到類似玻璃的線性透過率。
    ②晶粒度:陶瓷多晶體的晶粒度對透明陶瓷的透光率也有很大影響。當入射光波長等于粒徑時,光散射效應最大,透光率最低。因此,為了提高透明陶瓷的透光率,晶粒尺寸應控制在入射光的波長范圍之外。
    ③陶瓷的孔隙率:透明陶瓷的制備過程本質上是完全消除燒結過程中微孔的致密化過程,材料中孔隙的大小、數量和類型都會對陶瓷材料的透明度產生顯著影響??紫堵实奈⑿∽兓梢燥@著改變材料的透光率。例如,研究表明,當陶瓷體中的封閉孔隙率從0.25%變化到0.85%時,透明度降低33%。雖然這可能是某些情況下的結果,但在某種程度上,我們可以看到孔隙率對陶瓷透明度的影響是一種直接而暴力的表現。另一項研究數據表明,當孔體積為3%時,透光率為0.01%,當孔體積為0.3%時,透光率為10%。因此,透明陶瓷必須增加密度,降低孔隙率,通常高于99.9%。
    4.表面處理。
    透明陶瓷的透光率也受到表面光潔度的限制。燒結后,未經處理的陶瓷表面粗糙度很高,呈現微小的凹凸形狀,當光入射到這個表面時會發生漫反射。燒結陶瓷的粗糙度越大,其透明度越低。

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