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一文了解透明陶瓷材料

作者:beat365亚洲官网    更新时间:2020-11-22 20:33

  透明陶瓷具有陶瓷固有的耐高温、耐腐蚀、高绝缘、高强度等特性,又具有玻璃的光学性能,在照明技术、光学技术、特种仪器制造、无线电子学、信息探测、高温技术以及军事工业等领域应用前景广阔。目前,透明陶瓷得到了广泛研究,下面对几种透明陶瓷及其应用作具体介绍。

  红外窗口材料广泛应用于军事,航天及工业等多个领域,可用于制造透明装甲、导弹头罩、高温观察窗口以及航空窗口等。光学窗口用透明陶瓷主要有:红外透明Y2O3-MgO纳米复相陶瓷、MgAl2O4透明陶瓷、MgO透明陶瓷、AlON透明陶瓷等。

  Y2O3陶瓷具有紫外–可见–红外的宽波段透过性能,高温下适中力学性能以及抗热震性,特别是Y2O3具备极低的高温辐射系数,但传统制备过程中高温烧结会导致晶粒异常长大,影响其高温力学性能以及抗热震性,限制了Y2O3在高马赫数导弹红外窗口/整流罩上的应用。在MgO–Y2O3体系中,常压且低于2110℃时为稳定的两相混合物,因此在烧结过程中MgO- Y2O3纳米复相陶瓷中Y2O3相和MgO相的晶界相连,充分利用两相晶粒的钉扎效应来抑制晶粒的生长,减少了因两相折射率不同而产生的散射,从而获得出色的中波红外透过率及透过范围,此外,MgO–Y2O3纳米复相陶瓷拥有极低的高温辐射系数、高温下优良的机械性能、适中的热学性能以及仅次于蓝宝石的抗热震性。

  目前,上海硅酸盐研究所采用葡萄糖溶胶凝胶燃烧法制备的粉体进行热压烧结,当烧结温度为1350oC时制备出的样品的平均晶粒尺寸为130 nm,中红外透过率达到83.5%,接近理论透过率。

  AlON透明陶瓷在紫外、可见光及至中红外波段均具有优异的光学透过率,其弯曲强度在380~700MPa之间,维氏硬度为19.5 GPa。和其它透明陶瓷(如MgAl2O4、MgF2以及Y2O3等)的相比,AlON 透明陶瓷的机械性能更加出色,并且可与蓝宝石单晶相媲美。更重要的是,可以采用传统的陶瓷制备方法来获得大尺寸、复杂形状的AlON 透明陶瓷,工艺简单,成本低廉。除此之外,它还具有良好的耐高温性、抗热震性和出色的抗雨水/砂砾冲刷性能。

  MgO 透明陶瓷是光学各向同性体,具有很好的透红外性,因此可用于制作高温炉窗口、红外探测器罩,同时,也可利用它所具有的高耐碱性来制作坩锅与反应容器等。由于MgO 具有较好的直线透光率、较小的理论密度、高的导热性和良好的耐碱金属蒸汽化学稳定性,故被视为具有发展前景的材料。

  MgAl2O4具有光学各向同性的特性,使这种材料可以具有高透明度。MgAl2O4透明陶瓷具有高熔点(2135℃)、较好的化学稳定性、优异的机械性能和光学性能、良好的热冲击性能、高抗雨蚀能力、可透过0.2~6 µm宽波段的光、作为红外整流罩材料具有多波段、宽范围透过等特性。目前,美国又开展了MgAl2O4透明陶瓷军事用途的研究,用于做坦克窗口、士兵的防护面罩等。

  作为新一代固体激光材料—透明激光陶瓷,具有激光晶体、玻璃所无可比拟的优势,是陶瓷材料研究领域结构功能一体化的典范。激光用透明陶瓷主要有Nd:YAG激光陶瓷、Yb:YAG激光陶瓷、Tm/Ho/Er:YAG激光陶瓷等。

  目前,上海硅酸盐研究所在高性能Nd:YAG激光透明陶瓷材料的设计、制备与性能研究中取得一系列重要的研究进展。该所制备的Nd:YAG陶瓷板条激光与美国达信公司陶瓷板条激光系统中单板条激光输出功率7.5kW处于同一量级,标志着中国在激光陶瓷领域取得了重大突破,处于国际先进水平。

  与Nd:YAG相比,Yb:YAG激光陶瓷的优点包括:Yb3+吸收带与LD有效耦合,吸收线宽大;量子亏损低,理论量子效率高;无辐射弛豫引起的热负荷低;无激发态吸收和上转换,光转换效率高;荧光寿命长(约951μs),有利于储能。因此,Yb:YAG透明陶瓷适合用作高功率、大能量的固体激光增益介质。

  磁光透明陶瓷是一种新型的磁光介质材料,具有高Verdet常数、大尺寸、高热导率、高激光损伤阈值等优点,因而被认为是用于高功率激光器中法拉第隔离器的最理想的材料之一。其中,铽铝石榴石(Tb3Al5O12,TAG)磁光透明陶瓷是一种应用于可见及近红外波段的法拉第磁光材料,具有很好的应用前景。

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