透明陶瓷是一種利用陶瓷材料光學(xué)性質(zhì)的新型陶瓷，除具有傳統(tǒng)陶瓷的典型特性外，兼具玻璃的光學(xué)特性。目前，氧化鋁透明陶瓷已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于高壓鈉燈、陶瓷金鹵燈的發(fā)光燈管、LED用封裝基片以及高溫紅外探測(cè)窗口等。但是基于α-Al₂O₃的本征性質(zhì)，即六方晶系的晶界雙折射問(wèn)題，氧化鋁透明陶瓷的直線(xiàn)透過(guò)率一般較低，通常為30%以下，如何提高氧化鋁陶瓷的透過(guò)率一直是一個(gè)難題。

目前提升氧化鋁陶瓷透過(guò)率的主流方法有兩種：

1.減少晶粒尺寸。通常當(dāng)氧化鋁陶瓷的晶粒尺寸小于光波長(zhǎng)時(shí)，自身的雙折射效應(yīng)會(huì)被減弱，使陶瓷的透過(guò)率大大提升。不過(guò)這種方法并不能本質(zhì)上解決晶界的雙折射問(wèn)題，陶瓷透過(guò)率在紫外光波長(zhǎng)范圍內(nèi)也會(huì)急速下降；

2.構(gòu)造晶粒定向。例如將氧化鋁陶瓷漿料置于強(qiáng)磁場(chǎng)中，利用氧化鋁不同取向磁化系數(shù)的差異，使陶瓷粉體在磁場(chǎng)作用下發(fā)生扭轉(zhuǎn)，讓陶瓷粉體在單一方向達(dá)成定向排布，并最終經(jīng)過(guò)燒結(jié)制備具有晶粒定向結(jié)構(gòu)的陶瓷，光沿晶粒定向通過(guò)陶瓷時(shí)就不會(huì)發(fā)生折射，使陶瓷透過(guò)率大幅提升。但是強(qiáng)磁場(chǎng)只能在小模具中得以實(shí)現(xiàn)，并且強(qiáng)磁場(chǎng)對(duì)實(shí)驗(yàn)設(shè)備要求較高，難以實(shí)現(xiàn)大尺寸透明陶瓷的制備和大規(guī)模的生產(chǎn)。

因此，需要進(jìn)一步探索更簡(jiǎn)單的調(diào)控氧化鋁陶瓷晶粒性質(zhì)以提升其透過(guò)率的制備方法。

類(lèi)單晶結(jié)構(gòu)透明陶瓷的發(fā)展歷程

受磁場(chǎng)定向所制備的陶瓷透過(guò)率大幅提升的啟發(fā)，曾有研究者采用片狀氧化鋁粉借助熱壓燒結(jié)制備出了接近了類(lèi)單晶結(jié)構(gòu)的氧化鋁透明陶瓷，陶瓷透過(guò)率提升至65.4%，陶瓷透過(guò)率較磁場(chǎng)定向所制備的透過(guò)率仍有差距的原因是陶瓷的密度與取向度并不足夠高，但也為提高氧化鋁透明陶瓷透過(guò)率提出了新思路。

除了多晶透明氧化鋁陶瓷，也有人借助固態(tài)單晶轉(zhuǎn)化法(solid-state single-crystal conversion)將多晶陶瓷轉(zhuǎn)化為單晶態(tài)，以此得到具有優(yōu)異光學(xué)和力學(xué)性能的藍(lán)寶石單晶。固態(tài)單晶轉(zhuǎn)化法利用了多晶中晶粒異常長(zhǎng)大的現(xiàn)象，因此該方法不需要昂貴的設(shè)備，采用的設(shè)備即為傳統(tǒng)陶瓷制造設(shè)備。從理論上講，在多晶體中，一個(gè)大晶粒或種子晶體會(huì)吞并所有其它晶粒，多晶體最終就會(huì)變成一個(gè)單晶體。對(duì)于單晶的固態(tài)轉(zhuǎn)換，多晶的晶粒生長(zhǎng)必須被抑制（或最小化），而種子晶體的生長(zhǎng)必須在不受基質(zhì)晶粒影響的情況下發(fā)生。因此，多晶的微觀結(jié)構(gòu)控制至關(guān)重要。

總而言之，隨著半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，氧化鋁透明陶瓷的光學(xué)性能和力學(xué)性能都有了很大幅度的提升，晶粒結(jié)構(gòu)逐漸趨于細(xì)小均勻和織構(gòu)化，其中類(lèi)單晶結(jié)構(gòu)氧化鋁透明陶瓷具有廣闊的應(yīng)用前景，對(duì)于織構(gòu)化氧化鋁透明陶瓷的制備有待深入研究。

類(lèi)單晶結(jié)構(gòu)陶瓷的織構(gòu)化技術(shù)

陶瓷的性能除了受本身晶體結(jié)構(gòu)的影響外，同時(shí)也受到微觀結(jié)構(gòu)的影響，陶瓷的微觀結(jié)構(gòu)主要包括晶粒、晶界和氣孔三部分。其中，晶粒的尺寸及分布、排布方式和堆積密度等對(duì)陶瓷性能影響最大。陶瓷內(nèi)的晶粒大多都是無(wú)序排布，這也就導(dǎo)致多晶體的性質(zhì)一般為各向同性，各向同性的結(jié)構(gòu)會(huì)使得“性能平均化”，無(wú)法單獨(dú)呈現(xiàn)某個(gè)晶面的性質(zhì)，即在特定方向?qū)⒛稠?xiàng)性質(zhì)最大化。

因此，如果能采用一些微結(jié)構(gòu)調(diào)控手段，使陶瓷晶粒沿著某些特定方向進(jìn)行規(guī)則排列或在這些方向上出現(xiàn)取向幾率增大，就可以大幅度提高陶瓷性能，故織構(gòu)化陶瓷，即類(lèi)單晶結(jié)構(gòu)陶瓷的制備成為人們研究的熱點(diǎn)。

目前，制備織構(gòu)化陶瓷最常用的方法包括機(jī)械力學(xué)成型法和晶粒定向生長(zhǎng)法。

1.機(jī)械力學(xué)成型法

機(jī)械力學(xué)成型法是在材料制備過(guò)程中通過(guò)施加外力來(lái)促使晶粒取向的方法，包括熱壓、熱鍛、熱軋和冷軋等。其中熱加工技術(shù)是最早實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的織構(gòu)化技術(shù)，主要通過(guò)在高溫?zé)Y(jié)或熱處理過(guò)程中施加單軸壓力使晶粒定向來(lái)制備織構(gòu)化結(jié)構(gòu)。

對(duì)于陶瓷而言，單軸壓力可導(dǎo)致晶粒扭轉(zhuǎn)和擇優(yōu)取向生長(zhǎng)，同時(shí)，外界壓力也能促進(jìn)陶瓷的致密化和降低陶瓷燒結(jié)溫度。

陶瓷熱壓燒結(jié)

對(duì)于屬于六方晶系的陶瓷材料，晶粒通常呈板片狀或棒狀，很容易在熱加工過(guò)程中通過(guò)晶粒扭轉(zhuǎn)形成織構(gòu)化結(jié)構(gòu)。α-Al₂O₃和h-BN等傾向于沿a、b軸方向生長(zhǎng)，所以c軸容易平行于壓力方向排布，即形成c軸取向的板片狀織構(gòu)化結(jié)構(gòu)。

板狀氧化鋁結(jié)構(gòu)

熱加工是一種簡(jiǎn)單有效的織構(gòu)化陶瓷的制備方法，所制備陶瓷的織構(gòu)化程度可以達(dá)到90%以上，雖不能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)立方晶體的織構(gòu)化，但適用于氧化鋁陶瓷，不過(guò)熱加工過(guò)程很容易引入缺陷，影響陶瓷性能。

2.模板晶粒生長(zhǎng)法

模板晶粒生長(zhǎng)法是一種通過(guò)在基體晶粒中加入模板晶粒來(lái)誘導(dǎo)晶粒定向制備織構(gòu)陶瓷的方法。模板晶粒一般具有不規(guī)則的形狀，如板片狀、棒狀等。

首先將模板晶粒分散到基體（等軸晶）中，然后通過(guò)流延成型或者擠出成型等方式將模板定向均勻分布在基體晶粒中，得到陶瓷素坯。素坯干燥、排膠之后會(huì)進(jìn)行燒結(jié)，一般會(huì)選用壓力燒結(jié)或者無(wú)壓的液相燒結(jié)來(lái)促進(jìn)定向生長(zhǎng)，燒結(jié)過(guò)程中在界面曲率驅(qū)動(dòng)力和粉體表面自由能的推動(dòng)下，基體在模板上沿模板方向生長(zhǎng)，從而使得陶瓷晶粒實(shí)現(xiàn)定向排列。

模板晶粒生長(zhǎng)法可根據(jù)模板晶粒與基體晶粒在組成上的不同，分為同質(zhì)模板晶粒生長(zhǎng)法和異質(zhì)模板晶粒生長(zhǎng)法，同質(zhì)模板晶粒生長(zhǎng)法中模板晶粒與基體晶粒為同種材料，大晶粒在生長(zhǎng)過(guò)程中吞并小晶粒；異質(zhì)模板晶粒生長(zhǎng)法中模板晶粒與基體晶粒為異種材料，但兩者具有相近的晶體結(jié)構(gòu)，由于晶格匹配，基體晶粒的成核可以發(fā)生在模板表面，并以異質(zhì)外延的方式生長(zhǎng)，隨著基體晶粒的生長(zhǎng)，基體晶粒的形貌與模板趨于相同，從而得到具有織構(gòu)化結(jié)構(gòu)的陶瓷。

通過(guò)（a）擠出和（b）流延成型制備含定向晶種的陶瓷

模板晶粒生長(zhǎng)法制備過(guò)程簡(jiǎn)單高效，已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于多種體系的織構(gòu)化陶瓷制備中，不過(guò)與僅使用等軸晶相比，其致密化過(guò)程受到抑制，難以制備完全致密的陶瓷。

3.反應(yīng)模板晶粒生長(zhǎng)法

反應(yīng)模板晶粒生長(zhǎng)法是在模板晶粒生長(zhǎng)法基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種織構(gòu)化陶瓷制備方法，與模板晶粒生長(zhǎng)法不同，反應(yīng)模板晶粒生長(zhǎng)法的模板一般為產(chǎn)物的某種前驅(qū)體，在燒結(jié)過(guò)程中不僅起到定向的作用，還需參與化學(xué)反應(yīng)。首先將模板定向地排布在原料粉中，在燒結(jié)過(guò)程中，模板與原料粉反應(yīng)生成的最終產(chǎn)物，產(chǎn)物晶粒定向在模板上成核生長(zhǎng)，并最終形成具有織構(gòu)化結(jié)構(gòu)的陶瓷。

這種方法的模板的選擇更為廣闊，但是由于燒結(jié)過(guò)程中同時(shí)完成反應(yīng)燒結(jié)與晶粒定向生長(zhǎng)兩個(gè)過(guò)程，因此一般反應(yīng)模板晶粒生長(zhǎng)法制備的陶瓷坯體的體積收縮率比較大。

4.其它織構(gòu)化技術(shù)

除了上訴的一些織構(gòu)化制備技術(shù)，還有一些新型的織構(gòu)化技術(shù)受到越來(lái)越多的關(guān)注，比如冷凍鑄造和激光快速固化技術(shù)等。

冷凍鑄造：將陶瓷漿料在受控的溫度梯度下單向冷凍，然后通過(guò)升華除去溶劑，這樣就形成了由陶瓷顆粒組成的層狀多孔支架，支架的結(jié)構(gòu)可通過(guò)控制溶劑的冷凍動(dòng)力學(xué)來(lái)調(diào)節(jié)，通過(guò)后續(xù)的燒結(jié)過(guò)程即可制備得到具有片層型織構(gòu)化的陶瓷。冷凍鑄造過(guò)程中由于溶劑的升華所殘留的孔隙一般較多，在后續(xù)的燒結(jié)過(guò)程中也很難致密，所以冷凍鑄造一般用于多孔陶瓷的制備。

冷凍鑄造過(guò)程示意圖

激光快速固化技術(shù)：這種方法可以在幾分鐘的時(shí)間內(nèi)在材料表面形成數(shù)層織構(gòu)化結(jié)構(gòu)，不過(guò)目前激光快速固化技術(shù)仍處于探索階段，固化深度有限，多用于對(duì)材料的表面修飾，難以制備具有完全織構(gòu)化結(jié)構(gòu)的整塊陶瓷。

激光快速固化制備的陶瓷顯微結(jié)構(gòu)示意圖

總結(jié)

織構(gòu)化陶瓷具有明顯的各向異性，在特定方向具有較高的強(qiáng)度和韌性。由于光子散射的各向異性，沿晶粒取向方向的透過(guò)率也高于垂直于晶粒取向方向的透過(guò)率，目前基于織構(gòu)化技術(shù)制備透明陶瓷是一種值得研究的方向，而透明陶瓷對(duì)致密度要求較高，如何進(jìn)一步提升織構(gòu)化陶瓷的致密度是其關(guān)鍵。

參考來(lái)源:

類(lèi)單晶結(jié)構(gòu)氧化鋁透明陶瓷的形成機(jī)制及制備，陳晗（中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所）。

粉體圈小吉

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