研制透光陶瓷都攻克了哪些技术难关

喜欢蟋蟀的少年朋友都知道，蟋蟀习惯于生活在阴暗和潮湿的环境之中，所以，一旦捉到蟋蟀，就应将它们饲养在瓦盆内。之所以这么做，其中有一个原因就是瓦盆不透光。陶瓷的生产工艺比瓦盆要复杂得多，因此，它的透光性也就比瓦盆要差好多好多。

近三四十年来，陶瓷专家经过长期的研究，已开发出一批能透光的先进陶瓷。

20世纪50年代的某一天，有位陶瓷专家和他的助手们正在实验室里为研制透明陶瓷而勤奋地工作着。当一位助手从炉内取出一片烧制好的陶瓷样品时，稍一疏忽，那一小片样品正好落在实验桌上一本翻开的书上。这时，令人惊喜的事情发生了：透过陶瓷样品，书上的文字清晰可见。这本来就是他们实验的最后目的。经过无数次失败，现在终于研制成功了。年轻的助手们怎能不欢呼雀跃！他们一边把帽子抛向天空，一边呼喊着：“成功了！成功了！”

这时，以治学严谨而著称的陶瓷专家抑制住内心的激动，让助手们通过显微镜验证一下。经过仔细检查，这片陶瓷样品完全合乎规格。在1957年的一次国际会议上，陶瓷专家郑重地向同行们宣布：世界上第一片透光陶瓷诞生了。

那么，从陶瓷罐中漆黑一片到能使陶瓷透光，需要攻克哪些技术难关呢？

陶瓷专家经过悉心研究后发现，陶瓷之所以不透光的主要原因是由于在陶瓷中有许许多多细微的气孔。科学家们曾经做过这样的实验，当一束光线照射到陶瓷表面时，由于陶瓷中的微小气孔对光线具有极强的散射能力，致使大部分光线分散到四面八方，最后被陶瓷所吸收。这就意味着，微小气孔是光线通过陶瓷的“拦路虎”。只有赶走这只“拦路虎”，才能使光线在陶瓷中畅通无阻。

为了赶走微气孔这只“拦路虎”，陶瓷专家和助手们主要采取了以下技术措施：

第一，选用上好的原料。烧制陶瓷所用的原材料，它们的纯度和细度都相当高，而且颗粒十分均匀。经检测表明，原料的纯度为99.99%，平均颗粒的尺寸为0.3微米，太大太小的颗粒一概去除。

第二，控制陶瓷结晶的形成速率。在透光陶瓷研制过程中，科学家们减缓了陶瓷结晶过程中晶粒的形成速度。由于晶粒的缓慢挤压，进而将微气孔彻底赶跑。

第三，形成真空条件。为了在陶瓷体中不存在气孔，要减少加热炉中的气体，能抽成真空当然更好。这是因为，在加热炉中几乎没有气体，所以，这就等于隔绝了陶瓷中形成微气孔的源头。

透光陶瓷用于军事工业，主要是在导弹方面大显身手。

少年朋友，特别是男性少年朋友大都喜欢阅读有关现代武器装备的书籍和文章。大家都知道响尾蛇导弹具有跟踪目标的本领吧！

的确，响尾蛇导弹的这种本领是向响尾蛇学来的。动物学家告诉我们：在响尾蛇眼与鼻孔之间有一个凹陷的“颊窝”，在这一“颊窝”内有一层薄膜，在薄膜上布满着神经末梢和一种叫绒粒体的细胞器，这一细胞器能随着温度的变化而膨胀和收缩，周围温度只要有千分之一度的微妙变化，它就能感觉出来。在漆黑的夜间，响尾蛇之所以能出其不意地发起攻击，像闪电般地吞食田鼠，靠的就是这一个灵敏的细胞器。

军事科学家从响尾蛇捕食那儿得到启示，只要在导弹头部安装一个灵敏的感受器，不就可以自动引向目标了吗？于是，军事科学家为导弹头部设计并研制了一个红外线探测器，这一探测器的任务就是发现、捕获从敌机那儿辐射出来的哪怕是极其微弱的红外线，对于敌机发动机喷射出来的高温燃气，那当然更不在话下。不过，为了抵挡导弹飞行过程中的高速气流以及雨雪的冲刷，在导弹头部的探测器上，需要有一个防护罩，这个防护罩要有足够的强度和硬度。那是因为，高速飞行过程的导弹，它头部的表面温度可超过几千摄氏度。这就是说，对防护罩材料的要求之一，必须能够耐超高温。

研究、比较表明，能承担这一任务的非透光陶瓷莫属。只有它，最适合于制造响尾蛇导弹头部探测器的防护罩。

本世纪30年代初，人们就已经获悉：利用钠蒸气放电可以获得一种高效率的光源。但是，由于当时各方面条件的限制，一种新颖的灯具无法进入实用阶段。这是因为，钠蒸气放电会产生超过1000℃的高温，在本书第一章中，我们已经谈到，钠是一种非常活泼的金属，它有很强的腐蚀性，而用玻璃制成的灯管又过不了高温关，由于一时找不到一种两全齐美（既耐高温又不怕腐蚀）的合适的灯管材料，因此，研制高压钠灯的计划只好搁浅。

1957年，世界上第一块透光（又称透明）陶瓷的问世，使研制高压钠灯的计划才得以实施。研究表明，透光陶瓷的熔点高达2050℃，而且在1600℃的环境下能不受钠蒸气的腐蚀，它又可以通过95%的光线。具备了这些条件，真可谓是“万事齐全，只欠东风。”经过有关科学家的努力，高压钠灯终于在1960年呱呱坠地，后经过不断改进，得到了实际应用。

我们说高压钠灯是一种发光效率很高的电光源，让我们与其他一些灯具进行比较。经测试表明，普通白炽灯的发光效率只有10流明/瓦，高压汞灯的发光效率为50～60流明/瓦，而高压钠灯的发光效率高达110～120流明/瓦。这就是说，在同样功率的情况下，一盏高压钠灯能抵两盏高压汞灯用，而且光色柔和、银白。在高压钠灯下看物体清晰，不刺眼。对于河道纵横交错的地区以及沿海城市来说，这种新颖灯具更具有特殊的吸引力——高压钠灯的光线能透过浓雾而不被散射，因此，作为汽车的前灯特别合适。

还值得一提的是，高压钠灯的平均寿命长达1～2万小时，比高压汞灯的寿命长两倍，比普通白炽灯高10倍以上，是目前使用寿命最长的灯。

除了可研制高压钠灯以外，透光陶瓷还适用于研制其他新颖灯具，例如钾灯、铷灯、铯灯以及金属卤化物灯等。

夏日，骄阳似火，要是戴上一副墨镜，就舒服多了。是的，强烈的阳光，会使你睁不开眼。假如你正好从焊接工人身旁走过，而他正在那儿焊接刚刚安装起来的人行天桥的扶手，这时，当你的眼晴受到电弧强光的刺激后，会一时看不清周围的东西。如果戴着墨镜，电弧的强光对你的眼睛就不会造成什么干扰了。电焊工人在操作时，都要戴上面罩，这种面罩的作用与墨镜大体相似。现在已经很清楚，墨镜有养目和避免强光线刺眼的作用。

说到强烈光对眼睛的刺激，当原子弹爆炸时，情况就更严重了——强烈的光辐射会使人看不清东西，甚至变得寸步难行。但是，核试验工作人员重任在肩，他们必须注视着原子弹爆炸的全过程。而在爆炸着的准备阶段，他们又有许多事情要做。那时，又不能戴着墨镜操作。从按下按钮——原子弹爆炸——到出现光辐射，总共不过3秒钟时间。这就是说，等原子弹引爆之后再戴墨镜，显然是来不及了。

我们罗嗦了这么多，归纳起来，就是一句话：在军事国防上，在工业战线上，在日常生活中，人们迫切需要有一种能自动调光的护目镜。这种护目镜在遇到强光时能自动迅速变暗，当危险光消失后，又能恢复到原来的明亮状态。现在，有了透光陶瓷，人们便可梦想成真了：有一种透光陶瓷能透光、耐高温、耐腐蚀、强度高。讲得形象一点，在陶瓷护目镜的镜片中，有一套自动化关闭、开启系统。有了这种新颖护目镜，电焊工人在操作时，就不必一手拿着面罩，一手拿着焊枪——进行电焊时，把面罩戴上；电焊一结束，再拿下面罩。有了这种护目镜，核试验工作人员就可以戴着它进行核爆炸前的各项准备工作了。

墨镜家族中的这位新成员，为需要在强光下工作的人们带来了福音。

这个问题比较复杂，釉面结晶有人工结晶和天然结晶，人工结晶是在烧窑过程中多温度下降的控制，右面里面的物质有序排列，天然结晶是由于长时间约200年以上，瓷器有面的物质自然排列，它的特点就是无序排列，这就是瓷器釉面泛结晶的问题。谢谢

这三个问题比较复杂，主要是因为你这个“电子陶瓷”的范围大了点。应该分情况来看。

1、陶瓷的烧结过程同时发生着物理及化学变化，主要的内容是“结晶”及“晶粒生长”。功能性的陶瓷一般来说其晶粒有一种固定的结构，所谓的化学变化就是让不同的原材料混在一起通过加热，使之“跑”到相应的位置(晶体结构的位置)上。而晶粒会通过“液相传质”及“固相传质”而生长，同时消耗掉周边的原材料或小晶粒，这就是烧结中所发生的物理变化。

2、陶瓷的煤结方法会根据不同的需要采取不同的烧结曲线(有些需要控制气氛)，烧结的推动力就是促使晶粒萌发及生长的推动力。也就是影响烧结速率的因素。一般地来说，起始晶粒越小，它的生长能力越强，晶粒所处的晶界的边数越不接近六边，其生长能力越强(也就是说六边的是比较稳定的，生长能力不强)，当然具体还要看陶瓷的主体结构和具体的配方。

所以烧结的推动力，一是尽量细小的起始粒度，二是高的温度，三是长的保温时间，再有就是添加剂的加入，促使其在烧结过程中液相传质增多，从而加快晶粒的生长。

3、活性是一个模糊概念，就是指材料发生化学反应及物理反应的能力。其影响因素有很多，如平均粒度、预烧温度(邓烧温度高了对粉体的活性有一定的破坏)、杂质的含量、氧化度(一般的陶瓷都是氧化物，所以氧化度影响很重要)……

活性好，反应就容易发生，烧结需要的温度可以低一点，保温时间可以短一点。但是活性太好了，反应特别容易发生，一旦过头了，就会产生“二次再结晶”(也就是说晶粒尺寸超过了我们想要的尺寸)而使陶瓷的性能恶化，所以反应活性必须控制恰当。

1、在高温下，陶瓷生坯固体颗粒的相互键联，晶粒长大，空隙(气孔)和晶界渐趋减少，通过物质的传递，其总体积收缩，密度增加，最后成为具有某种显微结构的致密多晶烧结体，这种现象称为烧结。 2、制取无机固体材料的一种过程。在利用固相反应制备无机固体化合物时，反应的速率由扩散过程控制，常常需要较高的温度才能使反应有效地进行。另外一些固体化合物是固液相组成的化合物，在熔化时会发生分解反应，故烧结一般应在产物熔点以下进行，以保证得到均匀的物相。但是烧结温度也不能太低，否则会使固相反应的速率太低。在很多情况下，烧结需要在特定的气氛或真空中进行。控制烧结过程的气相分压非常重要，特别是当研究的体系中含有价态可变的离子时，固相反应的气相分压将直接影响到产物的组成和结构。例如，在铜系氧化物高温超导体的合成中，烧结过程必须在严格控制氧分压，以保证得到具有确定结构、组成和铜价态分布的超导材料。 3、是聚四氟乙烯（PTFE）加工过程中的一个重要步骤。聚四氟乙烯预成型品必须通过烧结才能成为有用的制品。烧结是将预成型品加热至熔点（327℃）以上，并在此温度下保持一定时间，使聚合物分子由结晶形逐渐转变为无定型，使分散的树脂颗粒通过相互熔融扩散黏结成一个连续的整体。烧结全的预成型品由透明胶状体冷却成坚固的乳白色的不透明制品。 1、烧结 sintering 粉末或压坯在低于主要组分熔点的温度下的热处理，目的在于通过颗粒间的冶金结合以提高其强度。 2、填料 packing material 在预烧或烧结过程中为了起分隔和保护作用而将压坯埋入其中的一种材料。 3、预烧 presintering 在低于最终烧结温度的温度下对压坯的加热处理。 4、加压烧结 pressure 在烧结同时施加单轴向压力的烧结工艺。 5、松装烧结 loose-powder sintering,gravity sintering 粉末未经压制直接进行的烧结。 6、液相烧结 liquid-phase sintering 至少具有两种组分的粉末或压坯在形成一种液相的状态下烧结。 7、过烧 oversintering 烧结温度过高和（或）烧结时间过长致使产品最终性能恶化的烧结。 8、欠烧 undersintering 烧结温度过低和（或）烧结时间过短致使产品未达到所需性能的烧结。 9、熔渗 infiltration 用熔点比制品熔点低的金属或合金在熔融状态下充填未烧结的或烧结的制品内的孔隙的工艺方法。 10、脱蜡 dewaxing,burn-off 用加热排出压坯中的有机添加剂（粘结剂或润滑剂）。 11、网带炉 mesh belt furnace 一般由马弗保护的网带将零件实现炉内连续输送的烧结炉。 12、步进梁式炉 walking-beam furnace 通过步进梁系统将放置于烧结盘中的零件在炉内进行传送的烧结炉。 13、推杆式炉 pusher furnace 将零件装入烧舟中，通过推进系统将零件在炉内进行传送的烧结炉。 14、烧结颈形成 neck formation 烧结时在颗粒间形成颈状的联结。 15、起泡 blistering 由于气体剧烈排出，在烧结件表面形成鼓泡的现象。 16、发汗 sweating 压坯加热处理时液相渗出的现象。 17、烧结壳 sinter skin 烧结时，烧结件上形成的一种表面层，其性能不同于产品内部。 18、相对密度 relative density 多孔体的密度与无孔状态下同一成分材料的密度之比，以百分率表示。 19、径向压溃密度 radial crushing strength 通过施加径向压力测定的烧结圆筒试样的破裂强度。 20、孔隙度 porosity 多孔体中所有孔隙的体积与总体积之比。 21、扩散孔隙 diffusion porosity 由于柯肯达尔效应导致的一种组元物质扩散到另一组元中形成的孔隙。 22、孔径分布 pore size distribution 材料中存在的各级孔径按数量或体积计算的百分率。 23、表观硬度 apparent hardness 在规定条件下测定的烧结材料的硬度，它包括了孔隙的影响。 24、实体硬度 solid hardness 在规定条件下测定的烧结材料的某一相或颗粒或某一区域的硬度，它排除了孔隙的影响。 25、起泡压力 bubble-point pressure 迫使气体通过液体浸渍的制品产生第一气泡所需的最小的压力。 26、流体透过性 fluid permeability 在规定条件下测定的在单位时间内液体或气体通过多孔体的数量。

作为用于卫生洁具的陶瓷坯体的重要特性，可以提及材料的强度、抗热冲击性和耐腐蚀性。此外，由于陶瓷制品是根据其本身的致密方法通过将粉末材料处理成一定的状态，采用与产品形状相适配的加压方法将其加压，而后对其进行烧结而形成的，因此除了上述特性以外，材料在装料至烧成过程中所具备的特性也是重要的。在该过程中所具备的特性包括加压阶段的强度(由于在陶瓷的加压过程中通常采用水作为加压助剂，故在本说明书中称为湿强度)、加压后完成干燥处理以后材料的强度(称为干强度)、干燥过程中的收缩(称为干收缩)和烧结过程中的收缩(称为烧结收缩)，以及由于烧结过程中材料的软化而造成的变形(烧结变形)。在这些特性中，由于在高温下烧结的陶瓷材料具有优越的耐腐蚀性，因此耐腐蚀性在陶瓷材料的一般运用中不是一个特别的问题。

陶瓷材料的这些特性在各对特性之间具有相互叠加或相互减弱的关系，因此在改进所有这些特性时存在技术上的困难，因此现有技术中存在下列问题(1)增强方法和材料的抗热冲击性陶瓷坯体的强度随不同的情况而变化，采用瓷石、长石和粘土作为主要原料并将其致密烧结而制成的坯体(下文称为玻璃质坯体)具有40-80Mpa的抗弯强度。

这种玻璃质坯体由结晶相和玻璃相组成，该结晶相含有石英和莫来石，结晶相中的石英原存在于原料中而莫来石是在烧结过程中由主要是硅酸铝矿物的二氧化硅和三氧化二铝成分沉积而成。该玻璃相是由主要由硅酸盐玻璃形成，该硅酸盐玻璃主要包括二氧化硅，并且含有碱金属或碱土金属氧化物。

另一方面，在最近几年，人们在坯体中采用刚玉来代替石英以提高强度，用这种高强度陶瓷坯体来代替玻璃质坯体。这种坯体也称为氧化铝瓷并应用到餐具、绝缘体或其类似物上。

举例来说，公开在日本专利公开41-14914、43-19866、2-40015和7-68061和日本延迟专利公开6-232970中的运用是已知的。

在日本专利公开41-14914中公开的陶瓷坯体具有35-75％的晶相比例，该结晶相包括方石英、石英和莫来石；公开于日本专利公开43-19866中的坯体是通过将方石英、氧化铝和莫来石加入到原始坯体的结晶相中而形成的；公开于日本专利公开2-40015和日本专利公开7-68061中的那些坯体的结晶比例为40％以上，并且结晶相含有刚玉、莫来石、方石英和石英，而且所有成分均能增加陶瓷强度且降低烧结变形。另外，日本延迟专利公开6-232970公开了将氧化铝瓷用于卫生洁具。

氧化铝瓷的抗弯强度为150-300MPa，因此可以使玻璃质坯体的强度增加不低于两倍。该增强的原理如下所说。

对于玻璃质坯体来说，由于在烧结过程的冷却工艺中产生的应力，坯体中石英和玻璃相之间存在的很大的热膨胀系数差会造成在石英附近形成微裂纹。这些微裂纹的存在降低了原始强度。

与其相反，对于氧化铝瓷来说，由于石英被刚玉代替，故微裂纹的量会下降并且提高了强度。

另外，由于比石英更小和更强的刚玉颗粒的均匀分散在坯体中，故其防止了由于应力破裂而造成的裂纹继续发展，从而进一步提高了强度。

这种氧化铝瓷具有优异的强度性能，但当用于与玻璃质坯体相同的情况下时，就会出现下列问题。

虽然如上所述存在许多微裂纹，但玻璃质坯体在抗热冲击性方面是优异的，这是因为这些微裂纹使由于热冲击而造成的应力松弛。

另一方面，采用常规的氧化铝瓷，由于如上所述其微裂纹较少，其抗热冲击性下降，并且特别是对于大型制品如卫生洁具来说，就会出现制品在烧结过程的冷却工艺中发生破裂的问题。

除此以外，采用常规的氧化铝瓷，由于加入的氧化铝的量增加以增强坯体，坯体中结晶相的比例高于玻璃质坯体中的。但是由于较高的结晶相比例，原料颗粒的熔融量下降，这就改变了用于进一步烧结的玻璃相，结果使烧结过程变次。

因此，需要在比玻璃质坯体更高的烧结温度下进行烧结，但是从烧结成本上来考虑，在较低温度下烧结是更为合适的，而且采用与玻璃质坯体相同的烧结温度有利于在与玻璃质坯体相同的生产设备上进行烧结。

另一方面，为了在较低的温度下烧结氧化铝坯体，还需要进行增加作为烧结助剂的氧化钠或氧化钾、以加快原料的玻璃化的方法，以及将原料粉末粉碎的方法。

但是在增加烧结助剂的情况下，由于坯体中玻璃化原料在烧结过程中的粘度下降，因应力如烧结过程中的静重而造成的坯体烧结变形量将会增加，结果使产品制造过程中的变形量增加。

如上所述，常规的氧化铝陶瓷存在抗热冲击性和烧结性能变次的问题。

对于烧结性能变次，可以采用增加烧结助剂的方法或将原料粉末进一步粉碎的方法，但是这样又会出现使坯体烧结变形量增加的新问题。

(2)烧结变形量降低的方法和釉料的匹配陶瓷坯体可以应用到多种产品上。对于民用来说，餐具和卫生洁具是主要的用途，绝缘配件和其它一些是用于商业目的，但通常在这些产品中，并不单独采用陶瓷坯体并且从装饰和使用功能来看应向表面上涂覆釉料。

作为釉料，对于卫生洁具主要采用陶釉。这种陶釉主要由RO2(酸性氧化物，主要是SiO2)、R2O2(两性氧化物，主要是Al2O3)或R2O+RO(碱性氧化物，主要是K2O、Na2O、CaO、ZnO、MgO、BaO和SrO)，如果需要还可以含有乳浊剂，如氧化锆和氧化锡和各种染料，将这种陶釉施加到干坯体上并且在与坯体相同的温度下进行烧结。

如上所说，如果将原料粉末粉碎以降低烧结变形量，则在烧结过程中的变形将降低，但是，与未粉碎的相比，将釉料，如陶釉施加到坯体表面上将会使坯体在烧结过程中用于熔化釉料的起始温度下的收缩增加，从而会导致釉料由于所产生的变形而出现剥离的问题。另外，如果增加烧结助剂的量，则玻璃化的原料的粘度将下降并且烧结过程会快速进行，从而产生类似的问题。

(3)材料的烧结密度和坯体的强度一般说来，采用致密烧结可以使陶瓷材料的强度得到改善。但是，对于类似本发明的主题的部分或大量含有釉料的陶瓷材料来说，随着材料烧结过程的进行，由于材料软化而造成的烧结变形会增加。因此，对于部分或大量含有釉料的陶瓷材料来说，如果将烧结密度限制在较低程度下来使材料的烧结收缩量或烧结变形量降低，则材料的强度也会因此降低。

(4)材料的湿强度、干强度和干收缩材料的湿强度、干强度和干收缩量是产品制造过程中非常重要的特性。特别是在大型产品，如卫生洁具的生产过程中，需要较高的湿强度和干强度。此外，干收缩量优选地应较小，以防止在干燥步骤中出现撕裂。对于常规的陶瓷来说，这些性能还不够，并且考虑到在生产步骤中处理期间产品破碎或类似的强度，就必须超出需要地增加材料的厚度。另外，由于干收缩量较大，必须进行梯度干燥以防止发生撕裂，这样就会出现需要大量时间来干燥的问题。

矿化剂用量少，使用矿化剂时要均匀、掺加量要适当，不宜过多或过少。一般情况下，石膏 掺量范围为2%〜4%，（在1360〜1370T；掺量超过5.3%,因S03和A1203固溶到C2S，使C3S 难以生成，熟料中f-CaO显著增加）；CaF2掺量范围为0.3%〜0.6%，过多时会结晶，反而使液 相黏度增加，不利于C3S的形成，同时还会促使/?-C2S转化成y-C2S。采用复合矿化剂时，提高配料KH值，一般取KH= 0. 94 (立窑），并采用暗火操作法。mineralizer；mineralization agent 矿化剂泛指内生成矿作用中对成矿物质的运移和集中起重要媒介作用的物质。矿化剂可分为单矿化剂和复合矿化剂。加入少量的矿化剂能促进烧结和改善制品某些性能。能促进或控制陶瓷结晶化合物的形成或反应而加入配料中的物质。矿化剂加入量少，但能促进烧结和改善制品某些性能。例如氧化铝陶瓷中加入少量氧化镁为矿化剂，以抑制晶粒异常长大，防止降低抗折强度。能加速结晶化合物的形成，使水泥生料易烧的少量外加剂。加入的矿化剂可以通过与反应物作用而使晶格活化，从而增强反应能力，加速固相反应。岩浆中的挥发组分对岩浆的分异、同化作用以及某些成矿元素的搬运和富集有着重要的影响，故称为矿化剂，亦称挥发份。主要有H2O、F、Cl、B、S、As、C、P等，由于它们的熔点低、挥发性高，特别能与金属元素组成易溶络合物，因而这些金属得以保留在岩浆的残余溶液中并可能富集成矿。

1.外加形核物质，变质剂，中间合金等（如陶瓷颗粒，稀土元素）

2.外加场作用（如，电磁搅拌，超声波处理）

3.固态成型工艺（如等径角道挤压(ECAE)和大比率挤压等）

4.快速冷却技术