传统的透明材料包含玻璃、聚合物和碱金属等，这些透明材料都存在键合强度弱，化学稳定性差等劣势。而单晶无机材料虽然相对传统透明材料拥有更高的强度和稳定性，但其生长过程十分缓慢，制备条件苛刻，因此具备高强度和化学稳定性的透明陶瓷成为一种可靠的替代品。

1976 年制备出的第一块 AlON 透明陶瓷

透明陶瓷的出现始于20世纪50年代，被 Coble成功制备。经过半个多世纪的发展，陶瓷领域的科研工作者们通过改进透明陶瓷的成型与烧结工艺，使得透明陶瓷在力学、光学以及产业化应用方面均取得了巨大进步，在固态激光、光学器件、光电器件、透明陶瓷窗口等领域有着巨大的应用前景。

一、透光率的重要性

既然都被称为“透明陶瓷”了，那么透光率自然是衡量其性能的决定性因素。透光率是指光线穿过材料时的透射比例，通常以百分比表示。它反映了材料透明度的程度，即光线能够穿透材料的程度。透光率高的透明陶瓷可以让更多的光线穿透，对许多应用来说非常重要。如：

l 光学器件：在制造光学透镜、窗户、激光器件等方面，需要透光率高的材料以确保良好的光学性能。

l 医疗器械：在某些医疗设备中，需要透明陶瓷有足够高透光率，才能允许医生或病人观察内部情况。

l 防护用具：透明陶瓷可用于制造防护面罩、眼镜和其他防护用具，透明度和抗冲击性能都很重要。

下图是半透明、介质透明与全透明陶瓷的对比图。对于透明陶瓷，德国Fraunhofer研究所Krell等人严格区分了“透明”与“半透明”两个概念，Krell等人认为只有与物体隔着一定距离而仍然具有良好透明度的陶瓷才是透明陶瓷，否则只能称为半透明陶瓷。

那么到底该怎么提升透明陶瓷的透光率？就需要追本溯源，找到影响透光率的因素是什么。

二、影响透光率的因素

目前，影响透明陶瓷透光度的主要有以下四方面：

1、原料的影响

①原料的晶体结构与缺陷：透明陶瓷的透明性，由晶体结构所决定。晶向不同导致折射率不同，晶界会降低透光率。

②原料的纯度与粒度：杂质的存在会形成光的散射中心，减弱透射光的强度，大大降低透明度。

③原料的分散性：分散均匀的颗粒，能够保障高的烧结活性。研究表明，制备理想的透明陶瓷，除需要高纯度的、颗粒细小的原料，制备过程中不能引入杂质、颗粒应呈等轴状外，颗粒之间还不能产生明显的团聚。

2、烧成工艺

①气体介质：透明陶瓷须在真空、氢气氛等气氛中烧成，以保证气体的排除。气体的正确选择也是保证透明陶瓷拥有高透过率的要素之一。

②烧成温度：透明陶瓷的透明度受烧成温度影响。高的烧结温度利于透明陶瓷中的气孔的排出，进而保证光学透过率。

不同温度下烧结得到的Al₂O₃陶瓷片，随着温度提高，对可见光的透过率增大

③烧结添加剂：添加剂可以控制晶界结构，降低烧结温度，同时有利于气孔的进一步排除，从而有利于得到透光率高的透明陶瓷。

TiO₂/CaO助烧剂共渗热等静压制备的氧化铝透明陶瓷扫描照片

3、微观结构

①陶瓷的晶粒尺寸：透明陶瓷的透光率同样受晶粒的分布和尺寸大小影响。当晶粒尺寸与光波相比拟时，透光率最低，应尽量增大透明陶瓷的晶粒尺寸。但当晶粒过大或发生晶粒的异常长大时，会将气孔包裹在晶粒内，从而大大影响了透过率，同时晶粒过大时会导致材料的强度降低，因而晶粒尺寸不宜过大。

②相组成与晶界结构：透明陶瓷中，相组成不同会导致折射率不同。如在氧化铝中，氧化镁含量高于 0.5mol%时会导致透光率显著降低，因此透明陶瓷要求为纯相。透明陶瓷的显微结构会影响其透光率，特别是晶界。因此，要获得高的透光率，除了晶界薄，光匹配性好外，气孔和位错等缺陷同样要降低。

③气孔率：气孔率是影响透明陶瓷光学透过率的最大因素。在透明陶瓷中，当气孔与晶粒的折射率差最大时，光线的散射也最大。气孔是导致普通陶瓷不透明的原因。因为气孔本身的折射率极低，且会对入射光产生强烈的散射，进而大大降低陶瓷的透明度。

4、表面加工光洁度

透明陶瓷的表面光洁度同样影响其透光率。研磨后具有一定表面光洁度的透明陶瓷的透过率比粗糙陶瓷的透过率高 10%左右，精细抛光后更可达到 80%以上。

但透明陶瓷是硬脆难加工材料，不仅要保证高加工精度、低表面粗糙度和高生产效率，同时更要注重不破坏被加工表面的性能，保持本体表面的完整性。为了减小表面粗糙度和加工变质层深度，并提高加工效率，在超精密抛光之前先进行精密研磨，改善样品的表面粗糙度和平面度。然后采用化学机械抛光去除机械作用加工残留的表面变质损伤层，进一步提高表面质量和精度。

总结

以上是影响透明陶瓷的几大因素，大家也可以通过下方示意图进行直观地理解。

影响陶瓷透明度的因素示意图

①晶界；②气孔；③杂质；④双折射；⑤第二相；⑥表面粗糙度

总之，透光率对于透明陶瓷非常重要，它决定了材料在各种应用中的可行性和效能。通常情况下，制造透明陶瓷的目标之一是尽量提高透光率，以满足特定用途的要求。除此之外，成本控制也至关重要，特别是在商业和工业应用中，只有两个目标都达成，透明陶瓷才能具备足够高的竞争力。因此，如何实现高质量、成本效益高的透明陶瓷制造将是该领域的主要挑战。

资料来源：

李豪伟.基于透明陶瓷的二元光学元件的设计与制作[D].江西:南昌航空大学,2015.DOI:10.7666/d.D687365.

魏光平.透明陶瓷用氮氧化铝粉体材料的制备研究[D].四川:西华大学,2021.

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