氧化鋁透明陶瓷材料是第一個(gè)實(shí)現透明的陶瓷材料。它具有耐高溫、耐腐蝕、高強度、高硬度、化學(xué)穩定性和生物相容性等結構陶瓷所固有的屬性，同時(shí)具備透光這一功能屬性，已經(jīng)在能源、機械、軍工、電子、半導體、醫學(xué)等高技術(shù)領(lǐng)域得到越來(lái)越多的應用。
圖1 (a)透明氧化鋁托槽 (b)透明氧化鋁裝甲
一. 氧化鋁透明陶瓷及其制備技術(shù)
自二十世紀六十年代美國通用公司發(fā)現了第一個(gè)氧化鋁透明陶瓷以來(lái)，在半個(gè)多世紀里，陶瓷領(lǐng)域的科研工作者們通過(guò)改進(jìn)氧化鋁透明陶瓷的成型與燒結工藝，使得氧化鋁透明陶瓷在力學(xué)、光學(xué)以及產(chǎn)業(yè)化應用方面均取得了巨大進(jìn)步。
（一）透明陶瓷的定義及影響因素
德國Fraunhofer研究所Krell等人嚴格區分了“透明”與“半透明”兩個(gè)概念，Krell等人認為只有與物體隔著(zhù)一定距離而仍然具有良好透明度的陶瓷才是透明陶瓷，否則只能稱(chēng)為半透明陶瓷。我國一般認為直線(xiàn)透光率在可見(jiàn)光區域的最大值超過(guò)15%可稱(chēng)為透明陶瓷。
圖2 半透明、介質(zhì)透明與全透明陶瓷
光線(xiàn)透過(guò)陶瓷多晶體的光線(xiàn)損失主要包括三部分
1、表面反射損失，對于氧化鋁而言一般為7——8%；
2、第二相損失（氣孔、雜質(zhì)、第二晶相等），由于第二相與陶瓷基體的折射率有顯著(zhù)差異而造成的光線(xiàn)損失。如氧化物陶瓷折射率一般為1.3——2.7，而氣孔即光線(xiàn)在空氣中的折射率為1.003；
3、所有非等軸晶系的晶界上均存在雙折射，雙折射可產(chǎn)生額外光散射。如氧化鋁陶瓷晶界的兩個(gè)折射率為1.760和1.768。因此，影響陶瓷透明性的因素包括氣孔率，晶粒尺寸，晶體結構對稱(chēng)性，晶界結構，表面加工光潔度等。
（二） 氧化鋁透明陶瓷的制備技術(shù)
由上一部分的描述我們可知氧化鋁透明陶瓷在制備過(guò)程中對各方面的要求都很高。在生產(chǎn)過(guò)程中常涉及的制備技術(shù)主要包括以下幾個(gè)部分。
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粉末原料
制備氧化鋁透明陶瓷對原始粉末的要求極高，需要滿(mǎn)足純度、粒度、晶型三個(gè)方面的要求。純度須高于99.9%，粒度一般為亞微米級（0.1μm——1μm）甚至納米級，晶型為α相。目前通常采用碳酸鋁銨或硫酸鋁銨熱解法制備這類(lèi)α-Al2O3粉末。
2
燒結助劑
為了實(shí)現氧化鋁陶瓷的高度致密化，一般需要加入微量的燒結助劑。MgO是最為經(jīng)典的制備氧化鋁透明陶瓷的燒結助劑，高純Al2O3燒結過(guò)程中加入少量MgO（加入量為0.05——0.25wt%）可有效抑制晶粒過(guò)分長(cháng)大。
關(guān)于MgO在抑制Al2O3晶粒異常生長(cháng)的作用機理，目前尚未達成共識，有關(guān)解釋主要包括如下三種：
a 晶界上溶質(zhì)偏析，通過(guò)溶質(zhì)拖拽機制抑制晶粒的不連續生長(cháng)（“雜質(zhì)—偏析”理論）。
b 晶界上第二相釘扎抑制晶粒的不連續生長(cháng)（“第二相釘扎”理論）。
c 通過(guò)缺陷結構的改變提升與晶粒生長(cháng)速率相關(guān)的燒結速率（“固溶”理論）。
此外，還可使用Y2O3、La2O3、TiO2、MnO、CaO等，也可將這些氧化物與MgO進(jìn)行多元共滲，多元助燒劑共滲有利于透明度的提高。
圖3 TiO2 /CaO助燒劑共滲熱等靜壓制備的氧化鋁透明陶瓷掃描照片
3
燒結方法
常規的燒結方法無(wú)法滿(mǎn)足制備氧化鋁透明陶瓷的要求，制備透明陶瓷常用的燒結方法有：a氣氛與真空燒結、b熱等靜壓燒結、c放電等離子體燒結等。
a. 氣氛與真空燒結
通過(guò)常壓燒結制備的氧化鋁陶瓷通常會(huì )有1——3%的殘余氣孔，而通過(guò)在真空或者氣氛中燒結可使氧化鋁坯體產(chǎn)生大量氧空位，加速O2-的擴散，使坯體致密化速率加快，這樣可以使殘余氣孔更容易排除。
b. 熱等靜壓燒結
熱等靜壓(HIP)是一種集高溫、高壓于一體的工藝生產(chǎn)技術(shù)，加熱溫度可以達到2000℃；通過(guò)以密閉容器中的高壓惰性氣體或氮氣為傳壓介質(zhì)，其工作壓力可達200MPa以上。在高溫高壓的共同作用下，能夠將常壓燒結下難以消除的閉口氣口排除，可制備出高透明度的亞微米級氧化鋁陶瓷。由于利用此種方法制備的氧化鋁透明陶瓷晶粒尺寸細小，使得陶瓷的機械性能非常優(yōu)異。
圖4 熱等靜壓燒結爐示意圖
c. 放電等離子體燒結
放電等離子燒結(SPS)是將原料粉末裝入石墨等材質(zhì)制成的模具內，利用上、下模沖及通電電極將特定燒結電源和壓制壓力施加于原料粉末，經(jīng)放電活化、熱塑變形和冷卻完成燒結過(guò)程。由于SPS能夠快速燒結和可在較低溫度下實(shí)現精細陶瓷結構的致密化，近幾年被廣泛地應用于制備氧化鋁透明陶瓷。
圖5 放電等離子燒結示意圖
二、氧化鋁透明陶瓷的應用
氧化鋁透明陶瓷具有優(yōu)異的光學(xué)性能而且耐高溫，照明領(lǐng)域是氧化鋁透明陶瓷最早的應用領(lǐng)域。高壓鈉燈是一種發(fā)光效率很高的電光源，但在鈉燈蒸汽放電時(shí)會(huì )產(chǎn)生1000℃以上的高溫，具有很強的腐蝕性，在發(fā)明使用了氧化鋁透明陶瓷后才使得高壓鈉燈得到了實(shí)際的應用，主要用于道路、港口、機場(chǎng)、車(chē)站、廣場(chǎng)、建筑物的泛光照明等場(chǎng)所。氧化鋁透明陶瓷除用于照明領(lǐng)域外，還具有很廣泛的用途。
氧化鋁透明陶瓷的其他應用領(lǐng)域
1、在機械工業(yè)中
用來(lái)制造車(chē)床上的高速切削刀、汽輪機葉片、噴氣發(fā)動(dòng)機的零件等；
2、在化學(xué)工業(yè)中
用作高溫耐腐蝕材料以代替傳統材料等；
3、在國防軍事中
氧化鋁透明陶瓷可以做成導彈等飛行器的窗口和整流罩等；
4、在儀表工業(yè)中
用作高硬度材料以代替各類(lèi)寶石等；
5、在電子工業(yè)中
用來(lái)制造印刷線(xiàn)路的基板等；
6、在日用生活中
用來(lái)制作各種高級器皿、餐具等。
