中國粉體網(wǎng)訊  

關(guān)于氧化鋯透明陶瓷目前研究較少，首先，由于完全致密的氧化鋯陶瓷的燒結(jié)溫度高，因此制備氧化鋯透明陶瓷仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

再者，ZrO₂熔點(diǎn)高達(dá)2715℃，純ZrO₂常溫下為單斜相，而只有立方相結(jié)構(gòu)才不存在光學(xué)各向異性，因而立方相更適合制備透明陶瓷，故一般需要采用穩(wěn)定劑如Y₂O₃將其穩(wěn)定到立方相，即目前關(guān)于氧化鋯透明陶瓷的研究主要是針對釔穩(wěn)定氧化鋯陶瓷，即YSZ透明陶瓷。

YSZ透明陶瓷的應(yīng)用

YSZ透明陶瓷在可見光波段的折射率高達(dá)2.16，折射率高于傳統(tǒng)的光學(xué)玻璃和光學(xué)樹脂，用于制作光學(xué)鏡頭，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)碼設(shè)備的小型化。YSZ透明陶瓷在可見光和中紅外擁有良好的透過率，其透過波段為0.25~7.5μm，而且耐磨損、耐酸堿腐蝕、耐雨水侵蝕，是透明裝甲、紅外窗口和整流罩的理想候選材料，其主要應(yīng)用如下圖所示。

YSZ透明陶瓷的應(yīng)用前景：光學(xué)鏡頭、透明陶瓷裝甲和整流罩

YSZ透明陶瓷的研究進(jìn)展

國外方面

1986年，日本東曹公司的Tsukuma等以日本東曹商業(yè)8YSZ粉體為原料，以TiO₂作為燒結(jié)助劑，通過空氣預(yù)燒結(jié)合熱等靜壓（HIP）燒結(jié)，制備出世界上第一塊YSZ透明陶瓷。

日本東曹公司制備的8YSZ透明陶瓷樣品的實(shí)物照片

2008年Tsukuma等改進(jìn)了HIP技術(shù)，制備出直線透過率在可見光波段與單晶相近的YSZ透明陶瓷，發(fā)現(xiàn)具有細(xì)晶粒和晶間氣孔的預(yù)燒體在HIP處理后可獲得更佳的光學(xué)質(zhì)量。2009年德國Schott AG公司以TiO₂為燒結(jié)助劑，采用真空燒結(jié)結(jié)合HIP技術(shù)制備了YSZ透明陶瓷并對其光學(xué)性能進(jìn)行了表征，根據(jù)TiO₂摻雜含量不同，陶瓷折射率在2.1到2.2之間，同時(shí)發(fā)現(xiàn)加入TiO₂會使陶瓷樣品顏色變黃而且會產(chǎn)生雙折射現(xiàn)象，在TiO₂含量一定時(shí)，通過增加Y₂O₃含量可以有效降低樣品中心的雙折射效應(yīng)。

YSZ陶瓷物實(shí)物照片和透過率曲線

為了獲得細(xì)晶粒的YSZ透明陶瓷，2010年日本材料科學(xué)研究所的Zhang等以商業(yè)8YSZ粉體為原料，采用SPS燒結(jié)方式制備了8YSZ透明陶瓷，陶瓷晶粒尺寸為納米級，并探究了SPS工藝條件對材料性能的影響，發(fā)現(xiàn)YSZ陶瓷透過率隨保溫時(shí)間和溫度升高而降低，原因是在還原氣氛燒結(jié)過程中形成了氧空位。2011年Zhang等進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)氧空位和殘余氣孔是導(dǎo)致8YSZ透明陶瓷光學(xué)質(zhì)量不佳的主要原因，而氧化氣氛退火處理可以減少氧空位從而提升陶瓷的光學(xué)質(zhì)量。

2018年，日本東曹公司的Watanabe等以日本東曹商業(yè)8YSZ粉體為原料，研究了預(yù)燒過程中升溫速率和保溫時(shí)間對HIP后陶瓷的晶粒尺寸和光學(xué)質(zhì)量的影響，1.0mm厚的8YSZ透明陶瓷在550nm處的直線透過率達(dá)到65%，同時(shí)抗彎強(qiáng)度達(dá)到454MPa。2019年，魯汶大學(xué)的Dash等以日本東曹商業(yè)8YSZ和3YSZ兩種粉體為原料，通過SPS結(jié)合HIP后處理制備了細(xì)晶粒的復(fù)相YSZ透明陶瓷，研究了8YSZ和3YSZ的不同含量對陶瓷微觀結(jié)構(gòu)、斷裂韌性和可見及紅外波段透過率的影響，隨著3YSZ含量的增加，YSZ復(fù)相透明陶瓷的斷裂韌性在1.25-3.0MPa·m^1/2之間線性變化，但1.0mm厚的陶瓷在可見光范圍（400-800nm）的總透過率低于60%。

國內(nèi)方面

目前，我國在透明陶瓷領(lǐng)域的研究還相對落后，上海硅酸鹽研究所在該領(lǐng)域的貢獻(xiàn)較大，東北大學(xué)、南昌航空大學(xué)、天津大學(xué)、上海大學(xué)等單位也逐漸在該領(lǐng)域開展了一系列研究工作。2011年LiwenLei等人通過甘氨酸-硝酸鹽法并經(jīng)高能球磨制備出了高燒結(jié)活性的納米立方氧化釔穩(wěn)定氧化鋯（ZrO2-8mol％Y₂O₃）粉末，通過使用SPS在1200-1350℃持續(xù)燒結(jié)5分鐘，制備出了立方氧化鋯透明陶瓷，但在可見光范圍內(nèi)透光率較低。ZhangHB等用高壓SPS在1000-1200℃制備出了半透明的立方氧化鋯陶瓷，樣品的直線透光率主要受色心的影響。天津大學(xué)余芬采用空氣氣氛燒結(jié)制備出來氧化鋯透明陶瓷透光率只有10%左右。近年來，透明陶瓷研究中心李江研究員團(tuán)隊(duì)深入開展了氧化鋯透明陶瓷的研究工作，并取得了系列研究進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)以商業(yè)8YSZ粉體為原料，系統(tǒng)研究了預(yù)燒溫度對陶瓷內(nèi)部氣孔和晶粒尺寸的影響，結(jié)合熱等靜壓燒結(jié)制備出了兼具光學(xué)透過率和力學(xué)性能的氧化鋯透明陶瓷。隨著熱等靜壓燒結(jié)的溫度從1350℃升高至1550℃，陶瓷在800nm處的直線透過率從65.3%升高至74.2%，平均晶粒尺寸從2.4μm增大至16.3μm，抗彎強(qiáng)度從328±20MPa降低至289±19MPa。

參考來源：

[1]王倩.著色離子摻雜釔穩(wěn)定氧化鋯透明陶瓷的制備與性能研究

[2]陳鵬輝.釔穩(wěn)定氧化鋯透明陶瓷的制備與性能研究

[3]羅軍明.ZrO₂基透明陶瓷的制備及其發(fā)光性能研究

[4]中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所

（中國粉體網(wǎng)編輯整理/山川）

注：圖片非商業(yè)用途，存在侵權(quán)告知?jiǎng)h除