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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，又具有玻璃的光學性質。

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用領域。

 

 

透明陶瓷的分類及應用

 

 

根據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注。其中透明陶瓷材料因具有燒結溫度低、摻雜濃度高且方便調節(jié)、制備周期短、生產成本相對較低及易于制備多層結構等多種優(yōu)點而備受關注。國內在2006年5月由中國科學院上海硅酸鹽研究所科研人員首次實現了1.0at%Nd:YAG透明陶瓷的激光輸出。
激光陶瓷

 

紅外透明陶瓷
 
為了應對未來戰(zhàn)場錯綜復雜的情況，軍用紅外光電系統(tǒng)需要能夠滿足不同嚴苛要求，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。在不同紅外波段應用的材料種類也是不一樣的，目前已經開發(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

 

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，廣泛應用于影像醫(yī)學（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，并成功應用于醫(yī)學X-CT上。
 
磁光透明陶瓷
 
磁光透明陶瓷是應用于光隔離器中的一種具有法拉第效應的材料。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常數高，具有低的吸收損耗以及高的熱導率，優(yōu)異的熱力學性能。當前，應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換材料廣泛應用于白光LED領域。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世紀最具發(fā)展?jié)摿Φ母咝录夹g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70年代初首次出現，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，人工極化處理之后還具有壓電和光學雙折射性能，可以廣泛地應用于核熱閃光護目鏡、光開關和圖像存儲、顯示等領域。
 
透明裝甲陶瓷
 
透明裝甲陶瓷的主要應用有防彈窗口、導彈整流罩、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域。

 

 

透明陶瓷上車的“潛力”

 

 

提到透明陶瓷在汽車領域中的應用，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，直到2009年美國Surmet公司獲得了專利，2013年給美國國防部供應過一款玻璃窗。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、抗風沙、化學性質穩(wěn)定，可作為導彈頭罩和窗口、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公司已經將AlON的研究目標集中在航天航空等領域的探索，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，鏡頭材料的質量直接決定著攝像頭的質量，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，不僅具有光學玻璃相仿粉透光質而且更強、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，攝像頭平均搭載數量也不斷提高，車載鏡頭市場前景廣闊。據ICV預計，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幾何級增長，同時對質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，從而實現致密化的過程。但從制備技術來看，透明陶瓷對工藝要求十分嚴苛，特別是粉體制備與燒結，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，當然添加劑用量也要很少。
 
透明陶瓷燒結方法
 
燒成制度影響陶瓷材料的透明度，一般的陶瓷燒結溫度更高才能排除氣孔，達到透明化燒結。燒結透明陶瓷時，要根據燒結材料的性能和坯體的性能及大小來確定最高燒結溫度，燒結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，冷卻制度的確定應以陶瓷無變形且無內應力為準。
 
在透明陶瓷制備過程中，通常采用熱壓燒結、氣氛燒結等特殊方法。熱壓燒結時，通過在燒結過程中施加壓力，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；氣氛燒結可以消除由于材料成分揮發(fā)產生的空位等缺陷，并且氣孔內的氣體被置換而很快擴散，降低缺陷的產生。此外，像激光燒結、微波燒結、放電等離子體燒結等技術也逐步被應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，如何降低燒結成本，如何控制內部缺陷的產生，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研討會”。屆時，來自中國科學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—微結構調控—成型—燒結為主線，重點介紹透明陶瓷的制備技術及其應用領域。最后對透明陶瓷在車載攝像頭和激光雷達窗口中應用的可行性進行分析。

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