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在我們通常的印象中,陶瓷都是不透明,最多只是有一些透光。象一些薄瓷碗那樣,隔著可以隱約看到對面的影子,卻無法象玻璃那樣,隔了好幾層還能將對面看得清清楚楚。但是,如果有人告訴你,陶瓷其實也是可以做成透明的,你是不是覺得有點不可思議!
透明陶瓷是怎么做出來的呢?
在回答這個問題之前,我們先要搞清楚另一個問題,就是常見的陶瓷為什么不透明? 比如,同樣是氧化鋁,藍寶石晶體可以象水晶一樣晶瑩剔透,而我們常見的氧化鋁瓷卻是白色的。這是為什么呢?
說起來其實原因很簡單,就是陶瓷不象晶體那樣純潔,其中各種雜七雜八妨礙透明的東西太多。從目前的研究看,至少有以下幾種:
一是氣孔。通常的情況下,陶瓷不管怎么燒,坯體中多多少少總會殘余一些氣孔。這些氣孔就是影響光線透過的最大因素。從理論上看,是因為氣孔和陶瓷自身之間的折射率相差太大,光線射入后會產生強烈的散射和折射。氣孔量越大,散射越嚴重,陶瓷就越不透明。和氣孔相似的還有各種雜質。通常雜質的折射率和陶瓷基質并不一致,所以也會成為散射中心,影響光線的透過。
二是晶界。晶界是陶瓷中特有的結構,玻璃、晶體中都沒有。從微觀上看,陶瓷其實是由很多小晶粒燒結在一起構成的。這些小晶粒之間的區域就是晶界。光線通過時,也會在晶界上產生散射。有時候,晶界的散射還會特別嚴重。
除此之外,陶瓷晶粒的大小、陶瓷表面的光潔度等也會影響到光線的透過。如果晶粒大小與入射光的波長相近,光線散射很強;而表面粗糙,則漫反射越明顯。這些都會使陶瓷變得不透明。
知道了這些原因,要獲得透明陶瓷就變得十分簡單了,努力消除各種對光的散射的各種因素就OK了。綜合起來,只要滿足以下幾個條件,就能得到透明陶瓷:
一是密度要高。一般認為至少要達到理論密度的99.9%以上,也就是說氣孔率要小于萬分之一。
二是晶界干凈,不存在空隙、雜質和玻璃等??傊尵Ы缗c晶體的光學性質差別盡可能小。
三是晶粒較小而且均勻、表面光潔度高.
當然,還有兩個基本條件,就是組成陶瓷的晶粒本身得透明,不會吸收光線。最好也不會有光學各向異性,也就是各個方向光線的折射率都一樣。這個好理解,因為如果是一塊煤炭,想洗成白色總是不可能的。
不過,雖然理論上說起來簡單,要在實踐中真正滿足以上所有這些要求卻并不容易。好在經過科技工作者的努力,還是想出了不少辦法。具體說來,主要有以下幾種:
一是原料上,選擇純度高、顆粒均勻、活性高的粉體。純度高,雜質就少;顆粒均勻,在燒成陶瓷后就不容易出現晶粒大小不一;活性高,就好燒,比較容易達到較高的密度。事實上,如今用做燒制透明陶瓷的原料,都是人工化學反應合成的,不會直接采用礦物粉料。
二是成型上,會盡量提高素坯的密度。比如采用等靜壓、超高壓等技術,讓坯體在沒有進窯爐燒之前就會一個比較高的原始密度,這樣就方便之后陶瓷的燒成。
三是在燒成時,采取各種新的燒結技術。一般的氣窯或電窯中是很難燒成透明陶瓷的,因為最后一點點氣孔無法排干凈。為了獲得透明陶瓷,必須采用特種燒結。比如現在最常見的氧化鋁透明陶瓷,就是在氫氣爐中燒出來的。也就是在燒成時不斷往窯爐中通氫氣,讓陶瓷中的氣孔中充滿氫氣,這樣就比較容易排掉。另外常見的還有壓力燒結,包括熱壓燒結和熱等靜壓燒結等。就是在燒陶瓷的過程中施加壓力,促進陶瓷中氣孔的排除……
總之,通過這樣各方面的努力之后,就可以得到所需的透明陶瓷了。當然,這樣得到的透明陶瓷成本和價格比我們常見的普通陶瓷要高多了,因此一般只用在一些特殊的場合,比如燈管材料、激光材料、高級裝甲材料等等。更具體的用途,我們改天再來聊吧。