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透明陶瓷“上車”，還有多遠的路要走？

透明陶瓷是50年代末60年代初發(fā)展起來的一類新型無機材料，既具有陶瓷固有耐高溫、耐腐蝕、高強高硬等特性，又具有玻璃的光學(xué)性質(zhì)。

來源：上海硅酸鹽研究所

 

1959年通用電氣公司首次提出了一些陶瓷具有可透光性，隨后1962年R.L.Coble首次制備了半透明的Al2O3陶瓷證實了這一點，同時也為陶瓷材料開辟了新的應(yīng)用領(lǐng)域。

 

 

透明陶瓷的分類及應(yīng)用

 

 

根據(jù)透明陶瓷的功能和用途，可以將透明陶瓷分為以下幾種類型。
 
激光透明陶瓷
 
從上世紀(jì)60年代以來，固體激光器得到快速發(fā)展，因而激光材料的研究受到廣泛關(guān)注。其中透明陶瓷材料因具有燒結(jié)溫度低、摻雜濃度高且方便調(diào)節(jié)、制備周期短、生產(chǎn)成本相對較低及易于制備多層結(jié)構(gòu)等多種優(yōu)點而備受關(guān)注。國內(nèi)在2006年5月由中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所科研人員首次實現(xiàn)了1.0at%Nd:YAG透明陶瓷的激光輸出。
激光陶瓷

 

紅外透明陶瓷
 
為了應(yīng)對未來戰(zhàn)場錯綜復(fù)雜的情況，軍用紅外光電系統(tǒng)需要能夠滿足不同嚴(yán)苛要求，其中紅外窗口和紅外整流罩是保護光電系統(tǒng)的重要部件。在不同紅外波段應(yīng)用的材料種類也是不一樣的，目前已經(jīng)開發(fā)出的中波紅外材料主要有MgF2、MgAl2O4、AlON和Y2O3透明陶瓷和藍寶石單晶等；長波紅外透明材料主要是ZnS、ZnSe、CdTe等透明陶瓷。
常用中紅外透明材料的性能參數(shù)

 

閃爍透明陶瓷
 
無機閃爍體在輻射探測中起著非常重要的作用，廣泛應(yīng)用于影像醫(yī)學(xué)（X-CT、NMR、PET）、核物理、高能物理、工業(yè)CT、油井勘探、安全檢查等領(lǐng)域。近十幾年來，國外相繼開發(fā)出氧化釔釓（YGO）、硫氧化釓（GOS）、釓稼石榴石（GGG）等陶瓷閃爍體，并成功應(yīng)用于醫(yī)學(xué)X-CT上。
 
磁光透明陶瓷
 
磁光透明陶瓷是應(yīng)用于光隔離器中的一種具有法拉第效應(yīng)的材料。光隔離器是高功率激光系統(tǒng)中重要的組成器件之一，它能夠有效的調(diào)控系統(tǒng)中光的傳播，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。對于磁光材料，要求其Verdet常數(shù)高，具有低的吸收損耗以及高的熱導(dǎo)率，優(yōu)異的熱力學(xué)性能。當(dāng)前，應(yīng)用于可見至紅外波段的磁光材料主要為TGG和TAG透明陶瓷。
 
熒光透明陶瓷
 
熒光透明陶瓷作為一種光轉(zhuǎn)換材料廣泛應(yīng)用于白光LED領(lǐng)域。白光LED作為照明光源，以其環(huán)保、高效、節(jié)能、高壽命等優(yōu)點而成為21世紀(jì)最具發(fā)展?jié)摿Φ母咝录夹g(shù)之一。
 
與金屬或者玻璃相比，熒光陶瓷具有更高的機械性能，更好的熱穩(wěn)定性和優(yōu)異的光學(xué)性能。目前常用的熒光透明陶瓷以發(fā)光材料體系進行分類，主要可以分為氮化物體系、釔鋁石榴石體系和多鋁酸鹽體系。
 
鐵電透明陶瓷
 
鐵電透明陶瓷在20世紀(jì)70年代初首次出現(xiàn)，除了具有高透明度外還具有鐵電性能，可以將光、電、機械形變等物理性能耦合在一起。
 
鋯鈦酸鉛鑭（PLZT）透明陶瓷是一種典型的鐵電透明陶瓷材料，具有高的透過率和電光效應(yīng)，人工極化處理之后還具有壓電和光學(xué)雙折射性能，可以廣泛地應(yīng)用于核熱閃光護目鏡、光開關(guān)和圖像存儲、顯示等領(lǐng)域。
 
透明裝甲陶瓷
 
透明裝甲陶瓷的主要應(yīng)用有防彈窗口、導(dǎo)彈整流罩、航天器窗口等需要高硬度、高強度、高耐磨性和良好的抗沖擊性能的透明材料的地方；同時，低面密度的材料可以解決透明裝甲重量較大的問題。
 
以鎂鋁尖晶石（MgAl2O4）和AlON為代表的透明陶瓷廣泛應(yīng)用于透明裝甲材料。它們的透過波段范圍廣（達到紫外到紅外波長）、透過率高、力學(xué)性能優(yōu)異、面密度低，不僅可以用作透明裝甲, 還可用于頭罩及可見和紅外窗口等領(lǐng)域。

 

 

透明陶瓷上車的“潛力”

 

 

提到透明陶瓷在汽車領(lǐng)域中的應(yīng)用，就不得不想起悍馬汽車，2005年美國軍方就想把AlON安裝在悍馬汽車上，由于價格的原因沒有實現(xiàn)，直到2009年美國Surmet公司獲得了專利，2013年給美國國防部供應(yīng)過一款玻璃窗。在軍用方面，透明陶瓷具有良好的透光率，高強的硬度，而且耐腐蝕、耐摩擦、抗風(fēng)沙、化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，可作為導(dǎo)彈頭罩和窗口、坦克和潛艇觀測窗，各種護目鏡片等。其中，Surmet 公司制備的AlON防彈窗口能抵抗50Cal瞬爆彈，窗口的厚度和面密度僅為玻璃裝甲的 2/5 和1/2。目前 Surmet公司已經(jīng)將AlON的研究目標(biāo)集中在航天航空等領(lǐng)域的探索，2017年，Surmet公司成功制備出20inx30in的大尺寸樣品以及各種共形窗口等用于傳感器方面。
 
而在民用方面，部分廠商開始嘗試采用透明陶瓷材料作為車載攝像頭鏡片、激光雷達窗口材料、激光光學(xué)器件等。隨著汽車智能化的發(fā)展，車用鏡頭近年不斷升級，從倒車影像、環(huán)車影像這類純影像顯示，到自動駕駛系統(tǒng)所需的雷達或光達鏡頭，車用鏡頭越來越“聰明”，對性能要求也越來越高。
 
鏡頭作為車載攝像頭的核心部分，鏡頭材料的質(zhì)量直接決定著攝像頭的質(zhì)量，這要求鏡頭材料必須具有高折射率、極端色散和低收縮率等要求。采用透明陶瓷作為車用鏡頭材料，不僅具有光學(xué)玻璃相仿粉透光質(zhì)而且更強、更硬、更耐腐蝕、更耐高溫，可用于極端惡劣的工況，并且折射率可以變化，對一般鏡頭可能出現(xiàn)的刮傷具有較高的防護力，也適合用在高聚焦與高熱的車用上。
 
目前，隨著汽車自動駕駛級別上升，攝像頭平均搭載數(shù)量也不斷提高，車載鏡頭市場前景廣闊。據(jù)ICV預(yù)計，2025年中國車載攝像頭市場規(guī)模將保持高速增長到287美元，2020-2025年CAGR約為29％。全自動駕駛時代的來臨，ADAS的逐漸滲透，車載鏡頭的需求將呈現(xiàn)幾何級增長，同時對質(zhì)量的要求也將進一步提升。對于透明陶瓷來講，雖發(fā)展前景很好，但仍需要克服諸多困難。

 

 

透明陶瓷的制備難點在哪里？

 

 

表面上看，透明陶瓷的制備流程與普通陶瓷區(qū)別不大，都是原來制備、成型、燒結(jié)，從而實現(xiàn)致密化的過程。但從制備技術(shù)來看，透明陶瓷對工藝要求十分嚴(yán)苛，特別是粉體制備與燒結(jié)，這兩個環(huán)節(jié)決定了陶瓷的透明程度。
 
透明陶瓷粉體制備
 
原料的純度是影響透明度諸多因素中的主要因素之一，原料中雜質(zhì)容易生成異相，形成光的散射中心，減弱透射光的在入射方向的強度，降低陶瓷的透光率，甚至失透。制備透明陶瓷粉體要求：純度高，粒度小。為了獲得透明陶瓷，有時也會加入添加劑，抑制晶粒長大，當(dāng)然添加劑用量也要很少。
 
透明陶瓷燒結(jié)方法
 
燒成制度影響陶瓷材料的透明度，一般的陶瓷燒結(jié)溫度更高才能排除氣孔，達到透明化燒結(jié)。燒結(jié)透明陶瓷時，要根據(jù)燒結(jié)材料的性能和坯體的性能及大小來確定最高燒結(jié)溫度，燒結(jié)時必須控制升溫速度，確保整個坯體均勻加熱，控制晶體生長速度和晶粒尺寸，并達到消除氣孔的目的。保溫時間的選擇可依照晶粒的大小和氣孔有無而定，冷卻制度的確定應(yīng)以陶瓷無變形且無內(nèi)應(yīng)力為準(zhǔn)。
 
在透明陶瓷制備過程中，通常采用熱壓燒結(jié)、氣氛燒結(jié)等特殊方法。熱壓燒結(jié)時，通過在燒結(jié)過程中施加壓力，促使材料致密化，同時晶粒生長較慢，從而可得到細晶粒的陶瓷材料；氣氛燒結(jié)可以消除由于材料成分揮發(fā)產(chǎn)生的空位等缺陷，并且氣孔內(nèi)的氣體被置換而很快擴散，降低缺陷的產(chǎn)生。此外，像激光燒結(jié)、微波燒結(jié)、放電等離子體燒結(jié)等技術(shù)也逐步被應(yīng)用于透明陶瓷的制備中。
 
相比國外，我國在透明陶瓷研究方面還較落后，在制備上，如何控制原料純度、粒度分布、分散性能，如何降低燒結(jié)成本，如何控制內(nèi)部缺陷的產(chǎn)生，如何制備大尺寸透明陶瓷等一系列問題都擺在眼前。

 

在此背景下，中國粉體網(wǎng)將于2023年9月12日在合肥舉辦“第一屆電動車用陶瓷材料技術(shù)研討會”。屆時，來自中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所周國紅研究員將帶來題為《透明陶瓷研究進展及其在車載窗口中的應(yīng)用》，周國紅研究員將講述透明陶瓷的特點及發(fā)展歷程，以透明陶瓷的整個制備流程，陶瓷粉體—微結(jié)構(gòu)調(diào)控—成型—燒結(jié)為主線，重點介紹透明陶瓷的制備技術(shù)及其應(yīng)用領(lǐng)域。最后對透明陶瓷在車載攝像頭和激光雷達窗口中應(yīng)用的可行性進行分析。

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