透明陶瓷，又称光学陶瓷，顾名思义就是运用特殊工艺烧结制备出的能够透光的陶瓷，行业内一般会把直线透过率10%作为透明陶瓷与半透明陶瓷的分界线。

既然是陶瓷，那么透明陶瓷自然也具备陶瓷固有的耐高温、耐腐蚀、高绝缘、高强度等特性，因此可应用于条件极度严苛的环境或是工程设计当中，如国防工业、特殊工业设备等；同时又因为透光，还拥有类似玻璃的光学性能，在照明技术、光学技术、特种仪器制造、无线电子学、信息探测、高温技术以及军事工业等领域应用前景广阔。

不仅性能优，就连颜值也高的透明陶瓷（来源：konoshima）

目前，透明陶瓷在未来技术发展上的潜力已受到广泛认可，下面将对几种透明陶瓷及其应用作具体介绍。

一、透明陶瓷为什么能透光？

早在1930年，科学家们就已经开始进行对透明陶瓷的研究，并在1957年时，由美国General Electric Company的陶瓷专家R. L. Coble与他的团队制备出第一块透明氧化铝陶瓷。这个团队发现，他们所制备出的透明氧化铝样品于仪器分析下并没有发现任何微气孔，就推测陶瓷透明度可能与微气孔存在有很大的关系——事实也确实如此。

作为一种多晶无机材料，陶瓷一般是由晶粒、晶界、气孔等组成。一般而言，多晶陶瓷的不透明性是由非等轴（立方）晶系晶粒在排列取向上的随机性导致晶粒间折射系数不连续，以及晶界效应及气孔等因素引起的散射等原因所致。因此要成功制备透明陶瓷，除了气孔结构因素外，材料本身的纯度以及晶体结构也是影响的关键要因。

多晶陶瓷内部影响光的散射主要因素示意图

所以在实际生产过程中，高纯超细的原料、尽可能少的添加剂和工艺上的严格控制都是必不可少的，其中工艺的控制主要是为了将陶瓷材料中的气孔和杂质充分排除，并适当控制陶瓷材料的晶粒尺寸，使制品接近于理论密度。如此一来，就能避免入射光在透明陶瓷表面反射、内部的吸收和散射，从而制备出透明陶瓷。

二、透明陶瓷的分类和用途

透明陶瓷种类很多，由于晶体结构的差异它们会具有不同的特殊性能，可以满足不同应用领域的需求，因此一般会按功能和用途进行分类。例如AlON透明陶瓷具有优异的抗冲击性能，在透明装甲等军事领域备受青睐。

1、透明激光陶瓷

从上世纪60年代以来，固体激光器得到快速发展，因而激光材料的研究受到广泛关注。其中透明陶瓷材料因具有烧结温度低、掺杂浓度高且方便调节、制备周期短、生产成本相对较低及易于制备多层结构等多种优点而备受关注。

1966年，E.Carnall等人2用热压烧结工艺研制出激光阈值与单晶相接近的Dy:CaF₂陶瓷。1973年，C.Greskovich等用Y₂O₃、ThO₂、Nd₂O₃作为原料合成出能发出激光的立方体固溶相NDY陶瓷，但激光阈值强度仍低于市面上最好的掺Nd玻璃。1995年，日本A.Ikesue博士等以高纯粉体为原料，在1750℃高温真空烧结成型好的素坯，成功研制出含0.3-4.8at%的Nd₂O₃的YAG陶瓷，其激光性能比利用直拉法制备的YAG单晶的激光效率还要高，实现了透明激光陶瓷的重要突破。国内则于2006年5月由中国科学院上海硅酸盐研究所科研人员首次实现了1.0at%Nd:YAG透明陶瓷的激光输出。

激光陶瓷

总而言之，在研究人员的努力下，通过改进烧结工艺和烧结设备，近年来激光透明陶瓷的激光效率不断提高，更被业界认为有望取代晶体的地位，成为应用最广泛的激光材料之一。理由如下：

①陶瓷的制备时间短，烧结装置无需贵金属材料，烧结无需在高纯保护性气氛下进行，制备成本低；

②陶瓷可以制备成多种形状，制备大尺寸的陶瓷是其制备方法固有的优势；

③陶瓷中掺杂粒子浓度高，从整体上看掺杂粒子的分布均匀；

④陶瓷烧结的温度比晶体的熔点低许多，制备出的陶瓷其组份偏离小；

⑤陶瓷能够做成不同形状或者多层材料进行烧结，有可能发展出多功能陶瓷。

固体激光在激光武器、激光核聚变点火、激光切割、激光熔覆等领域的应用（来源：中科院上硅所官网）

2、透明闪烁陶瓷

闪烁材料是一种能将入射在其上的高能射线（X/γ射线）或粒子转换为紫外或可见光的晶态能量转换体，广泛应用在高能物理与核物理实验、影像核医学（简称CT和PET）、工业CT在线检测、油井勘探、安全稽查及反恐应用等。能够把带有高能量的射线转化为可见光的透明陶瓷，就被称为“透明闪烁陶瓷”。

闪烁材料在核医学成像、工业无损检测、高能物理粒子探测和机场安检等领域的应用（来源：中科院）

近年来随着影像核医学医疗设备的发展和及和高能物理与核物理实验需求的提高，对闪烁体的要求也越来越高：大的有效原子序数（有利于高能射线吸收）、更高的光输出（提高信号强度）、更快的衰减（可以实时成像，减少干扰）、更高的能量分辨率（提高成像精度）。而透明闪烁陶瓷由于具有可在较宽范围内掺杂，所需成本可控、易于制备大尺寸等诸多优点，因此应用潜力巨大，目前在医学仪器领域、油井检测、反恐等领域都有所应用，而且已经开发出GOS、GGG等不同的陶瓷闪烁体材料。

3、透明装甲陶瓷

透明装甲主要应用在坦克、武装直升机、防弹窗口等军事领域。目前应用较广的装甲材料主要是有单晶、抗弹玻璃和透明陶瓷。在这些材料中，透明陶瓷材料县备光学质量高、硬度大、耐刮利擦、耐高温等优点，适合在战争等极端环境中应用，因此成了军队装甲材料的首选。

法国武器装备总局（DGA）与先进陶瓷企业SOLCERA在“SPINELLE”（尖晶石）项目中共同开发的新型透明陶瓷装甲窗

在众多透明陶瓷材料中，常作为装甲材料的主要是MgAl₂O₄和AlON透明陶瓷。在实际大范围应用中，为了减轻坦克等携带的装甲的重量以及出自减少成本的考虑，经常会将透明陶瓷和其它透明材料复合搭配使用，能够达到军事用抗冲击的等级要求，如下图中的这种结构。

新型透明防弹装甲结构示意图

可看出，透明防弹装甲由三个功能层组成：

①迎弹面层：通常由玻璃、玻璃陶瓷或透明陶瓷制成，用于使弹丸钝化、损伤、碎裂；

②中间层：由玻璃或聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）构成，用于能量吸收、止裂、缓解热膨胀错配；

③背弹面层：通常选择聚碳酸酯（PC），用于防碎片飞溅。

其中，迎弹面是整个透明防弹装甲系统的核心。此外还有各层之间的黏结层（用于连接系统并提供多次撞击阻力）。

4、红外透明陶瓷

为了应对未来战场错综复杂的情况，军用红外光电系统需要能够满足不同严苛要求，其中红外窗口和红外整流罩是保护光电系统的重要部件。由于导弹攻击速率在不断提升，造成导弹前端位置与空气摩擦产生的载荷也剧烈增加，因此红外窗口和红外整流罩要具备高透过率、力学性能好、热导率高、抗热震性强、耐腐蚀等优点。在不同红外波段应用的材料种类也是不一样的，目前已经开发出的中波红外材料主要有MgF₂、MgAl₂O₄、AlON和Y₂O₃透明陶瓷和蓝宝石单晶等；长波红外透明材料主要是ZnS、ZnSe、CdTe等透明陶瓷。

透明镁铝酸尖晶石陶瓷（来源：laserfocusworld）

比如说上图中由美国海军研究实验室(NRL)开发的用于高能激光(HEL)系统的透明镁铝酸尖晶石(MgAl₂O₄)陶瓷，在不改变传输参数的情况下，它可以承受时速600英里的雨滴和时速460英里的沙粒的冲击。因此作为窗口和圆顶材料，可以很好地保护从紫外到中红外到5µm的传感器，优异的低吸收损耗（6ppm /cm）使它能最大限度地减少在HEL系统中作为光路畸变测量的光束畸变和输出功率损失。

 

资料来源：

AlON透明陶瓷的光学性能优化研究，李建民。

陶瓷基透明防弹装甲研究进展，刘家希，石晓东，姜良宝等。

Transparent ceramic suits high-energy laser systems(Gail Overton)

 

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