正被高端应用重视的氧化钇透明陶瓷

随着科技的发展，将陶瓷变得透明早已不是一个难题。目前行业内把这些具备一定透光性的多晶材料称为透明陶瓷或光学陶瓷，它们不仅在光学表现上优于传统玻璃或树脂类的光学材料，更在强度、硬度、耐腐蚀与耐高温的特性表现中相当优异，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，未来技术发展上具有极大潜力。

透明陶瓷

自打20世纪60年代初美国GE公司的Coble研发出了块半透明的氧化铝陶瓷，开辟出新的陶瓷研究方向后，透明陶瓷的发展就以一日千里的速度行进着，先后出现了Y2O3、MgO、MgAl2O4、Y3Al5O12、AlON、PLZT、CaF2等几十种透明陶瓷材料。

其中氧化钇（Y2O3）一直是透明陶瓷领域中的研究重点，它属立方晶系，具有光学性能的各轴同向性，与透光氧化铝的异方性相比影像较不失真，因此逐渐被高阶的镜头或是军事光学窗所重视与发展。其物理化学性质的主要特点是：

①熔点高，化学和光化学稳定性好，光学透明性范围较宽（0.23～8.0μm）；

②在1050nm处，其折射率高达1.89，使其具有80%以上的理论透过率；

③Y2O3具有足以容纳大多数三价稀土离子发射能级的、较大的导带到价带的带隙，可以通过稀土离子的掺杂，实现发光性能的有效裁剪，从而实现其应用的多功能化；

④声子能量低，其声子截止频率大约为550cm–1，低的声子能量可以抑制无辐射跃迁的几率，提高辐射跃迁的几率，从而提高发光量子效率；

⑤热导率高，约为13.6W/(m·K)，高的热导率对其作为固体激光介质材料极为重要。

日本神岛化学公司研制的氧化钇透明陶瓷

Y2O3基透明陶瓷的制备

从本质来看，Y2O3透明陶瓷的制备与其他特种陶瓷的并无太大差别，大多数特种陶瓷制备工艺都可以延用到透明陶瓷制备领域，然而透明陶瓷制备对工艺过程的每个环节均十分敏感，尤其粉体和烧结两个环节。

1.粉体方面

高质量粉体的选择是获得高性能透明陶瓷的关键，粉体的尺寸、粒径分布、形状以及颗粒的团聚状态都会直接影响到陶瓷在烧结过程中的致密化行为和烧结体的微观结构。理想的粉体性能包括：

①亚微米尺寸，较小的颗粒尺寸能够获得较高的烧结驱动力，但是过细的粉体由于比表面能较高，极易发生团聚；

②尺寸分布较窄，较窄的尺寸分布可以避免差分收缩的发生，尺寸粒径大小匹配不均匀时，会导致在成型过程中产生应力从而导致陶瓷的微观结构不均匀；

③化学纯度高，在透明陶瓷的制备过程中，要避免杂质和杂相的存在，且防止实验过程中粉体被污染；

④粉体分散性好，颗粒团聚会使粉体的比表面积降低，烧结活性下降，并且导致不一致的晶界迁移率而不利于陶瓷的致密化。

目前Y2O3基透明陶瓷粉体的制备方法主要有两种：一是以商业的高纯粉体为原料，添加一定量的烧结助剂，利用球磨工艺获得陶瓷粉体，然后烧结制备透明陶瓷；二是采用湿化学法/气相法制备高烧结活性的Y2O3超细粉体，然后不添加任何烧结助剂的情况下烧结获得透明陶瓷，这样制备的粉体可在原子尺度混合，有效控制粉体的形貌，还具有尺寸分布窄、杂质含量低等优点。

2.烧结方面

烧结是陶瓷制备过程中必不可少的关键步骤，不同的烧结技术和烧结工艺都会对陶瓷的微观结构产生巨大的景影响。要制备透明陶瓷，就需要在烧结过程中使坏体尽可能完全致密化，且内部无气孔等散射中心，这样才能提高陶瓷的光学质量。

目前Y2O3基透明陶瓷报道的烧结方法主要有：热压烧结、热等静压烧结、真空烧结和氢气氛烧结（干氢、湿氢），其致密化机理可以概括为纯固相高温烧结、液相烧结/瞬时液相烧结、压力辅助烧结和固溶活化烧结。不过为了提高Y2O3透明陶瓷的光学质量和降低烧结温度，往往将几种烧结方法联合使用。

Y2O3基透明陶瓷的应用

Y2O3因优异的物理化学性质被广泛应用并潜在开发，主要包括：导弹的红外窗口和球罩、可见和红外透镜、高压气体放电灯、陶瓷闪烁体以及陶瓷激光器等领域。

1.高压气体放电灯灯管

Y2O3具有立方相结构，光学性能各向同性，化学稳定性高，能耐金属钠蒸气和其他金属卤化物蒸气腐蚀，很早以来，人们就期望将其应用于高强度气体放电灯领域。Wei将La2O3增强Y2O3制成陶瓷金属卤化物灯灯管，下图是金属卤化物灯一体管照片。

2.窗口材料

在3~5µm具有良好光学透过性能的材料在军事领域具有重要的应用。大多数氧化物，如Al2O3单晶、ALON和MgAl2O4透明陶瓷等，在低于5µm波长处的透过率即开始降低，而Y2O3在0.23～8.0µm具有较好的透过率。

3.闪烁陶瓷

有文献报道，GRESKOVICHC等在Yttralox研究的基础上，抛弃ThO2作为烧结助剂，采用高温氢气氛烧结制备(Y,Gd)2O3:Eu,Pr透明陶瓷。Gd2O3的掺杂大大提高样品的密度，同时也提高其X射线吸收系数，该材料由于具有较高的光输出、较短的余辉时间以及与探测器匹配的发射峰位，作为陶瓷闪烁体已装备于GE医疗部门所生产的X–CT，每年的产量以吨计，具有很高的商业价值。

4.透明激光陶瓷

激光具有高能量密度、高度方向性和相干性的特点，在现代制造业中，激光加工是目前最先进的加工技术之一。而自2000年Nd3+:YAG透明陶瓷成功获得激光输出以来，世界范围内掀起了激光陶瓷研究的热潮。

2001年，Lu等首次报道LD泵浦条件下Nd3+:Y2O3基透明陶瓷的激光输出：采用掺杂摩尔分数为1.5%的Nd3+:Y2O3透明陶瓷块体，以807nm的LD为泵浦源，在742mW的泵浦功率下，获得160mW的激光输出，其斜率效率为32%，实验过程中同时获得波长为1074.6nm和波长为1078.6nm的激光输出。此后，采用Y2O3透明陶瓷，分别实现了多种形式的连续、飞秒锁模激光输出。

5.Y2O3透明陶瓷的上转换发光

Y2O3作为优异的发光材料基质，早已应用于灯用荧光粉及电致发光等领域。研究表明：Y2O3还具有较低的声子能量（550cm-1），与目前上转换效率较高的ZBLAN玻璃（一种氟化物玻璃，其声子能量为500cm-1左右）相当。2002年，章健尝试稀土掺杂氧化钇透明陶瓷的上转换发光研究：采用湿化学法合成稀土离子掺杂氧化钇纳米粉体，在氢气氛中、1850℃保温3h，可以实现透明化；样品尺寸为φ30mm×3 mm的透明Y2O3陶瓷在可见光区透过率大于80%；不同稀土离子掺杂的透明Y2O3陶瓷在980nm LD激发下表现出良好的上转换发光性能，在420~680nm实现蓝色、绿色、橙色和红色等多个波长的上转换发射。

资料来源：

1.氧化钇透明陶瓷的研究进展，靳玲玲，蒋志君，章健，王士维。

2.氧化钇基光功能透明陶瓷的制备与性能研究，张星。