透明陶瓷——无机材料研究与发展重要方向之一

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第２４卷第５期

无机材料学报

Ｖ０１．２４，Ｎｏ．５

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文章编号：１０００．３２４ｘ（２００９）０５旬８７３棚ＤｏＩ：ｌＯ．３７２４／ＳＰ．Ｊ．１０７７．２００９．００８７３

透明陶瓷—

—无机材料研究与发展重要方向之一
江东亮
（中国科学院上海硅酸盐研究所高性能陶瓷和超微结构国家实验室，上海２０００５０）
摘要：透明陶瓷是在纳米材料科学与技术和先进陶瓷制备科学发展的基础上，集结构与功能一体化于一身的重要材

料，它将为国民经济各个领域的发展和国防工业中高科技项目的发展提供关键材料．同时陶瓷从传统不透明一半透明一
接近完全透明涉及到大量基础科学问题，尤其是材料的微结构（包括气孔、晶界、晶粒尺寸、形貌等等）对光物理的影响 还不十分清楚，因此作为无机材料研究与发展的重要方向之一，需要化学、物理、材料、激光等各个学科领域的共同努 力．本文着莺介绍透明陶瓷的研究进展． 关键词：透明陶瓷；微结构；光物理；纳米粉体；制备科学 中图分类号：ＴＱｌ７４；ＴＢ３８３ 文献标识码：Ａ

Ｔｒａ髑ｐａｒｅｎｔ Ｃｅｒａｍｉｃｓ：Ｏ耻ｏｆ

Ｍｏｓｔ Ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ＦｉｅＭ ＤｅＶｅｌｏｐｍｅｎｔ Ｏｆ Ｉｎｏｒｇａｌｌｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ
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Ｍｉｃｒ０一ｓｔｒｕｃ￡ｕｒｅｓ，Ｓｈａｎｇｈａｉ

Ｉｎｓｔｊｔｕｔｅ ｏｆ ｃｅｍｍｉｃｓ，Ｃｈｉ—

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Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｓｈａｎｇｈａｉ

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ ｃｅｒａｍｉｃｓ ｉｓ

ｏｆ ｔｈｅ ｍ０８ｔ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｗｉｔｈ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｐｒｏｐｅＩｔｉｅｓ ｏｆ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｏｆ ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ ｃｅｒａｍｉｃｓ ｉｓ ｂａｓｅｄ
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ｓｃｉｅｎｃｅｓ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ａｎｄ ｏｆ ａｄｖａｎｃｅｄ ｃｅＩ．ａｍｉｃ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｓｃｉｅｎｃｅｓ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．

ｋｅｙ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｆｏｒ ｎａｔｉｏｎａｌ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ｄｅＶｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ ｄｅｆｅｎｓｅ ｎｅｃｅｓｓａｒｙ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｔｅｃｈｎ０１０９），ｎｅｅｄｅｄ． 明ｍｅ ｔｉｍｅ，ｔｈｅ ｐｍｃｅｓｓ ｏｆ ｃｅｒａｍｉｃｓ ｆ而ｍ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｏｐａｑｕｅ ｔｏ ｔｒａｎｓｌｕｃｅｎｔ ａｎｄ
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陶瓷是由粉末烧结而成，因此它是由晶粒、晶界 和气孔组成的多晶体．由于光照射在晶界和气孔处会 产生光吸收、反射、折射、散射等，故从光学意义上来 说，多晶陶瓷一般是不透明的．１９６２年，美国ＧＥ公 司的ｃｏｂｌｅ博士…通过采用高纯、超细原料，并控制 微结构，首先研制成半透明多晶氧化铝陶瓷，但是仍 有微量杂质和缺陷存在，陶瓷的直线透过率只有 １５％左右．尽管如此，半透明多晶氧化铝陶瓷作为一 种重要光源材料在高压钠灯方面仍得到了广泛应 用Ｈ１．此后各国陶瓷科学家进行了广泛努力，从烧结

致密化到控制晶粒的生长，从不同的晶系和掺杂选择

等方面ｐ刮来制备具有各种功能的透明陶瓷，先后研
制成激光透明陶瓷、透明闪烁陶瓷、光学透明陶瓷等， 但光学质量和光的直线透过率始终没有取得重大的 突破，并且由于坯体存在微量杂质和残余气孑Ｌ以及晶 界的散射，也没有获得实际应用．直到２０世纪９０年 代以后，随着纳米材料的研究与发展¨引，高纯度均 匀纳米粉体的制备、分散技术的突破以及先进陶瓷材 料制备科学与技术的进步¨叭１３ Ｊ，使得制备接近理论密 度、气孑Ｌ率接近于零的透明陶瓷成为现实．一系列高

收稿日期：２００９－０４－１５．收到修改稿日期：２００９旬５．１３

作者简介：江东亮（１９３７一），男，巾国工程院院士．Ｅ—ｍｉｌ：ｍｊｉａＩｌｇ＠Ｉｎａｉｌ．ｓｉｃ．们．ｃｎ

万方数据 　

８７４

无机材料学报

第２４卷

质量的具有各种功能（透光、透红外、激光、高折射率、
闪烁等）的透明陶瓷相继出现，如掺Ｎｄ—ＹＡＧ¨４。１引、

料，还存在晶界引起的双折射和漫散射．除上述条件 外，还要采用一些特殊工艺消除气孔，如结构定向． 此外，对于特定的应用还需要选择相应的组成和 专门的添加剂来满足光物理性能要求，例如：作为激 光应用材料掺Ｃｒ２０，的Ａｌ：Ｏ，，掺稀土离子（Ｎｄ或 Ｙｂ）的ＹＡＧ陶瓷等；而作为医用的闪烁陶瓷，要求所 选材料应具备高密度、高光电子转换效率、短衰减时 间（＜１００ｎｓ）以及低成本等．目前大部分透明陶瓷材

ｚｒｏ』１６］；Ｙ２０；１川、ＭｇｒＡｌ２０５１ ９｜、ｓｉ３Ｎ５２０】、ＡｌｏＮ［２１?２２】、
ＭｇＦ［２３１和ｚｎｓⅢ１等．透明陶瓷的特殊功能与先进陶 瓷固有的一些特性，如耐高温、耐磨、耐腐蚀、高强度、

８‘１

高硬度等相结合，将为高技术和国防等领域提供十分
重要的材料．本文将从透明陶瓷的光物理基本概念出

发，针对各种应用——照明、光学与医用仪器、激光、
装甲、红外分别介绍． １

料的研发，在组成的选择上基本是选用原有相应晶体
的组成．考虑到陶瓷制备上的特点，应该可以有较大 的创新，开发一批新的透明多功能材料，满足各种光 学应用需求．

透明陶瓷的基本光物理
光通过物体时必然会产生反射、折射、散射和透

过等一系列现象旧５｜．对于多晶陶瓷来说，由于存在大 量晶界和各种缺陷，对光的散射和双折射现象特别严

（１）Ｓｃ缄ｅｒｉｎｇ ｄｕｅ
ｉｎｃｊｕｓｉｏｎｓ
ｏｒ

ｔｏ

ｐＯｒｃｓ

重，因此大部分多晶陶瓷是不透明的．图１列出光在
多晶体中传播过程的示意图ⅢＪ．光在气孔周围产生 大量散射，在晶界上产生折射和漫散射，对于非立方 晶系这种现象更为严重，因此大部分透明陶瓷常选用 具有立方结构的材料以提高透明度．通常采用真实直 线透过率ＲＩＴ（ｒｅａｌ
ｉｎ—ｌｉｎｅ

（２）Ｓｃａｔｔｃｒｉｎｇ ｂｙ ｇｒａｉｎ ｂｏｕｎｄａ呵 （３）Ｒｃｆｌｅｃｔｉｏｎ＆ｄｏｕｂｌｅ
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（４）Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｄｕｅ ｔｏ
ｓｕｒｌ白ｃｅ

ｔｒａｎｓｍｉｏｎ）来定量表征描述

图１
Ｆｉｇ．１

光在多晶体中传播过程的示意图。矧 ７ｒｍｍｍｉｔｔ明ｃｅ“ｌｉｇｌｌｔ
ｉｎ ｐｏｌｙｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅ ｍａｔｅＴｉａｌ‘弱１

材料透明度拉７｜．采用光通过一狭窄孔径的光强度来 表征这一指标，理论最大透过率咒。可以由公式 咒。＝（１一足）来计算，其中尺为总反射率．对于高度 透明材料：尺＝２尺／（１＋尺。），尺，为比反射，尺。＝ （＜ｎ一１＞／＜ｎ＋１＞）２，大小取决于折射率ｎ．；而对 于低透明材料，忽略多级反射，可由公式ｎ。，＝

６ ５ ４ ０

（１一尺。）２来计算．常见一些透明单晶材料的折射率和
理论最高透过率列于表１Ⅲ１． 图２是用散射仪测定各种透明材料的透过强度， 中间峰值是代表直线透过率旧Ｊ．直线透过率在很大 程度上取决于多晶材料的微结构．气孔是最主要的散

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射源，因此要获得高透过率、多晶透明陶瓷需要达到
理论密度的９９．９％以上，即气孔率要小于万分之一． 采用常规的烧结工艺很难排除这些微量气孑Ｌ，因为在 晶粒生长过程中陷落在晶内的气孔在烧结末期通过 扩散排出是非常困难的，因此必须采用高纯、高活性 超细纳米级粉末，并采用多级烧结制度或在低温、真 空下长时间烧结以消除气孔．对于非立方结构的材
表ｌ
ＴａＭｅ ｌ

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ＡｎｇＩｃ／（。）

图２各种透明材料的透过强度，中间峰值代表直线透过 蛊［驯
Ｆｉｇ．２ ｅｌｓ ｏｆ ｌｉｎｅ Ｓｃａｔｔｅｍｍｅｔｅｒ

ｍｅ鹞ｕｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｓｐｅｃｉｍｅ肿衍ｔｌｌ Ｖ秭ｏｕｓ ｌｅｖ?
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Ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｉｎｄｅｘ ａｎｄ

一些透明单晶材料的折射率和理论最高透过率‘勰】 ｔＩｌｅｏｒｅｔｉ阻Ｉ ｍ嫡ｍ哪ｖａＩｕｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｍ岫ｍｉｓｓｉｏｎ

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ｃ伽ｐｏｓｉｔｉ∞ｏｆ ｍｔｅｒｉ｛ｌｌｓ．

万方数据 　

第５期

江东亮：透明陶瓷——无机材料研究与发展重要方向之一

８７５

（ａ）

２照明用透明陶瓷
一

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随着高压钠灯、卤化物灯等以气体放电为主的一 类光源的发展，高温和腐蚀使原先采用玻璃作灯管的 照明器材已经不能满足要求，耐高温、耐腐蚀的半透 明多晶氧化铝、氧化钇成为主要选择ｍ Ｊ．作为三方晶

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系的氧化铝，从光学意义上来说是光学非等轴和双折
射性，从１９６２年美国ＧＥ公司的ｃｏｂｌｅ教授发明半透 明多晶氧化铝以来，经过近半个世纪的努力，试图通 过提高原料的纯度和细度及控制显微结构来改善光 透过率，但收效甚微．近年来，随着纳米技术和制备科

‘。ｆ ’，手葶Ｉ ’翥．需箐彳‘．需。
２８“。）

图４晶粒定向与任意排列氧化铝陶瓷的ｘＲＤ图谱∞２１
Ｆｉｇ．４ ＸＲＤ

学与技术的发展，ｌ汛ｌｌ等口¨采用超细纳米粉体制备
微晶（晶粒尺寸≤０．５斗ｍ）氧化铝陶瓷，控制晶粒尺寸 使之小于光波长，以减少晶界的双折射．制备的透明 氧化铝陶瓷的可见光透过率高达一７０％，但在紫外 区光透过率较差．最近，Ｍａｏ等¨副采用平均颗粒尺寸 为０．５２斗ｍ高纯（＞９９．９９％）仪一舢２０３粉制成浆料，然 后在１２Ｔ磁场下进行浇注．经烧结后，获得晶粒取向 良好的透明氧化铝陶瓷，由于平均晶粒尺寸较 大一３０¨ｍ，总透过率只有５０％～６０％，但在紫外区透

ｐａｔｔｅ璐ｏｆ Ａ１２０３ ｃｅｍｍｉｃｓ
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（ａ）Ｐｂｒｐｅｎｄｉｃｕｌａｒ ｔｏ蚰ｄ（ｂ）ｐａｒａｌｌｅｌ
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早先研究透明氧化铝ＳＰＳ烧结指出Ⅲ】：“采用缓慢加 热对获得超细微晶结构和高密度材料更有效”．

３激光透明陶瓷
自从２０世纪６０年代单晶红宝石激光器问世以 来，促进了激光技术的蓬勃发展．大量新型激光晶体 的不断涌现，尤其是１９６４年以来，掺Ｎｄ—ＹＡＧ晶体 的出现旧５｜，作为大功率固体激光材料受到广泛关 注，与钕玻璃同时成为大功率固体激光材料的首选 之一．透明多晶陶瓷与单晶几乎同时出现，先后出现 了ｃａＦ：和Ｎｄ：Ｙ：Ｏ，等激光透明陶瓷，并有毫瓦级 输出，但没有得到应用．在相当长一段时间内激光透 明陶瓷发展缓慢，甚至有的科学家认为陶瓷不可能 透明，作为激光材料更无可能．因为钕玻璃的热导太 差，瞬间热应力太大，易造成玻璃炸裂，而且钕玻璃 的单色性很差；而掺Ｎｄ—ＹＡＧ晶体因为单晶的生长 周期长、晶体生长尺寸以及钕的掺杂量受到限制等 原因，随着大功率固体激光器功率的不断提高，上述

过率较高．图３分别是由ｌ沁ｌｌ和Ｍａｏ等制备的透明
氧化铝陶瓷的透过率比较，后者对采用非等轴晶材料 制备透明陶瓷提供了启示．图４用ｘＲＤ表征了晶粒 定向与任意排列氧化铝陶瓷的区别【３
２Ｉ．

最近，日本国立材料研究所Ｋｉｍ等口副采用高纯

（９９．９９％）超细（０．１５斗ｍ）氧化铝粉和ＳＰｓ烧结技
术，研究了烧结温度对微结构和光学性能的影响，发 现温度高于１３００℃晶粒快速长大，气孑Ｌ也随之增大，

透过率下降．微结构变化与升温速率也有关，Ｋｉｍ等
ＴｈｅＯｒｅｔｉｃａｌ ｌｉｍｉｔ￣８６％

，，’————一’：／ ．严≥ 二气函ｚｌ
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两类材料皆受到制约，人们期待新材料新技术的出 现．随着纳米粉体以及陶瓷制备科学与技术的不断 突破，大部分单晶材料组成都有可能制成透明多晶 陶瓷，特别是１９９５年日本的Ｉｋｅｓｕｅ等旧刮成功制备
了透明多晶Ｎｄ－ＹＡＧ陶瓷并获得激光输出，输出功

８００

９００

１０００ ｌｌＯＯ

ＷａＶｅｌｅｎ垂ｈ／ｍｍ

率小于１ｗ．取得明显的进展是在２０００年以后，由日
本神岛公司和日本电气通信大学的ｕｅｄａ等旧列共同 开发出透明多晶Ｎｄ—ＹＡＧ陶瓷，在１０６４ｎｍ下输出 功率达到１１０ｗ，与单晶基本相当（图５）ｐ８｜．随后研 制成功咖１００ｍｍ单片，最高激光输出目前已达到 １．４ｋＷ．光一光效率达４２％口引．图６是激光透明陶瓷

图３透明氧化铝陶瓷在紫外一红外区域范围内的透过率曲 线‘３２】
Ｆｉｇ．３ ｉｌｌＪ．ｒａｒｅｄ

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激光输出功率的发展过程旧删．２００６年美国Ｌｉｖｅ珊ｏｒｅ

万方数据 　

８７６

无机材料学报 Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ【４ｌ】利用日本神岛公司提供的大尺寸

第２４卷

Ｎａｔｉｏｎａｌ

的一些吸收峰与红外二极管以及近红外二极管的发 射波长相一致，是极好的二极管泵浦激光材料．图７ 和图８分别表示Ｔｍ３＋不同掺杂量的Ｔｍ：ＹＡＧ透明陶 瓷样品以及含４％、６％Ｔｍ３＋：ＹＡＧ样品的透过率曲 线．Ｅｒ：ＹＡＧ透过率曲线和实物照片如图９、１０． ４

透明多晶Ｎｄ—ＹＡＧ陶瓷片（１００ｍｍ×１００ｍｍ×２０ｍｍ） 采用热容的方式实现了６７ｋｗ的最高功率输出，引起 了国际上广泛关注，从此透明激光陶瓷正式成为大功 率固体激光器的主要候选材料之一，同时在国际上掀 起透明陶瓷热．从２００５年开始每年举行一届激光透 明陶瓷年会．从２００７年以来，已有许多大型陶瓷国际 会议增设透明陶瓷专场，涉及面覆盖到各个领域，从

医疗仪器用透明闪烁陶瓷
透明闪烁陶瓷在高能物理、无损检测、辐照探

基础研究到应用研究，从民用到围防军工应用各个方
面．尽管如此，激光透明陶瓷仍有众多基础Ｉ’口Ｊ题急待 解决，如：光物理机制、微结构和缺陷与光散射相互关 系、梯度掺杂与热应力分布设计以及与制备科学之间 相互关系、单掺杂与多掺杂、宏观结构设计与材料性 能匹配等等． 除了透明多晶Ｎｄ．ＹＡＧ激光陶瓷以外，Ｙｂ掺 杂ＹＡＧ也受到关注Ｈ２４ ３｜，中国科学院上海硅酸盐 研究所分别探索了不同稀土离子掺杂ＹＡＧ激光陶 瓷，如Ｔｍ：ＹＡＧ、Ｅｒ：ＹＡＧ以及Ｌａ：Ｙ２０３等㈣４川．Ｔｍ

测、安全和医疗影像应用、空间探索等都有重要应用 和潜在的应用价值Ｈ８４９ Ｊ，尤其是作为安全和医疗影 像应用更加突出．随着人们和社会对健康投入的不 断增加，对一些致命病症如癌症的早期发现尤为重

视．常规采用ｘ－ｒａｙ、ｘ—ｃＴ、ＮＭＲ等进行诊断．近年
来，ＰＥＴ（Ｐｏｓｉｔｒｏｎ
Ｅｍｉｓｓｉｏｎ

Ｔｏｍｏｇｒ印ｈｙ）的应用，为早

期癌症的发现作出了重要贡献．对于这类仪器所使 用的闪烁材料，一般要求有高的透明性和发光强度、 高密度和离子幅照吸收能力以及转换高能光子成可 易探测的可见光信号．随着对仪器分辨率要求的不 断提高，对影像质量要求日益增强．传统闪烁材料主 要使用晶体，如锗酸铋（Ｂｉ：Ｇｅ：Ｏ，）啪１和钨酸铅 Ｐｂ（ｗＯ，）ｐｕ等．近年来，由ＧＥ、ｓｉｅｍｅｎｓ和ＡＬＥＭ

公司¨２酬以及上海硅酸盐研究所‘５４１分别开发出用
铕掺杂氧化镥（Ｅｕ：Ｌｕ：Ｏ，）透明陶瓷（如图１１）．上
事，Ｊｏ≥ｏ（Ｉ董鲁等。

海硅酸盐研究所还先后研制成Ｃｅ：ＬｕＡＧ、Ｃｅ：ＹＡＧ 和Ｌａ：Ｈｆ２０，等多种闪烁材料哺＂引．图１２是含 ０．３ａｔ％Ｃｅ：ＹＡＧ透过率曲线，通过退火后在可见光 区的直线透过率达到７９．５％∞１｜．图１３则是Ｃｅ：ＬｕＡＧ 和Ｌａ：Ｈｆ２０，透明陶瓷样品．目前透明闪烁陶瓷存在

图５
Ｆｉｇ．５

Ｎｄ．ＹＡＧ陶瓷与Ｎｄ．ＹＡＧ单晶激光输出功率比较㈨
Ｉｎｐｕｔ—ｏｕｔｐｕｔ ｐｏｗｅｒ ｏｆ ｃｅｍｌｌｌｉｃ ａｎｄ ｓｉｎ—ｅ ｃｒｙｓｔａＪ Ｎｄ：ＹＡＧ

的最大问题是低成本制备工艺、高透明性和光输出 功率＂５｜．表２列出目前一些闪烁陶瓷和闪烁晶体性 能比较‘６２｜．

ｍｄ Ｉ踞ｅｒ【３８ｊ

图６激光陶瓷发展的历史历程‘３９刮
Ｆ唔．６

Ｄｅｖｅｌ叩ｉｎｇ

ｒｏｕｔｅ

ｏｆ

ｌａ∞ｒ ｃｅ删【ｌｌｉｃｓ‘剪驯

万方数据 　

第５期

江东亮：透明陶瓷——无机材料研究与发展重要方向之一

８７７

图７
Ｆｉｇ．７
ｔｅｎｔｓ

Ｔｍ３＋不同掺杂浓度的Ｔｍ：ＹＡＧ样品照片
Ｔｍ：ＹＡＧ ｔｒａｌｌｓｐａｒｅｎｔ ｏｆ ７ｎｎ３＋

ｃｅ删【ｎｉｃｓ讲ｔｌｌ ｄ自瞻ｒｅｎｔ ｄ叩锄ｔ ｃ∞－

图１０ Ｆ培．１０
ｎｅ８ｓ

４ｍｍ厚５％＆：ＹＡＧ的实物照片
Ｐｉｃｔｕｒｅ ｏｆ

５％Ｅｒ：ＹＡＧ ｔｍ璐ｐａｒｅｎｔ ｃｅｍｍｉｃ丽ｔｌＩ ｔｈｉｃｋ—

ｏｆ４ｍｍ

图１１
Ｆｉｇ．１ ｌ

Ｅｕ：Ｌｕ：０，透明闪烁陶瓷一枷１

Ｅｕ：Ｌｕ２０３衄ｎｓｐａｒｅｎｔ

ｓｃｉｎｔｉｌｌａｔｏｒ

ｃｅ栅ｉｃｓ【５９刮

５透明装甲陶瓷
图８含４％、６％７Ｉｈ：ＹＡＧ的样品透过率曲线
Ｆｉｇ．８ ＴＩ丑ｎｓｍｉｔｔａｎｃｅ ｃｕｎｎ明ｏｆ

装甲材料的选择主要集中在高硬度、高比强度和 复合结构方面，尤其是从弹道力学和冲击试验来选

ｔｒ明８ｐａｒｅｎｔ ＹＡＧ ｃｅｒａｍｉｃ８ ｗｉｔｈ

４％７Ｉｏ＋明ｄ ６％１＇ｍ３＋

择，从单一钢铁、聚合物、陶瓷到复合材料∞ⅢＪ．陶瓷
材料具有高硬度、低比重，在人体装甲和要求轻量化 场合，如战斗直升机保护装甲等受到特别青睐，以氧

化铝、碳化硼、碳化硅等为代表的高性能陶瓷以及复
合装甲材料先后发展起来旧钾Ｊ．随着工艺技术的不断 改进，装甲材料不仅性能上有大幅度提高，而且可以

通过计算机辅助设计以及先进的成型技术，制成各种
复杂和曲面形状以符合人体更舒适的需要．作为陶瓷 装甲轻量化的典型代表碳化硼，具有高硬度（仅次于 金刚石和立方氮化硼）、低比重（２．５∥ｃｍ３），是目前 使用最广泛的材料之一，ｆ日碳化硼属于共价键结合材

料，用一般工艺很难烧结到高密度，通常需要采用热
压、高温等静压、ＳＰＳ等烧结技术，才能获得较高密度
图９ ４ｍｍ厚５％Ｅｒ：ＹＡＧ透明陶瓷的透过率曲线
Ｆｉｇ．９

和高强度．同时，这类陶瓷材料多数是不透明的．为了
ｗｉｄｌ

Ｔｒａ鹏ｍｉｔｔ锄ｃｅ

０ｆ

ｔｍｎｓｐａ弛ｎｔ ５％Ｅｒ：ＹＡＧ

ｃｅ硼ｉｃｓ

适应现代战场需求，既能保护人体又能随时观察敌 情，新一代功能与结构一体化的透明装甲陶瓷迅速发

ｔＩｌｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ

４唧

万方数据 　

８７８

无机材料学报

第２４卷

图１３
Ｆｉｇ．１３

Ｃｅ：ＬｕＡＧ和Ｌａ２Ｈｆ２０，透明陶瓷样品示意图‘＂１
Ｐｉｃｔｕｒｅｓ ｏｆ Ｃｅ：ＬｕＡＧ ａ１１ｄ

Ｌａ２Ｈｆ２０７

ｔｍｎｓｐａｒｅｎｔ ｃｅｒａｍ—

ｉｃｓ㈨ 展起来，以氮氧化铝（ＡｌＯＮ）和镁铝尖晶石（ＭｇＡｌ：Ｏ，） 为代表的一类材料特别受到重视．它们的透过范围从 紫外（０．２斗ｍ）一直到红外区域（６．Ｏ斗ｍ）‘１８’鹋训，不仅 可以作为透明装甲陶瓷，还可用于红外、可见窗口材 料（图１４和１５）‘７０４
２｜．

６透明红外陶瓷
透明红外陶瓷被广泛应用于红外窗口材料，根据 材料透过波长范围（见表３）来选择应用场合．其中尖 晶石陶瓷（ＭｇＡｌ：Ｏ。）和氮氧化铝陶瓷（ＡｌＯＮ）的透过
图１２退火前后ｏ．３ａｔ％ｃｅ：ＹＡＧ透过率曲线（ａ）及照片
（ｂ）””
Ｆｉｇ?１２

率可以达到８０％～８７％（图１６和１７），在紫外、可见 到红外波长范围内透过率与蓝宝石、石英玻璃的透过 率接近．为了获得高透过率的ＭｇＡｌ２０４和Ａ１０Ｎ陶

Ｔｒ哪ｍｉｔｔ蚰ｃｅ

ｏｆｏ?３ａｔ％ｃｅ：ＹＡＧ
ｉｔｓ

ｃ啪ｍｉｃ８

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ａ儿即籼ｅａｌｌｎｇ【ａ，肌ｄ

ｐｌｃ‘啪【ｂ）～
表２

瓷，通常需要采用高纯超细粉末原料和高温等静压烧
若干闪烁陶瓷和闪烁晶体性能比较‘船１
ｃｒｙｓｔａｌｓ【船】

Ｔａｂｌｅ ２

Ｐｒ叩ｅｎｉ嚣ｏｆ∞ｉｎｔｉｌＩａｔｉｏｎ ｃｅｍＩＩｌｉ俗ｃｏｍｐａｒｅｄ喇ｔｈ∞ｉｎｔｉＵａ廿ｎｇ

图１４透明陶瓷用于保护士兵眼睛和脸（ａ）、导弹探测窗口（ｂ）ｉ７０１和地面作战车辆保护窗（ｃ）Ⅲ１ Ｆｉｇ．１４
Ｓ０ｌｄｉｅｒ

ｅｙｅ／ｆ如ｅ ｐｍｔｅｃｔｉｏｎ（ａ），ＩＩｌｉｓｓｉｌｅ鸵ｎ∞ｒ ｗｉｎｄｏｗｓ（ｂ）‘砷１锄ｄ伊Ｄｕｎｄ ｖｅｈｉｃｌｅ讲ｎｄｏｗｓ（ｃ）‘７１１

万方数据 　

第５期

江东亮：透明陶瓷——无机材料研究与发展重要方向之一

８７９

结技术．最近也有报道采用低温（５００～７００℃）高压

（２～５ＧＰａ）等静压、微波、ＳＰｓ等烧结技术制备透明陶
Ｚ基【２Ｉ，７３．７５］

风

?

图１６和１７分别是美国Ｓｕ瑚ｅｔ公司的透明ＡｌＯＮ
陶瓷＂钊和中国北京烁光（Ｂｒｉｇｈｔ）公司产品透明尖晶 石陶瓷的透过率【７¨，二者在紫外到红外波段范围均
图１５透明陶瓷作为探测窗口材料（８）和蓝宝石基透明装甲 （ｂ）‘７２】 Ｆｉｇ．１５
ｏｐｅｄ Ｔｍｎｓｐ盯ｅｎｔ ｃｅ豫ｍｉｃ ｆｏｒ

有较好的透过率（大于８０％）．图１８是中国科学院上

海硅酸盐研究所制备的ｓｉＡｌＯＮ透明陶瓷的透过率与
ｓｅｎｓｏｒ“ｎｄｏｗｓ（ａ）ＡｆｕＬ ｐｍｔｏｔｙｐｅ（ｂ）‘７２１
ｄｅｖｅｌ．

波长之间的关系＂８｜，虽然透过率不太高，但在中红外 区有较好的透过率¨引．

８印ｐｈｉｒｅ ｂａｓｅｄ

ｔｒ锄ｓｐａｒｅｎｔ锄ｌｏｒ

ＴａｂＩｅ ３

表８窗、天线罩和透明装甲陶瓷 Ｔｒ叫晤ｐａｒｅｎｔ ｃｅｍｍｉｃｓ ｆｏｒ ｗｉｎｄｏｗｓ，ｄｏｍ鼯ａｎｄ ｔｍ璐ｐａｍｎｔ

ａ珊Ｏｒ

７高折射指数透明光学陶瓷
长久以来，光学玻璃一直是制作相机镜头和光学 仪器的主要材料．随着数字相机和可视移动电话的发

展，作为光学部件可变焦透镜系统设计与集成的重要 性不言而喻，而透镜材料更是关键．以日本Ｍｕｒａｔａ
Ｍａｎｕ￡ａｃｔｕｒｉｎｇ

ｃｏ．，Ｌｔｄ．Ⅲｏ研制的商品名ＬｕＭＩｃＥＲＡ

材料制成的陶瓷透镜首先应用于ＣＡＳＩＯ相机上 （图１９），ＬｕＭｌｃＥＲＡ’ｓ材料的折射指数（‰＝２．０８）远 高于传统的光学玻璃（凡。＝１．５～１．８），因此在成像质 量上明显优于一般光学玻璃，此外透明陶瓷的强度远

图１６
Ｆｉｇ．１６

Ａ１０Ｎ陶瓷的透过率与波长关系ｍ１
Ｔｈｅ

ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｏｆ

ｔ砌ｓｍｉ饨蚰ｃｅ明ｄ

ｗａ、，ｅｌｅｎｇｔｈ ｏｆ

灿０Ｎ【７６】

式≈ｕ Ｂ＃一ｇ∞磊＿Ｉ卜 ∞∞∞加∞如∞∞加ｍ
Ｏ

图１８透中红外的ｓｉＡｌＯＮ陶瓷及波长与透过率关系‘７８∞Ｊ
Ｆｉｇ．１８ ７Ｉ＇ｒａｎｓｍｉｔｔａｎｃｅ ｏｆ ＳｉＡｌ０Ｎ ｃｅｒａｍｉｃｓ ｉｎ ｍｉｄ．ｉ—．ｒａｒｅｄ
ｒｅ．

图１７透明尖晶石陶瓷的透过率与波长关系‘７７１
Ｆｉｇ．１７

１Ｉｒａ璐ｍｉｔｔ粕ｃｅ

ｏｆ

ｔｒａ璐ｐａ弛ｎｔ ｓｐｉｎｅｌ ｃｅ例【Ｉｌｉｃ［７７】

ｇｉｏｎ‘７８驯 Ｓ啪ｐｌ船１６０９０，１６２９０，１６５９０
ｆｏＩ’９０ｍｉｎ，”叩ｅｃｔｉｖｅｌｙ

ａ陀ｈｏｔ—ｐ他ｓｓｅｄ砒１６００℃，１６２０℃，１６５０℃

万方数据 　

８８０

无机材料学报

第２４卷

图１９
Ｆｉｇ．１９

用日本Ｍｕｒａｔａ Ｍａｎｕｆ如ｔｕｒｉｎｇ ｃｏ．，Ｌｔｄ．研制的商品名ＬｕＭＩｃＥＲＡ材料制成的透镜及透镜光学系统‘驯
Ｌｕｍｉｃｅｍ

ｍｔｅｒｉａｌ

ｏｆ Ｍｕｒａｔａ

Ｍａｎ山ｃｔｕ—ｎｇ

Ｃｏ．，Ｌｔｄ．卸ｄ ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ ｃｅｍⅡＩｉｃ ｌｅｎｓ ｆｏｒ ＣＡＳｌ０
ｔｅ力ｔ

ｃ砌ｅｍ【驯

高于玻璃．ＬｕＭＩｃＥＲＡ材料是属于立方钙钛矿结构，其
组成相当复杂（Ｂａ｛（ＳｎｕＺｒｌ—ｕ）。Ｍｇ，Ｔ叱｝。Ｏ。）嘲捌Ｊ． 德国Ｆｒａｕｎｈｏｆｅｒ ＩＫＴＳⅪｍｋｅ和日本Ｕｌｒｉｃｈ Ｐｅｕ—

３０２６２１０。１９６２．

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Ｈｉｇ｝ｌ—Ｐｍ明ｕ地ｓｏｄｉｕｍ Ｌ矗ｍｐ．

ｋｎｄｏｎ：ＭａｃｍｉｌｌａＪｌ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ．１９８６：２９０＿２９１． ［３］Ｃｈｅｎ ［４］Ｃｈｅｎ
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１ Ｐ

ｗｅｉ。ｗａｎｇ Ｌ，Ｃｈｅｎ
Ｉ

ｘ

Ｈ．＾协ｕ憎，２０００，４０４（６７７４）：１６８－１７１．

ｃｈｅｎ等旧２捌分别研究具有高折射率ｎ＝２．１８的多晶
立方ｚ向：透明陶瓷，前者采用Ｙ：Ｏ，作为稳定剂，多 级烧结工艺后，密度达到５．９８～５．９９９／ｃｍ３．透过率与 材料的厚度有关，４ｍｍ厚样品的透过率达到最大理论 值的７５％；２ｍｍ厚的样品透过率达到最大理论值的 ８５％．它的透过率同时又与透明陶瓷的组成有关．后 者除了采用Ｙ：Ｏ，作为稳定剂外，还用ＴｉＯ：作为烧结 助剂，首先用真空，随后再用热等静压二步烧结．当样 品厚度为５．６ｍｍ，在可见光波长范围（４００～８００ｎｍ） 内，材料的直线透过率达到６８％，折射指数变化范围

Ｗ．上Ａｍ．Ｃｅｍｍ．ｓｏｃ．，１９９７，舳（３）：６３７—

［５］０

Ｙ

Ｔ，Ｋ００

Ｊ

Ｂ，Ｈｏｎｇ Ｋ

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Ａ，Ｋａｍａｔａ

结构一功能一体化材料的研发是当前材料科学发 展的基本趋势之一，透明陶瓷则是这一趋势的代表， 它在国防军工和国民经济各个领域均有巨大的需求 和潜在的应用价值．透明陶瓷的研究与复杂的制备技

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Ａ

术，涉及材料与其他学科（包括化学、物理、激光等）的 交叉和集成，需要探索的若干重大基础问题大致可归
纳为以下几点： １）微结构（晶粒尺寸、气孔、晶界、杂质等）与光 的相互作用机制； ２）透明陶瓷的微结构调控关键技术一原料（纯

Ｖ，Ｉ七ｍｅｓｈｅｖ

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０，Ｌｕｋｉｎ

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ｓ，日耐．‰ｓ口，ｌｄ ｃｅｍ舡
Ｄ．胁砌诎＆洒掰肌ｄ

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度、尺度、粒度分布）、成型、烧结等一系列先进制备科
学与技术的集成和调控；

Ｙｕｎｊｉｎ，甜以如研以矿胁姗诎

ｓｃ据，黜￡ｄ觚．２００１．加（１）：７７．７９．

［２２］ＧｏＩｄ眦ｎｋＭ，Ｈ矾ｎｅｔｌｌｌｌｏｍ鹪Ｍ．ｗａｌＩｌ Ｊ唧ｐｈＭ．胁ｃ．ｓ眦，
２００ｌ。４３７５：７ｌ－７８．

３）非立方晶系透明陶瓷的探索与相应的制备新
技术． 致谢：本文在撰写过程中，潘裕伯博士、王士维 博士、赵景泰博士、刘茜博士、张景贤博士等提供了大 量资料，特此深表谢意！ 参考文献：
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万方数据 　

第５期
４８０４８６．

江东亮：透明陶瓷——无机材料研究与发展重要方向之一
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８８１

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ＹｉｒＩｇ，ＡｌＩ

［签］Ｋｎｄｌ
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（３）：５６７．５７０． ［５９］ Ｃｈｅｎ Ｑｉｗｅｉ。Ｓｈｉ Ｌｉｑｉｏｌｌｇ，ｄ以上ＡＪ，ｋ

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［３１］Ｋ陀ｕ Ａ，Ｂｌ姐ｋ Ｐ，Ｍａ Ｈ，ｄ口Ｌ ｇ一／＆ｒ ＤＫＧ，２００７，８４：Ｅ５０－ ［３２】Ｍ舯ｘｉａｏｊｉ柚，ｗａＩＩｇ ｓｈｉｗｅｉ，ｓｈｉｍａｉ Ｓ。ｃ．，２００８，９ｌ（１０）：３４３ｌ－３４３３． ［３３］Ｋｉｍ Ｂｙｕｎｇ－Ｎ锄，Ｈｉｍｇａ Ｋｅｉｊｉｍ，Ｍｏｒｉｔａ Ｋｏｊｉ，耐以．Ａｃ缸肘撕盯缸? 如，２００９。５７（５）：１３１９一１３２６． ［３４］ｌ（ｉｍ ＢｙＩＩｎｇ?Ｎ蛐，Ｈｉｍ｜；ａ Ｋｅｉｊｉｒｏ，Ｍ耐ｔａ Ｋ蛳，矗以Ｓ响咖朋口?

石云。潘裕柏，冯锡淇．等（ｓＨＩ Ｙｕ，甜以）．无机材料学报（Ｊｏ—
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ｓｈｕ呦，ｄ以上Ａｍ．Ｃ肌肼．

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舰。２００７，５７（７）：６０７．６ｌＯ．
［３５］Ｇｅｕｓｉｃ Ｊ Ｅ，Ｍａｒｃ０８ Ｈ Ｍ，Ｖ锄ｕｉｔｅｎ Ｌ １９６４，４（１０）：１８２一１８４． ［３６］Ｉｋｅｓｕｅ Ａ，Ｋｉｎｏｓｈｉｔａ Ｔ，ＫａＩＩｌａｌａ １９９５，７８（４）：１０３３—１０４０． ［３７］ｈｌ Ｊ， Ｙａｇｉ
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２００４一ＣＴｕＴｌ．

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［３８］ｈｌ Ｊ，Ｙａｇｉ Ｈ，Ｔａｋａｉｃｈｉ Ｋ，拼耐．４丹正，确筘．Ｂ，２００４，７９（１）：２５．２８． ［３９］Ｌ舡Ｊ，ｕｅｄａ Ｋｅｎ—ｉｃ｝ｌｉ，Ｙａｇｉ Ｈｉｄｅｋｉ＇矗耐．上Ａ岫３ ｃ０唧．，２００２， ３４１（１／２）：２２０＿２２５． ［４０］冯锡淇．激光与光电子学进展，２００６，４３（１２）：１９．２８． ［４１］ｋｌｗｒｅｎｃｅ ｕｖｅ硼ｏｒｅ Ｎａｔｉｏｎａｌ ｒｅｐｏｒｔ．ＴＩｍｌ８ｐａ地ｎｔ

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（１）：４７－５８．

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２００４，２４（２）：１７ｌ?１７８． ＯｄｏｖＢｋａｙａ

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删【ＩＩｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ舳ｄ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｐｍｃ髓ｄｉｎ轳，２００８，加（４）：７９１ｓ４． ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｆｍｍ Ｗｉｌ【ｉｐｅｄｉａ， 山ｅ ｆｌ桃 ｅｎｃｙｃｌ叩ｅｄｉａ，

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Ｋ，Ｋｉｍ

Ｂ

Ｎ，Ｈｉｍｇａ

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Ｙｉｎｇ，Ａｎ

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ｆｏｒ ｐｍｄｕｃｔｉｏｎ

ｔｌｌｅｍｆ，柚ｄ叩ｔｉｃａｌ ｅｌｅｍｅｎｔ． ＰｃＴ Ｐａｔｅｎｌ印ｐｌｉｃａｔｉｏｎ

Ｌｉｑｉｏｎｇ，甜“．工点沁ｒｏ．Ｄ粕ｍ．ｓＤｃ．，

ｗ００２／４９９８４

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万方数据 　

透明陶瓷——无机材料研究与发展重要方向之一
作者： 作者单位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期)： 被引用次数： 江东亮， JIANG Dong-Liang 中国科学院,上海硅酸盐研究所,高性能陶瓷和超微结构国家实验室,上海,200050 无机材料学报 JOURNAL OF INORGANIC MATERIALS 2009,24(5) 6次

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引用本文格式：江东亮.JIANG Dong-Liang 透明陶瓷——无机材料研究与发展重要方向之一[期刊论文]-无机材料 学报 2009(5)



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