通常來說，陶瓷是不透明的，因?yàn)樘沾刹牧蟽?nèi)部含有的微氣孔等缺陷對光纖產(chǎn)生折射和散射作用，使得光線幾乎無法透過陶瓷體。而透明陶瓷（Transparent Ceramics）則是能透過光線的陶瓷。透明陶瓷不僅具有優(yōu)異的透光性，還具有陶瓷所特有的高強(qiáng)度、高硬度、耐腐蝕、耐高溫等遠(yuǎn)優(yōu)于一般的晶體和玻璃光學(xué)材料的性能。歡迎長按如下二維碼，添加管理員微信，加入透明陶瓷產(chǎn)業(yè)交流群。
自20世紀(jì)60年代第一塊多晶Al2O3透明陶瓷被成功制備以來，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，目前已經(jīng)對幾十種透明陶瓷體系開展了制備研究，這些體系包括氧化物陶瓷體系(Al2O3、MgO、ZrO2、Y2O3、La2O3、Sc2O3、Lu2O3、MgAl2O4 和 Y3Al5O12等)、氮化物陶瓷體系(如 AIN、Si3N4、AION 等)、氟化物陶瓷體系(如MgF、CaF2等)和硫化物陶瓷體系(如 ZnS)等。
圖 透明陶瓷，來源：Konoshima
氧化鋁（Al2O3）是最早被研究的透明陶瓷材料體系。透明氧化鋁陶瓷最早是在1959年由美國GE公司的Coble博士發(fā)明的，其商品名稱為Lucalox?，0.75mm厚的Lucalox薄片于可見光譜區(qū)的總透光率達(dá)90%。
目前，透明氧化鋁陶瓷除了用于高壓鈉燈，現(xiàn)在已用在新型照明的金屬鹵化物燈中作為發(fā)光管。此外作為生物陶瓷用作牙齒矯正中的陶瓷托槽。采用單晶生長方法制備得到的α-Al2O3俗稱“藍(lán)寶石”，由于具有硬度和抗彎強(qiáng)度等僅次于金剛石的優(yōu)異力學(xué)性能，是具有重要應(yīng)用價(jià)值的光學(xué)窗口材料。
制備氧化鋁陶瓷的關(guān)鍵是消除殘余氣孔。如前所述，氣孔與透明陶瓷的折射率相差最大，所以氣孔的數(shù)量和大小對散射損失的影響最大。和其它透明陶瓷類似，Al2O3透明陶瓷燒結(jié)中通常也加入適量的燒結(jié)助劑以促進(jìn)燒結(jié)，其中MgO為最常用的燒結(jié)助劑，其它氧化物如 Y2O3、La2O3等也常被應(yīng)用于燒結(jié)中。
2.?氧化鎂透明陶瓷
氧化鎂透明陶瓷屬立方晶系，晶格常數(shù)為0.42nm，折射率為1.736，光學(xué)性能具有各向同性，其透光性比Al2O3陶瓷好，加之其熔點(diǎn)高達(dá)2800℃和耐堿性好，可用于制作高溫爐窗口，紅外探測器罩和高耐堿性的坩堝與反應(yīng)容器等。
（https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2005.06.011）
由于MgO具有極高的熔點(diǎn)，其致密化燒結(jié)需要在極高高溫下進(jìn)行。因此即使在壓力輔助燒結(jié)方式下，也需要加入合適的燒結(jié)助劑以有效降低燒結(jié)溫度和燒結(jié)難度。因此，透明MgO陶瓷制備常采用熱壓燒結(jié)或熱等靜壓燒結(jié)，并在MgO粉料中添加少量的LiF、NaF等燒結(jié)助劑，以便形成液相促進(jìn)致密化燒結(jié)而成為透明體。
3.?氧化釔透明陶瓷
1966年，Brissette等采用類似煅壓(熱機(jī)械形變)的方法，首次制備氧化釔（Y2O3）透明陶瓷。Y2O3為立方結(jié)構(gòu)，熔點(diǎn)高，化學(xué)和光化學(xué)穩(wěn)定性好，光學(xué)透明性范圍較寬，聲子能量低，易實(shí)現(xiàn)稀土離子的摻雜。Y2O3透明陶瓷在高溫窗口、紅外頭罩、發(fā)光介質(zhì)(閃爍、激光和上轉(zhuǎn)換發(fā)光)及半導(dǎo)體行業(yè)具有應(yīng)用價(jià)值。
圖 氧化釔透明陶瓷，來源：Konoshima
燒結(jié)助劑在透明Y2O3陶瓷制備中是非常重要的，這些添加劑包括LiF、Nd2O5、Yb2O3、ThO2、Er2O3、La2O3等。為了提高Y2O3透明陶瓷的光學(xué)質(zhì)量和降低燒結(jié)溫度，往往將幾種燒結(jié)方法聯(lián)合使用。
4.?鎂鋁尖晶石透明陶瓷
鎂鋁尖晶石（MgAl2O4）屬于立方晶系，具有光學(xué)各向同性的特性，因此這種材料可以具有比六方晶系A(chǔ)l2O3更高的透明度；對于可見光、紫外光和紅外光均具有良好的透過率。由于尖晶石結(jié)構(gòu)的光學(xué)各向同性，MgAl2O4可以制備成高直線透過率陶瓷樣品。再考慮其寬的光譜透過范圍(0.2mm~5.5um)和高強(qiáng)度、高硬度等力學(xué)性能，MgAl2O4是最具潛力的一種透明光學(xué)窗口材料，在高溫透鏡窗口、整流罩和裝甲等領(lǐng)域都具有重要應(yīng)用。
圖 鎂鋁尖晶石透明陶瓷的應(yīng)用領(lǐng)域
（https://doi.org/10.1016/j.matdes.2020.108858）
對 MgAl2O4透明陶瓷的制備嘗試開始較早。1974年，Bratton等人便采用共沉淀法制備了MgAl2O4粉體，然后以少量CaO為燒結(jié)助劑進(jìn)行了MgAl2O4透明陶瓷的制備，先在真空中1500℃~1600℃燒結(jié)1h然后在1750℃~1850℃真空或Ar氣氛燒結(jié)16h可以獲得可見光透過率約為 70% 的陶瓷樣品。
促進(jìn)MgAl2O4透明陶瓷燒結(jié)和致密化的添加劑有LiF，CaCO3+LiF，CaO，B2O3，AlCl3，AlF3，Na3AlF6。
5.?釔鋁石榴石激光透明陶瓷（Y3Al5O12，YAG）
釔鋁石榴石(Y3Al5O12)透明陶瓷具有機(jī)械強(qiáng)度高、物化性質(zhì)穩(wěn)定，特別是覆蓋紫外、可見及紅外光透過等優(yōu)異性能，在固體激光器、導(dǎo)彈穹頂、紅外窗口及透明裝甲領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
圖 YAG透明陶瓷，來源：CoorsTek
在20世紀(jì)80年代以前，Nd3+摻雜YAG(Nd:YAG)單晶一直是廣泛使用的激光工作介質(zhì)，1984年，荷蘭人De提出了多晶陶瓷替代Nd:YAG單晶作激光介質(zhì)的設(shè)想，隨后De With G以噴霧干燥的方法合成了YAG前驅(qū)體粉末，并通過冷等靜壓成型和真空燒結(jié)，成功制備出YAG透明陶瓷，制得的陶瓷密度與理論密度幾乎一致，陶瓷的透光性為50%~80%。1995年日本人Ikesu等以高純度的Al2O3，Y2O3及 Nd2O3粉體為原料，通過固相反應(yīng)及1600~1850℃的真空燒結(jié)，先后制備出透光性能較好的YAG透明陶瓷與Nd:YAG透明陶瓷。
6.?氮化鋁透明陶瓷
氮化鋁透明陶瓷不僅具有AlN陶瓷自身的優(yōu)點(diǎn)，如高熱導(dǎo)率、低介電 常數(shù)、高絕緣性等，而且還具有良好透明性，使其在紅外導(dǎo)流罩以及窗口材料等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。
早在 1984年，Kuramoto 等人就采用自制 AIN 粉體進(jìn)行了 AIN 透明陶瓷燒結(jié)制備的嘗試。他們通過碳熱還原法在 1600℃下保溫5h獲得了純相 AIN粉體，在此基礎(chǔ)上通過熱壓(加燒結(jié)助劑和不加燒結(jié)助劑)和添加燒結(jié)助劑無壓燒結(jié)方法獲得了AIN透明陶瓷，厚度為0.5mm的燒結(jié)樣品在5.5μm 處最高透過率可達(dá) 39%。
圖 透明AIN陶瓷：(a)未添加燒結(jié)助劑熱壓;(b)添加燒結(jié)助劑熱壓;(c)添加燒結(jié)助劑無壓燒結(jié))
為了達(dá)到高致密度一般需加入稀土金屬氧化物或堿土金屬氧化物作為燒結(jié)助劑，通過產(chǎn)生少量液相促進(jìn)燒結(jié)，常用的有效的添加劑有CaO，Ca3Al2O6，CaF2，Y2O3，La2O3、CaC2、 Ca(NO3)2或3CaO·2Al2O3等。此外，起始AlN粉料必須具備高純度，尤其是Si、Mg、Fe的雜質(zhì)含量均應(yīng)低于200ppm，且氧含量要嚴(yán)格控制。
7.?塞隆透明陶瓷（SiAlON）
上世紀(jì)80年代以來，人們對SiAlON陶瓷進(jìn)行了深入的研究。SiAlON陶瓷不僅具有良好的耐高溫性能，還具有良好的耐摩擦性能以及優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性。此外，SiAlON在可見光到5.0mm波段具有透明特性，且其透光性可以保持到1200°C。因而SiAlON透明陶瓷是一種在航空航天領(lǐng)域非常有潛力的耐高溫透紅外光學(xué)材料。
(α-Sialon透明陶瓷的研究進(jìn)展,楊章富,等)
最早關(guān)于SiAlON透光性的報(bào)道是在20世紀(jì)80年代，M.Mitomo用熱壓制備了z=2~4的β-SiAlON半透明陶瓷，樣品為0.65mm厚時(shí)，在4.5μm波段的透光率最大為40%。但是，當(dāng)熱壓溫度高于1750°C時(shí)，反而會(huì)降低樣品的透光率，其原因與制備ZnO形成空位型缺陷的情況相似。Mandal等[J EuroCeram Soc 1999 19 2949～2957]制備了具有一定透光能力的Nd2O3和Yb2O3穩(wěn)定的α-SiAlON陶瓷。
8.?阿隆透明陶瓷（AlON）
AlON可以認(rèn)為是Al2O3和AIN的固溶體，也可以看作是AIN穩(wěn)定的具有尖晶石立方結(jié)構(gòu)的Al2O3，具有各向同性的光學(xué)性質(zhì)。AlON材料的發(fā)現(xiàn)可以追溯到1946年。日本科學(xué)家 Yamaguchi首先發(fā)現(xiàn)了在高溫下 Al2O3存在立方相，后來發(fā)現(xiàn) Al2O3立方相存在的原因是N元素的引入。1959年，Yamaguchi 和 Yanagida提出在Al2O3-AIN 固溶體系中存在有尖晶石結(jié)構(gòu)的立方相。Al2O3中N的引入使得其低溫尖晶石立方結(jié)構(gòu)可在高溫下存在，因此有可能制備出一種新型的透明陶瓷材料。1979年，McCauley和Corbin通過反應(yīng)燒結(jié)制備出第一塊AlON半透明陶瓷。
圖?McCauley和?Corbin制備的第一塊AlON半透明陶瓷
AlON透明陶瓷具有良好的光學(xué)性能、介電性能、和化學(xué)性能；同時(shí)還具有較高的抗彎強(qiáng)度（380MPa）和高硬度（1950kg/mm2）。此外，作為多晶陶瓷，它比單晶藍(lán)寶石更容易制得大尺寸部件，而且用傳統(tǒng)的陶瓷制備技術(shù)就可以制得復(fù)雜的透明部件，在機(jī)械韌性、制備成本、生產(chǎn)周期等方面均優(yōu)于藍(lán)寶石，這大大降低了成本。因此，AlON在透明裝甲和許多光學(xué)領(lǐng)域是非常有用的材料。如用于氣體燈管、雷達(dá)天線罩、耐高溫紅外傳感器窗口材料、坦克裝甲車的觀察窗、武裝直升飛機(jī)的透明裝甲等多個(gè)方面。
圖 AlON 透明陶瓷 （直徑100mm×5mm），來源：上海硅酸鹽研究所
9.?氧化鋯透明陶瓷（YSZ）
釔穩(wěn)定氧化鋯（YSZ）透明陶瓷在可見光波段的折射率接近2.16，遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的光學(xué)玻璃和光學(xué)樹脂（1.5~1.8）。氧化鋯透明陶瓷在可見光和中紅外波段具有良好的透過率，耐磨損、耐酸堿腐蝕、耐雨水侵蝕，透明氧化鋯陶瓷主要運(yùn)用在紅外窗口材料、高溫窗口材料、棱鏡、多晶氧化鋯飾品、雷達(dá)天線罩和紅外線整流罩等領(lǐng)域。1986年，第一塊氧化鋯透明塊陶瓷是由來自日本的東洋曹達(dá)工業(yè)株式會(huì)社（現(xiàn)為東曹株式會(huì)社）的Koji Tsukuma，通過傳統(tǒng)陶瓷成型方式，300MPa冷等靜壓后在1450~1630℃空氣氣氛下燒結(jié)7~15小時(shí)后，再在1500℃和100MPa壓力及氬氣氣氛下熱等靜壓（HIP），1200℃退火后而得到的透明氧化鋯陶瓷。
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2、散熱器件：半導(dǎo)體制冷片（TEC）、IGBT散熱器（銅、鋁）、大功率晶體管散熱器、通信基站散熱殼體、液態(tài)金屬散熱器、插針式散熱器等;
3、設(shè)備：壓延機(jī)、涂布機(jī)、分條機(jī)、模切機(jī)、復(fù)卷機(jī)、切片機(jī)，CNC設(shè)備、壓鑄/沖壓設(shè)備、熱分析儀器、激光導(dǎo)熱儀、導(dǎo)熱系數(shù)儀、強(qiáng)度試驗(yàn)機(jī)、檢測設(shè)備、自動(dòng)化等。
三、功率半導(dǎo)體器件封裝產(chǎn)業(yè)鏈：
1、材料：碳化硅，陶瓷襯板（DBC、AMB）、封裝管殼、鍵合絲、散熱基板（銅、鋁碳化硅AlSiC）、導(dǎo)熱硅凝膠、環(huán)氧灌封膠、焊料（預(yù)制焊片）、銀膜/銀膏、散熱器（銅、鋁）、功率引出端子（銅端子）、外殼（工程塑料PPS、PBT、高溫尼龍）、清洗劑等；
2、設(shè)備及配件：真空焊接爐、貼片機(jī)、固晶機(jī)、引線鍵合機(jī)、X-ray、推拉力測試機(jī)、等離子清洗設(shè)備、點(diǎn)膠機(jī)、絲網(wǎng)印刷機(jī)、超聲波掃描設(shè)備、動(dòng)靜態(tài)測試機(jī)、點(diǎn)/灌膠機(jī)、銀燒結(jié)設(shè)備、垂直固化爐、甲酸真空共晶爐、自動(dòng)封蓋設(shè)備、高速插針機(jī)、彎折設(shè)備、超聲波焊接機(jī)、視覺檢測設(shè)備、推拉力測試機(jī)、高低溫沖擊設(shè)備、功率循環(huán)測試設(shè)備、打標(biāo)機(jī)、檢驗(yàn)平臺(tái)、治具等；
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