透明陶瓷是一种利用陶瓷材料光学性质的新型陶瓷，除具有传统陶瓷的典型特性外，兼具玻璃的光学特性。目前，氧化铝透明陶瓷已经被广泛应用于高压钠灯、陶瓷金卤灯的发光灯管、LED用封装基片以及高温红外探测窗口等。但是基于α-Al₂O₃的本征性质，即六方晶系的晶界双折射问题，氧化铝透明陶瓷的直线透过率一般较低，通常为30%以下，如何提高氧化铝陶瓷的透过率一直是一个难题。

目前提升氧化铝陶瓷透过率的主流方法有两种：

1.减少晶粒尺寸。通常当氧化铝陶瓷的晶粒尺寸小于光波长时，自身的双折射效应会被减弱，使陶瓷的透过率大大提升。不过这种方法并不能本质上解决晶界的双折射问题，陶瓷透过率在紫外光波长范围内也会急速下降；

2.构造晶粒定向。例如将氧化铝陶瓷浆料置于强磁场中，利用氧化铝不同取向磁化系数的差异，使陶瓷粉体在磁场作用下发生扭转，让陶瓷粉体在单一方向达成定向排布，并最终经过烧结制备具有晶粒定向结构的陶瓷，光沿晶粒定向通过陶瓷时就不会发生折射，使陶瓷透过率大幅提升。但是强磁场只能在小模具中得以实现，并且强磁场对实验设备要求较高，难以实现大尺寸透明陶瓷的制备和大规模的生产。

因此，需要进一步探索更简单的调控氧化铝陶瓷晶粒性质以提升其透过率的制备方法。

类单晶结构透明陶瓷的发展历程

受磁场定向所制备的陶瓷透过率大幅提升的启发，曾有研究者采用片状氧化铝粉借助热压烧结制备出了接近了类单晶结构的氧化铝透明陶瓷，陶瓷透过率提升至65.4%，陶瓷透过率较磁场定向所制备的透过率仍有差距的原因是陶瓷的密度与取向度并不足够高，但也为提高氧化铝透明陶瓷透过率提出了新思路。

除了多晶透明氧化铝陶瓷，也有人借助固态单晶转化法(solid-state single-crystal conversion)将多晶陶瓷转化为单晶态，以此得到具有优异光学和力学性能的蓝宝石单晶。固态单晶转化法利用了多晶中晶粒异常长大的现象，因此该方法不需要昂贵的设备，采用的设备即为传统陶瓷制造设备。从理论上讲，在多晶体中，一个大晶粒或种子晶体会吞并所有其它晶粒，多晶体最终就会变成一个单晶体。对于单晶的固态转换，多晶的晶粒生长必须被抑制（或最小化），而种子晶体的生长必须在不受基质晶粒影响的情况下发生。因此，多晶的微观结构控制至关重要。

总而言之，随着半个多世纪的发展，氧化铝透明陶瓷的光学性能和力学性能都有了很大幅度的提升，晶粒结构逐渐趋于细小均匀和织构化，其中类单晶结构氧化铝透明陶瓷具有广阔的应用前景，对于织构化氧化铝透明陶瓷的制备有待深入研究。

类单晶结构陶瓷的织构化技术

陶瓷的性能除了受本身晶体结构的影响外，同时也受到微观结构的影响，陶瓷的微观结构主要包括晶粒、晶界和气孔三部分。其中，晶粒的尺寸及分布、排布方式和堆积密度等对陶瓷性能影响最大。陶瓷内的晶粒大多都是无序排布，这也就导致多晶体的性质一般为各向同性，各向同性的结构会使得“性能平均化”，无法单独呈现某个晶面的性质，即在特定方向将某项性质最大化。

因此，如果能采用一些微结构调控手段，使陶瓷晶粒沿着某些特定方向进行规则排列或在这些方向上出现取向几率增大，就可以大幅度提高陶瓷性能，故织构化陶瓷，即类单晶结构陶瓷的制备成为人们研究的热点。

目前，制备织构化陶瓷最常用的方法包括机械力学成型法和晶粒定向生长法。

1.机械力学成型法

机械力学成型法是在材料制备过程中通过施加外力来促使晶粒取向的方法，包括热压、热锻、热轧和冷轧等。其中热加工技术是最早实现应用的织构化技术，主要通过在高温烧结或热处理过程中施加单轴压力使晶粒定向来制备织构化结构。

对于陶瓷而言，单轴压力可导致晶粒扭转和择优取向生长，同时，外界压力也能促进陶瓷的致密化和降低陶瓷烧结温度。

陶瓷热压烧结

对于属于六方晶系的陶瓷材料，晶粒通常呈板片状或棒状，很容易在热加工过程中通过晶粒扭转形成织构化结构。α-Al₂O₃和h-BN等倾向于沿a、b轴方向生长，所以c轴容易平行于压力方向排布，即形成c轴取向的板片状织构化结构。

板状氧化铝结构

热加工是一种简单有效的织构化陶瓷的制备方法，所制备陶瓷的织构化程度可以达到90%以上，虽不能实现准立方晶体的织构化，但适用于氧化铝陶瓷，不过热加工过程很容易引入缺陷，影响陶瓷性能。

2.模板晶粒生长法

模板晶粒生长法是一种通过在基体晶粒中加入模板晶粒来诱导晶粒定向制备织构陶瓷的方法。模板晶粒一般具有不规则的形状，如板片状、棒状等。

首先将模板晶粒分散到基体（等轴晶）中，然后通过流延成型或者挤出成型等方式将模板定向均匀分布在基体晶粒中，得到陶瓷素坯。素坯干燥、排胶之后会进行烧结，一般会选用压力烧结或者无压的液相烧结来促进定向生长，烧结过程中在界面曲率驱动力和粉体表面自由能的推动下，基体在模板上沿模板方向生长，从而使得陶瓷晶粒实现定向排列。

模板晶粒生长法可根据模板晶粒与基体晶粒在组成上的不同，分为同质模板晶粒生长法和异质模板晶粒生长法，同质模板晶粒生长法中模板晶粒与基体晶粒为同种材料，大晶粒在生长过程中吞并小晶粒；异质模板晶粒生长法中模板晶粒与基体晶粒为异种材料，但两者具有相近的晶体结构，由于晶格匹配，基体晶粒的成核可以发生在模板表面，并以异质外延的方式生长，随着基体晶粒的生长，基体晶粒的形貌与模板趋于相同，从而得到具有织构化结构的陶瓷。

通过（a）挤出和（b）流延成型制备含定向晶种的陶瓷

模板晶粒生长法制备过程简单高效，已经广泛的应用于多种体系的织构化陶瓷制备中，不过与仅使用等轴晶相比，其致密化过程受到抑制，难以制备完全致密的陶瓷。

3.反应模板晶粒生长法

反应模板晶粒生长法是在模板晶粒生长法基础上发展起来的一种织构化陶瓷制备方法，与模板晶粒生长法不同，反应模板晶粒生长法的模板一般为产物的某种前驱体，在烧结过程中不仅起到定向的作用，还需参与化学反应。首先将模板定向地排布在原料粉中，在烧结过程中，模板与原料粉反应生成的最终产物，产物晶粒定向在模板上成核生长，并最终形成具有织构化结构的陶瓷。

这种方法的模板的选择更为广阔，但是由于烧结过程中同时完成反应烧结与晶粒定向生长两个过程，因此一般反应模板晶粒生长法制备的陶瓷坯体的体积收缩率比较大。

4.其它织构化技术

除了上诉的一些织构化制备技术，还有一些新型的织构化技术受到越来越多的关注，比如冷冻铸造和激光快速固化技术等。

冷冻铸造：将陶瓷浆料在受控的温度梯度下单向冷冻，然后通过升华除去溶剂，这样就形成了由陶瓷颗粒组成的层状多孔支架，支架的结构可通过控制溶剂的冷冻动力学来调节，通过后续的烧结过程即可制备得到具有片层型织构化的陶瓷。冷冻铸造过程中由于溶剂的升华所残留的孔隙一般较多，在后续的烧结过程中也很难致密，所以冷冻铸造一般用于多孔陶瓷的制备。

冷冻铸造过程示意图

激光快速固化技术：这种方法可以在几分钟的时间内在材料表面形成数层织构化结构，不过目前激光快速固化技术仍处于探索阶段，固化深度有限，多用于对材料的表面修饰，难以制备具有完全织构化结构的整块陶瓷。

激光快速固化制备的陶瓷显微结构示意图

总结

织构化陶瓷具有明显的各向异性，在特定方向具有较高的强度和韧性。由于光子散射的各向异性，沿晶粒取向方向的透过率也高于垂直于晶粒取向方向的透过率，目前基于织构化技术制备透明陶瓷是一种值得研究的方向，而透明陶瓷对致密度要求较高，如何进一步提升织构化陶瓷的致密度是其关键。

参考来源:

类单晶结构氧化铝透明陶瓷的形成机制及制备，陈晗（中国科学院上海硅酸盐研究所）。

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