新材料概論課件ppt 第6章 光學功能材料

第6章光學功能材料

遼寧石油化工大學機械工程學院金屬材料工程系連景寶主要內容6.1

發(fā)光材料

6.2透明陶瓷6.3

發(fā)光陶瓷

CompanyLogo9.11事件圖片CompanyLogo6.1發(fā)光材料

發(fā)光是將某種方式吸收的能量轉化為光輻射的過程。

熱輻射：任何絕對零度以上的物質都會發(fā)射熱輻射，大多數(shù)位于紅外區(qū)。一般600℃以上會有部分可見光成分。熱輻射基本上只與物體溫度有關，而與物質種類無關。例如：太陽光，白熾燈泡，燒熱的爐膛。CompanyLogo①電能先轉化為熱能；②熱激勵使電子躍遷到高能帶；③電子返回低能帶輻射光子--發(fā)光。CompanyLogo6.1發(fā)光材料6.1.1概述什么是發(fā)光材料？（掌握）是一種能夠把從外界吸收的各種形式的能量轉換為非平衡光輻射的功能材料。CompanyLogo發(fā)光材料的形態(tài)發(fā)光材料的三大特性CompanyLogo發(fā)光材料的發(fā)展歷程CompanyLogo發(fā)光材料的分類CompanyLogo按材料分：CompanyLogo人類有目的地研究發(fā)光現(xiàn)象已有100余年的歷史了，可是，至今卻沒有得出一個普遍而完整的發(fā)光作用機理。下面只簡介兩種常見的發(fā)光模型。A分立中心發(fā)光B復合發(fā)光CompanyLogo

分立中心發(fā)光分立中心發(fā)光是在材料基質中摻雜發(fā)光離子。如典型的發(fā)光物質Al2O3：Cr3+基質為Al2O3發(fā)光中心為Cr3+，Cr3+稱為激活劑。CompanyLogo

發(fā)光的基本過程（掌握）激發(fā)：外部能量使發(fā)光材料中的發(fā)光中心進入激發(fā)態(tài)。發(fā)射：處于激發(fā)態(tài)的發(fā)光中心通過光發(fā)射的方式回到基態(tài)，屬于輻射躍遷。產(chǎn)熱：通過產(chǎn)熱的方式回到基態(tài)，屬于無輻射躍遷。CompanyLogo發(fā)光材料有時還摻雜敏化劑（S），敏化劑（S）吸收激發(fā)能變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)后，把能量傳遞給激活劑，即激發(fā)能從一個中心傳遞到另一個中心，能量傳輸完成后，可以發(fā)生源于A的發(fā)射。CompanyLogo一個常見的例子是燈用熒光粉Ca5(PO4)3F:Sb3+,Mn2+,其中Sb3+敏化Mn2+的發(fā)光。CompanyLogo用于激活劑的陽離子主要有（掌握）①過渡族金屬離子②稀土離子③惰性氣體④主族的一些元素。過渡族金屬離子CompanyLogo稀土離子發(fā)光分兩種情況：①f-f躍遷

由于4fn電子在空間上受到外層5s25p6電子所屏蔽，基質晶體場對能級分裂作用非常小，故在光譜中其發(fā)射躍遷呈窄帶或線狀光譜；②4f-5d躍遷

由于5d軌道較4f軌道容易受到晶體場的影響，其發(fā)光顏色容易隨基質的不同而改變，在發(fā)射光譜中均表現(xiàn)為寬帶。CompanyLogo

復合發(fā)光復合發(fā)光是指電子與空穴復合時輻射出光子而發(fā)光。CompanyLogo

發(fā)光材料的主要性能參數(shù)一般發(fā)光系統(tǒng)主要特性有：①激發(fā)光譜②發(fā)射光譜③色度④熒光壽命⑤余輝⑥光效率……CompanyLogo激發(fā)光譜是指發(fā)光材料在不同波長光的激發(fā)下，該材料的某一發(fā)射光譜線（或譜帶）的強度與激發(fā)波長的關系。CompanyLogo激發(fā)光譜有重要的應用價值，根據(jù)激發(fā)光譜可以確定激發(fā)該發(fā)光材料使其發(fā)光所需要的激發(fā)波長范圍，并可確定某發(fā)射譜線強度最大時的最佳激發(fā)光波長。例如日光燈燈管中水銀蒸氣發(fā)出的紫外線能量的90％集中在254nm，就得選擇激發(fā)光譜峰值在此附近的熒光粉。CompanyLogo發(fā)射光譜是記錄某一特定波長光的激發(fā)下，發(fā)光材料所發(fā)射光的強度隨波長或能量分布的關系。從光譜外形上看，發(fā)射光譜可分為：寬帶譜、窄帶譜和線狀譜。寬帶半寬度約100nm，如CaWO3窄帶半寬度約50nm，如Sr(PO4)3Cl:Eu3+線譜半寬度約0.1nm如GdVO4:Eu3+CompanyLogo色度指發(fā)光的顏色，常用國際照明委員會CIE標準色度學系統(tǒng)的色坐標x、y、z來表示。實驗證明大多數(shù)顏色可以由三種基本顏色以適當?shù)谋壤铣?，一般選紅、綠、藍三種顏色為三基色。CIE坐標：描述熒光粉的相對顏色的技術指標。發(fā)光材料的顏色在商品上主要用所謂色坐標來表示。CompanyLogo熒光壽命為激發(fā)態(tài)的壽命，即電子返回基態(tài)前耽擱在激發(fā)態(tài)時的平均時間。余輝指激發(fā)停止后的發(fā)光，余輝時間不同于熒光壽命。余輝曲線發(fā)光強度隨衰減時間的變化。發(fā)光的衰減律主要包括e指數(shù)衰減律和雙曲線衰減律兩種常見的衰減形式。CompanyLogo發(fā)光材料的一個重要特性是它的發(fā)光持續(xù)時間。依發(fā)光持續(xù)時間，我們可應將發(fā)光區(qū)分為熒光和磷光：①熒光（Fluorescence）：激發(fā)和發(fā)射兩個過程之間的間隙極短，約為<10-8秒。只要光源一離開，熒光就會消失。②磷光（Phosphorescence）：在激發(fā)源離開后，發(fā)光還會持續(xù)較長的時間。CompanyLogo根據(jù)余輝可將發(fā)光材料分為六個范圍：極短余輝<1μs短余輝1~10μs中短余輝10-2~1ms中余輝1~100ms長余輝0.1~1s極長余輝>1sCompanyLogo發(fā)光效率是發(fā)光體的重要物理量。通常有三種表示方法：①量子效率②功率效率③光度效率量子效率是指發(fā)射的光子數(shù)與激發(fā)時的光子數(shù)之比。功率效率是指發(fā)射光的功率與激發(fā)時輸入的光功率之比。CompanyLogo光度效率是指發(fā)射的光通量與激發(fā)時輸入的電功率之比，單位為lm/W。一般激發(fā)光光子的能量總是大于發(fā)射光光子的能量，即使量子效率是100%，也有能量損失，但量子效率就反映不出來，需用功率效率來表示。作為照明發(fā)光材料的應用，總是作用于人眼的，功率效率很高的發(fā)光材料，人眼看起來不一定亮，因此用人眼來衡量發(fā)光器件的功率時，常使用光度效率。CompanyLogo非激活發(fā)光—指由于發(fā)光材料本身的熱歧化作用產(chǎn)生的晶格缺陷引起的發(fā)光。激活發(fā)光—指由于基質晶格中摻入的稀土金屬離子、過渡族金屬離子或其它雜質離子而產(chǎn)生的雜質缺陷引起的發(fā)光。激活劑—摻入的激活物質叫做激活劑。CompanyLogo光致發(fā)光—在紫外光、可見光或紅外光的激發(fā)下使發(fā)光物質產(chǎn)生發(fā)光的現(xiàn)象。陰極射線發(fā)光—在高能電子束的激發(fā)下使發(fā)光物質產(chǎn)生發(fā)光的現(xiàn)象。CompanyLogo電致發(fā)光—在直流或交流電場作用下，依靠電流和電壓的激發(fā)使發(fā)光物質產(chǎn)生發(fā)光的現(xiàn)象。CompanyLogoX射線發(fā)光(Radioluminescence)—指在X射線的激發(fā)下使發(fā)光物質產(chǎn)生發(fā)光的現(xiàn)象。Bi4Ge3O12(BGO)單晶γ-CuI單晶摻Tb3+發(fā)光玻璃CompanyLogo生物發(fā)光-生物體內由于生命過程的變化產(chǎn)生的發(fā)光現(xiàn)象，是一種特殊類型的化學發(fā)光，化學能轉變?yōu)楣饽艿男蕩缀鯙?00%。螢火蟲及魚類的生物發(fā)光等。CompanyLogo6.1.2典型的發(fā)光材料發(fā)光材料一般需要一種基質晶體結構，例如ZnS、CaWO4和Zn2SiO4等，在摻入少量的諸如Mn2+、Sn2+、Pb2+、Eu2+等陽離子。這些陽離子往往是發(fā)光活性中心，稱作激活劑（Activators）。有時還需要摻入第2類型的雜質陽離子，稱作敏化劑（Sensitizer）。CompanyLogo

二元化合物為基質的發(fā)光材料1）IA-VIIA族化合物CsI:[Na]，在CsI中加入NaI熱熔融而成。在X射線激發(fā)下發(fā)出藍色光，峰值位于420nm，對X光有高的吸收率和高發(fā)光效率。CompanyLogo

二元化合物為基質的發(fā)光材料2）IIA-VIA族化合物SrS:Ce3+為電致發(fā)光藍粉；CaS:Eu，Tm被認為是當前實用較廣的紅色長余輝發(fā)光粉，但基質吸濕性強，實際應用受到限制。CompanyLogo3）IIB-VIA族化合物ZnS:Cu，Cl在交流電壓下發(fā)出明亮的綠色，是最成熟和應用最廣的粉末電致發(fā)光材料。

ZnS:Mn發(fā)黃光是唯一的交直流兩用的電致發(fā)光材料。ZnS:RE（RE=Eu，Ce，Tb，Tm，Er、Ho、Nd等）為粉末電致發(fā)光材料，在電場作用下發(fā)出熒光。CompanyLogo4）IIIA-VA族化合物

GaN單晶是用作半導體發(fā)光的基質材料，發(fā)光波長在490nm，可做成藍色發(fā)光器件。

GaAs單晶是用作半導體發(fā)光的基質材料，發(fā)射波長為900nm左右，屬于近紅外區(qū)。GaAs1-xPx單晶是目前廣為應用的半導體發(fā)光材料，根據(jù)As/P的配比的變化發(fā)出不同顏色的光。GaAs0.6P0.4發(fā)紅光，峰值波長為650nm左右。CompanyLogo5）IV-IV族化合物碳化硅（SiC）單晶通過摻雜Al可發(fā)出藍色光，光譜峰值在460nm左右；摻雜B可發(fā)出黃光，光譜峰值在580-590nm之間。CompanyLogo

氧化物及含氧酸鹽為基質的發(fā)光材料1）氧化物Y2O3:Eu為紅光熒光粉、PDP發(fā)光粉、陰極射線發(fā)光材料。在253.7nm紫外光和陰極射線激發(fā)下發(fā)射橙色熒光，發(fā)射光譜為窄帶，主峰波長值為611nm。CompanyLogoCompanyLogo2）鎢酸鹽

CaWO4發(fā)光特征是自激活，來源于鎢酸根陰離子基團。在253.7nm激發(fā)下產(chǎn)生峰值為415nm的藍光。此發(fā)光粉亦可以被X射線、放射線激發(fā)。CompanyLogo3）磷酸鹽3Ca3(PO4)2-Ca(F,Cl)2:Sb,Mn，為白色粉末，相對密度為3.14-3.17。在253.7nm光激發(fā)下，單摻銻產(chǎn)生480nm藍光，同時摻人錳后，藍光受抑制，并產(chǎn)生580nm橙光，可得到從藍白色到橙黃色的一系列不同光色的發(fā)光粉。Hg白光玻璃殼磷光體料涂層185nm254nm

日光燈的構造示意圖

CompanyLogo4）硅酸鹽Zn2SiO4:Mn綠色熒光粉、PDP綠粉、陰極射線發(fā)光粉，在253.7nm紫外光、陰極射線和VUV激發(fā)下發(fā)出綠光，峰值為525nm。CompanyLogo5）鋁酸鹽CeMgAl11O19:Tb綠光熒光粉，在253.7nm紫外光激發(fā)下發(fā)下發(fā)出綠光，峰值為542nm。BaMgAl10O17:Eu藍光熒光粉、PDP藍粉，在253.7nm紫外光激發(fā)下，峰值為450nm。BaAl12O19:Mn綠色熒光粉、PDP綠粉。CompanyLogoSrAl2O4:Eu在253.7nm紫外光或日光激發(fā)下發(fā)出綠光，發(fā)光波長520nm，余輝時間超過2000min。YAG:Ce能被320~365nm紫外光和405~510nm的藍光有效激發(fā)，發(fā)綠-黃-橙黃色光，適當調節(jié)激發(fā)光源與發(fā)光粉的光量（即黃、藍比），可以得到白光。CompanyLogo6）硼酸鹽(YGd)BO3:Eu紅色熒光粉、PDP紅粉。在253.7nm紫外光激發(fā)下發(fā)出紅光，峰值為611nm。CompanyLogo

稀土發(fā)光材料

我國是世界稀土資源最豐富的國家，擁有發(fā)展稀土應用得天獨厚的資源優(yōu)勢。元素周期表中，從原子序數(shù)57-71的15個鑭系元素加鈧和釔共17個稀土元素，無論它們被用作發(fā)光材料的基質部分，還是被用作激活劑、共激活劑、敏化劑或摻雜劑的發(fā)光材料，一般統(tǒng)稱為稀土發(fā)光材料。CompanyLogoCompanyLogo全球稀土資源儲量和產(chǎn)量分布情況CompanyLogo稀土簡介CompanyLogo稀土材料產(chǎn)業(yè)鏈CompanyLogo世界稀土發(fā)光材料的發(fā)展史從1794年發(fā)現(xiàn)釔到1947年從鈾裂變產(chǎn)物中分離得到鈧，17種稀土元素全部被分離出來，整整用了150年的時間。CompanyLogo（1）稀土發(fā)光材料的優(yōu)點及應用1）稀土發(fā)光材料具有許多優(yōu)點（掌握）：①吸收能量的能力強，轉換效率高；②可發(fā)射從紫外光到紅外光的光譜，特別是在可見光區(qū)有很強的發(fā)射能力；③發(fā)光的色純度高；④發(fā)光壽命從納秒跨越到毫秒；⑤物理化學性能穩(wěn)定，耐高溫，能承受大功率電子束、高能輻射和強紫外光作用等。

CompanyLogo2）應用：目前，稀土發(fā)光材料已經(jīng)成為人們日常生活中不可缺少的材料，廣泛地應用于照明設備、彩色電視熒光屏、等離子平板顯示屏（PlasmaDisplayPanel，PDP）、電腦顯示器、X射線增感屏、X射線斷層掃描、閃爍體，稀土三基色熒光燈、太陽能光電轉換、光信息傳遞、激光、輻射場的探測和記錄、光電子器件、農(nóng)業(yè)及軍事等諸多方面。CompanyLogoCompanyLogoCompanyLogo稀土發(fā)光材料應用領域分布CompanyLogo

從目前的應用領域及消費結構看，稀土發(fā)光材料約90%的需求來自于節(jié)能照明及電子信息產(chǎn)業(yè)。目前已形成三大主流產(chǎn)品：節(jié)能燈用稀土發(fā)光材料、顯示器用稀土發(fā)光材料和特種光源用稀土發(fā)光材料。CompanyLogo稀土發(fā)光材料的生產(chǎn)工藝-稀土三基色熒光粉生產(chǎn)工藝流程圖CompanyLogo（2）常見的稀土發(fā)光材料

1）硫化物發(fā)光材料以硫化物為基質的發(fā)光材料是國內外研究最早、最深入、應用最廣泛的發(fā)光材料。種類：CaS:Eu2+，CaS:Ce3+，CaS:(Ce3+,Tb3+)和SrS:(Eu3+,Sm3+)等。優(yōu)點：這類發(fā)光材料合成工藝簡單，成本低廉；缺點：化學穩(wěn)定性差，易潮解，余輝時間短等。CompanyLogo（2）常見的稀土發(fā)光材料

2）氧化物發(fā)光材料以氧化物為基質的發(fā)光材料具有良好的物理化學穩(wěn)定性和較大的禁帶寬度，是發(fā)光材料開發(fā)研究的一種理想的基質材料。摻雜Eu3+離子的Y2O3作為高效的紅色發(fā)光材料，已被廣泛應用于高清晰電視、投影電視、平板電視和綠色照明工程等領域。CompanyLogo3）硫氧化物發(fā)光材料以硫氧化物為基質的發(fā)光材料具有非常高的光吸收與傳能效率，摻雜各種激活離子后具有良好的發(fā)光性能，是一類重要的高性能發(fā)光材料，被廣泛地應用于彩色電視、投影電視的顯像管和熒光屏，等離子體顯示、X射線發(fā)光粉和X-CT等諸多方面。CompanyLogo其中，Eu3+離子摻雜的Y2O2S:Eu3+最具有代表性，它具有發(fā)光亮度高、衰減時間短、穩(wěn)定性好等特點，成為彩色電視顯像管中重要的紅色發(fā)光材料。CompanyLogoGd2O2S:(Pr,Ce,F)陶瓷閃爍體具有X射線轉化效率高、衰減時間短、輻照穩(wěn)定性好等優(yōu)點，適合應用在極快速的X射線成像場合。CompanyLogo4）硅酸鹽發(fā)光材料-Y2SiO5:Eu3+5）鋁酸鹽發(fā)光材料-SrAl2O4:(Eu2+,Dy3+)6）硼酸鹽發(fā)光材料YBO3:Eu3+(Y,Gd)BO3:Eu3+7）磷酸鹽發(fā)光材料-LaPO4:(Ce3+,Tb3+)8）釩酸鹽發(fā)光材料-GdVO4:Eu3+，LaVO4:Eu3+9）鈮酸鹽發(fā)光材料-LnNbO4(Ln=Y,La,Gd,Lu):Re3+(Re=Er,Sm,Tb,Tm)10）鈦酸鹽發(fā)光材料-CaTiO3:Pr3+CompanyLogo稀土發(fā)光材料市場分析伴隨著節(jié)能照明和消費電子產(chǎn)業(yè)的崛起，稀土發(fā)光材料行業(yè)內出現(xiàn)很多新技術新產(chǎn)品，產(chǎn)業(yè)應用出現(xiàn)爆發(fā)式增長，預計到2015年總市場需求量將達1.7萬噸以上。稀土發(fā)光國內市場分析CompanyLogo

無極燈、全光譜燈、白光LED燈等新型照明光源以及信息產(chǎn)業(yè)、醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)等新型領域正在快速發(fā)展，對稀土發(fā)光材料的市場需求將持續(xù)快速增長。稀土發(fā)光材料作為節(jié)能燈生產(chǎn)的基礎原材料，其市場需求將出現(xiàn)快速增長，預計到2015年需要將達1.5萬噸以上。CompanyLogo全球產(chǎn)量分布目前稀土發(fā)光材料研發(fā)和生產(chǎn)主要集中在中國、日本、美國、德國和韓國。我國已經(jīng)成為世界稀土發(fā)光材料第一生產(chǎn)國和第一消費大國，2010年我國稀土發(fā)光材料產(chǎn)量占全球總量的57%。CompanyLogo國外發(fā)光材料產(chǎn)量情況隨著新型平板電腦顯示迅速發(fā)展，液晶顯示的冷陰極燈（CCFL）背光源用熒光粉需求持續(xù)增加；市場集中在國外企業(yè)；全球等離子體顯示（PDP）用熒光粉市場集中在國外企業(yè)，由日本的日亞和三菱化學壟斷。CompanyLogo國內發(fā)光材料產(chǎn)量情況中國在LED熒光粉，CCFL熒光粉和PDP熒光粉全球市場占有率不高，節(jié)能燈用熒光粉的產(chǎn)量逐年遞增。CompanyLogo稀土發(fā)光材料的發(fā)展趨勢

性能提升：不斷提高稀土發(fā)光材料的穩(wěn)定性、發(fā)光效率等性能指標，為節(jié)能照明、LED、PDP等產(chǎn)業(yè)發(fā)展需要提供更優(yōu)質產(chǎn)品。

新材料研究：不斷研究稀土發(fā)光材料新產(chǎn)品，拓寬應用領域。稀土發(fā)光材料具有一般元素所無法比擬的光譜性質，有豐富的電子能級和長壽命激發(fā)態(tài)，可以產(chǎn)生多種多樣的吸收和發(fā)射光譜。CompanyLogo新興應用領域：大力推動稀土發(fā)光材料新興領域的應用發(fā)展，如信息產(chǎn)業(yè)、醫(yī)藥產(chǎn)業(yè)、現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、新能源等產(chǎn)業(yè)用稀土發(fā)光材料應用發(fā)展

環(huán)保：大力開發(fā)新型無汞熒光燈產(chǎn)品及適合無汞要求的稀土發(fā)光材料，同時大力開發(fā)稀土消耗量少的熒光粉，減少稀土資源的消耗。CompanyLogo稀土發(fā)光材料企業(yè)分析CompanyLogoCompanyLogo國內稀土發(fā)光重點企業(yè)CompanyLogo6.1.3發(fā)光材料的典型合成法與表征1.固相法4.表征2.沉淀法3.水熱法CompanyLogo固相法是被普遍采用的稀土發(fā)光材料合成方法，也是目前合成各類稀土發(fā)光材料唯一的工業(yè)化方法。其主要過程是將高純度的原料按一定比例稱重，加入一定量的助熔劑充分混合、磨勻，然后在一定溫度、氣氛和時間條件下進行煅燒從而獲得所需產(chǎn)物。1固相法

CompanyLogo2沉淀法

1）定義沉淀法是利用各種溶解在水中的物質反應生成不溶性的氫氧化物、碳酸鹽和硫酸鹽等前驅體沉淀物，再將此沉淀物進行干燥或煅燒，從而制的相應的納米粒子。CompanyLogo2沉淀法

2）特點沉淀法可以廣泛用來合成單一或復合氧化物的納米粉體，其優(yōu)點是反應過程簡單，成本低，便于推廣和工業(yè)化生產(chǎn)。CompanyLogo3）分類①直接沉淀法直接沉淀法是使溶液中的金屬陽離子直接與沉淀劑（如OH-、CO33-）在一定條件下發(fā)生反應而形成沉淀物，并將原來的陰離子洗去，經(jīng)熱分解得到納米粉體。直接沉淀法操作簡便易行，對設備技術要求不太苛刻，不容易引入其他雜質，有良好的化學計量性，成本較低，合成納米粉體的粒徑分布較寬。CompanyLogo②共沉淀法共沉淀法是在混合的金屬鹽溶液中（含有兩種或兩種以上的金屬離子）加入合適的沉淀劑，反應生成均勻沉淀，沉淀熱分解后得到高純納米粉體材料。在制備過程中完成反應物的反應和摻雜過程，因而得到的納米粉體化學成分均一，粒度小而且均勻。CompanyLogoCompanyLogo③均勻沉淀法均勻沉淀法是指沉淀離子之間并不直接發(fā)生反應，而是通過溶液中發(fā)生的化學反應，緩慢而均勻地在溶液中產(chǎn)生沉淀劑，從而使沉淀在整個溶液中均勻緩慢地析出的沉淀方法。此方法避免了直接添加沉淀劑而產(chǎn)生的體系局部溶度不均勻的現(xiàn)象，從而控制粒子的生長速度，制備粒度均勻的納米粉體。

CompanyLogo常用的沉淀劑有尿素和六甲基四胺尿素的水解反應如下：

硫代乙酰胺的水解反應如下：酸性溶液中堿性溶液中CompanyLogo3水熱法

1）水熱法的概念水熱法（HydrothermalSynthesis），是指在特制的密閉反應器（高壓釜）中，采用水溶液作為反應體系，通過對反應體系加熱、加壓（或自生蒸氣壓），創(chuàng)造一個相對高溫、高壓的反應環(huán)境，使得通常難溶或不溶的物質溶解，并且重結晶而進行無機合成與材料處理的一種有效方法。CompanyLogo2）局限性：該法往往只適用于氧化物或少數(shù)對水不敏感的硫化物的制備，而對其他一些對水敏感的化合物制備不適用。3）特點：高純、超細、粒徑分布窄、顆粒團聚程度輕、晶體生長較完整、工藝相對簡單、粉體燒結活性高。CompanyLogo4）生產(chǎn)設備高壓釜是進行高溫高壓水熱與溶劑熱合成的基本設備，高壓容器一般用特種不銹鋼制成,釜內襯有化學惰性材料，如Pt、Au等貴金屬和聚四氟乙烯等耐酸堿材料。CompanyLogo帶攪拌高壓反應釜裝置圖

CompanyLogo簡易高壓反應釜實物圖

CompanyLogo5）水熱法合成工藝水熱法合成的一般工藝CompanyLogo6）水熱法合成存在的問題①水熱條件下的晶體生長或材料合成需要能夠在高壓下容納高腐蝕性溶劑的反應器，需要能被規(guī)范操作以及在極端溫度壓強條件下可靠的設備。CompanyLogo由于反應條件的特殊性，致使水熱反應相比較其他反應體系而言具有如下缺點：a無法觀察晶體生長和材料合成的過程，不直觀。b設備要求耐高溫高壓的鋼材，耐腐蝕的內襯、技術難度大，溫壓控制嚴格、成本高。c安全性差，加熱時密閉反應釜中流體體積膨脹，能夠產(chǎn)生極大的壓強，存在極大的安全隱患。CompanyLogo②水熱反應的反應機理還有待分析。目前，晶體生長機理的理論體系在某些晶體生長實踐中得到了應用，起到了一定的指導作用。但是，迄今為止，幾乎所有的理論或模型都沒有完整給出晶體結構、缺陷、生長形態(tài)與生長條件四者之間的關系，因此與制備晶體技術研究有較大的距離，在實際應用中存在很大局限性。

CompanyLogo4表征

（1）概述微觀粒子種類很多，用途也很廣。其中人們最熟悉、應用最廣泛的是電子、離子和X射線。其中電子是一種基本粒子，帶負電荷e=1.602×10-19C，靜止質量m0=9.110×10-31kg。CompanyLogo4表征

入射電子與物質相互作用，產(chǎn)生的信息：1）二次電子2）背散射電子：利用二次電子和背散射電子可以制成掃描電子顯微鏡，觀察物質形貌；3）X射線利用X射線可研究物質的結構和成分；4）俄歇電子：利用激發(fā)電子（俄歇電子）、熒光X射線，可制成顯微分析儀器，來進行成分分析；CompanyLogo5）吸收電子：一些電子因碰撞而停止運動；6）透射電子：利用透射電子，可以制成透射電鏡，用以觀察物質內位錯和原子像等；7）陰極發(fā)光：某些物質在高能電子轟擊下，會發(fā)光；8）電動勢：電子打到半導體和絕緣體上時，產(chǎn)生電子空穴對，形成正負電場。CompanyLogo（2）X射線衍射1）X射線由德國物理學家倫琴1895年發(fā)現(xiàn)。2）X射線衍射的基礎就是英國物理學家Bragg父子于1912年導出的Bragg定律，它其實是一種衍射幾何規(guī)律的表達式。n是整數(shù)，稱為反射級數(shù)；λ是入射的X射線波長；θ是入射線或反射線與反射面的夾角，稱掠射角，把2θ稱衍射角CompanyLogo2023/6/499CompanyLogo2dsinθ=λ是X射線在晶體中產(chǎn)生衍射必須滿足的基本條件，反映衍射方向和晶體結構之間的關系，即布拉格方程。CompanyLogoqqoPR

X-rayDiffraction(Braggcondition)qq2d·sinq=lddl/2dsinqlCompanyLogo4）粉末衍射卡（PDF）1942年由美國材料檢驗協(xié)會(ASTM)整理出版一套卡片，約1300張，稱為ASTM卡片。1969年，該協(xié)會與英國、法國、加拿大等國的有關協(xié)會聯(lián)合組成名為<粉末衍射標準聯(lián)合會>（JCPDS）的國際機構，負責PDF卡片的收集、整理、編輯和發(fā)行工作。CompanyLogoPDF卡片所包含的晶體信息較多。哈拉瓦特法（Hanawalt）手工進行檢索的步驟：①在此d值系列中，選出2theatre＜90°、強度最高的三根線的d值，即d1、d2、d3，然后在哈拉瓦特索引手冊中找到相應的d1（最強線的面間距）所在的大組。②在這一大組中，找出與此三條線d1、d2、d3和相對強度都對應的條目。③若滿足②的條目有數(shù)列，再對照八條強線的數(shù)據(jù)，從中找出可能的物相及其卡片號。④按號取出卡片，與實驗得到的d值和I/I1對照。若d值的誤差沒有超過規(guī)定的范圍，強度又基本相當，則物相鑒定完成?，F(xiàn)在一般的XRD檢測儀器都附帶了相應的XRD圖譜檢索軟件，如JADE,Winpdf等。CompanyLogo5）謝樂公式①材料中晶粒尺寸大小，可根據(jù)謝樂公式計算。式中：D是晶粒尺寸；λ是X射線的波長；2θ是衍射角；B是X射線衍射峰半高寬；K是常數(shù)。②使用謝樂公式前應注意的是：需用標準氧化硅或剛玉校準儀器本身對衍射峰的寬化因素；若有峰重疊，需用分峰軟件把單個峰解卷積；計算時一定要用軟件扣除Kα2衍射線對峰的寬化作用。CompanyLogo6）根據(jù)確定的XRD圖譜可以計算晶格常數(shù)，其基本依據(jù)是各類型晶格的晶面間距與晶面指數(shù)是一一對應的。典型晶系的晶面間距的表達式為:

式中，HKL是晶面的米勒指數(shù)；

2θ是XRD圖譜上的衍射角；

λ是X射線的波長；

dhkl為指數(shù)為(hkl)的晶面的面間距。CompanyLogo注意：用標準氧化鋁或剛玉校準儀器本身的位相偏移若有峰重疊，需用分峰軟件把單個峰解卷積；應在很慢的速度下掃描衍射角；采用高能量的X射線；盡量使用高衍射角區(qū)域的數(shù)據(jù)進行計算。CompanyLogo（3）掃描電子顯微鏡分析1）發(fā)展簡史

1935年，掃描電子顯微鏡的設計思想和工作原理被提出來。

1942年，英國首先制成一臺實驗室用掃描電鏡，分辨率差，照相時間長，使用價值不大。

1956年，開始生產(chǎn)商品掃描電鏡。近數(shù)十年來，掃描電鏡已廣泛應用在生物學、醫(yī)學、冶金學等學科的領域中，促進了相關學科的發(fā)展。CompanyLogoJEOL掃描電子顯微鏡CompanyLogo2）工作原理從電子槍陰極發(fā)射出直徑20-30μm的電子束，受到陰陽極之間加速電壓的作用，射向鏡筒，經(jīng)聚光鏡及物鏡的會聚作用，縮小成直徑約幾納米的電子探針。在物鏡上部的掃描線圈的作用下，電子探針在樣品表面作光柵狀掃描并且激發(fā)出多種電信號，這些電信號被相應的檢測器檢測，經(jīng)過放大、轉換、變成電壓信號，最后被送到顯像管的柵極上并且調制顯像管亮度。CompanyLogo3）掃描電子顯微鏡特點①直接觀察樣品表面的結構，樣品尺寸可大至120mm×80mm×50mm。②樣品制備過程簡單，不用切成薄片。③樣品可以在樣品室中作三度空間的平移和旋轉，因此可以從各種角度對樣品進行觀察。④景深大，樣品富有立體感。景深較光學顯微鏡大幾百倍，比透射電鏡大幾十倍。CompanyLogo3）掃描電子顯微鏡特點⑤圖像放大范圍廣，分辨率也比較高。放大倍數(shù)為十幾倍到幾十萬倍，分辨率介于光學顯微鏡和透射電鏡之間，可達3nm。⑥電子束對樣品的損傷與污染程度較小。⑦在觀察形貌的同時，還可以利用樣品發(fā)出的其他信號作微區(qū)成分分析。CompanyLogo（4）透射電子顯微分析透射電子顯微鏡（transmissionelectronmicroscopy,TEM）是把經(jīng)加速和聚集的電子束投射到非常薄的樣品上，電子與樣品中的原子碰撞而改變方向，從而產(chǎn)生立體角散射。通常TEM的分辨率為0.1-0.2nm，放大倍數(shù)為幾萬-百萬倍，用于觀察超微結構（即小于0.2μm）。CompanyLogoCompanyLogo借助于這一成像原理即可觀測樣品的外形輪廓、表面形貌、內部構、晶?；蝾w粒尺寸等。TEM和SAED結合還可以分析微結構的成分、結構等。透射電子顯微鏡在材料科學、生物學上應用較多。由于電子易散射或被物體吸收，故穿透力低，樣品的密度、厚度等都會影響到最后的成像質量，必須制備更薄的超薄切片，通常為50-100nm。CompanyLogo（5）電子衍射分析自20世紀50年代以來，電子顯微鏡發(fā)展很快，在電子顯微鏡中進行選區(qū)衍射、反射和高分辨衍射也是物相分析的重要方法。式中：Lλ為儀器常數(shù)；

λ為電子波長；

d為晶面間距，與r成反比。CompanyLogo6.1.4發(fā)光材料的應用

照明光源CompanyLogo

Hg白光玻璃殼磷光體料涂層185nm254nm

日光燈的構造示意圖發(fā)光材料在照明領域的應用主要是熒光燈。熒光燈粉涂在玻璃管的內側，被管中充滿的低汞放電產(chǎn)生的紫外線激發(fā)而發(fā)出白光。CompanyLogo日光燈是磷光材料的最重要應用之一。激發(fā)源是汞放電產(chǎn)生的紫外光，磷光材料吸收這種紫外光，發(fā)出“白色光”。CompanyLogo

基質Ca5(PO4)3F中摻入Sb3+發(fā)藍熒光，摻入Mn2+后發(fā)桔黃色光，兩者都摻入發(fā)出近似白色光。用氯離子部分取代氟磷灰石中氟離子，可以改變發(fā)射光譜的波長分布，可以獲得較佳的熒光顏色。CompanyLogo某些燈用磷光體

磷光體激活劑顏色Zn2SiO4Mn綠色Y2O3Eu紅色CaMg(SiO3)2透輝石Tl藍色CaSiO3

硅灰石Pb,Mn黃桔色(Sr,Zn)(PO4)2Sn桔色Ca(PO4)2?Ca(Cl,F)2Sn,Mn“白色”CompanyLogo熒光燈發(fā)出的光是一種冷光，這就使得熒光燈的發(fā)光效率大大提高，發(fā)光效率可達白熾燈的1000倍，其使用壽命為白熾燈的10-15倍。大功率緊湊型稀土三基色熒光燈的發(fā)光效率可達100lm/W。CompanyLogo目前商業(yè)用發(fā)光粉為稀土三基色熒光粉，應用較廣泛的是：紅粉為Y2O3:Eu，綠粉為CeMgAl11O19:Tb或(La,Ce,Tb)PO4，藍粉為BaMgAl10O17:Eu。CompanyLogo目前三基色發(fā)光二極管紅（AlGaAs）、藍（InGaN)、綠（InGaN）均已產(chǎn)業(yè)化，在此基礎上出現(xiàn)的白光發(fā)光二極管（WhiteLightEmittingDiode，簡稱白光LED）作為一種新型全固態(tài)照明光源，深受人們的重視。由于其具有節(jié)能、環(huán)保、小型化、長壽命，具有廣闊的應用前景和潛在的市場，被視為21世紀的綠色照明光源。CompanyLogo但在LED領域由紅、藍、綠三基色LED制備的白光照明設備的成本比較高，因此由發(fā)光二極管作為激發(fā)光源在LED芯片上涂發(fā)光材料形成白光LED組合成為當前的一個發(fā)展方向?；谒{光LED，通過黃色熒光粉激發(fā)出黃光，組合成為白光通過紅、綠、藍三種LED組合成為白光基于紫外光LED，通過三基色粉，組合成為白光CompanyLogo白光LED用熒光粉屬于光致發(fā)光熒光粉。根據(jù)目前LED芯片的發(fā)展狀況，LED熒光粉主要有兩大類：一類是適合440-480范圍內的藍光激發(fā)的熒光粉，典型代表是YAG：Ce；另一類是適合360-410范圍內的紫光和紫外光激發(fā)的熒光粉，這是當前研究的熱點。日亞公司1994年首創(chuàng)用MOCVD制備了GaNLEDCompanyLogoLED（Light-EmittingDiode）光發(fā)射二極管CompanyLogoLED大屏幕顯示CompanyLogoLED應用半導體白光照明車內照明、交通信號燈裝飾燈大屏幕全彩色顯示系統(tǒng)太陽能照明系統(tǒng)其他照明領域紫外、藍光激光器高容量藍光DVD、激光打印和顯示、軍事領域等CompanyLogoCompanyLogoLED車燈在上海大眾途朗、安徽奇瑞瑞虎等7個新車型上使用CompanyLogo功率型LED制造的上海通用別克君威概念車燈，正在進行跑車試驗CompanyLogo半導體照明是21世紀最具發(fā)展前景的高技術領域之一地區(qū)＼條件·效益

條件

能源節(jié)約

降低二氧化碳排放

美國

5％白熾燈及55％日光燈被白光LED取代

每年節(jié)省350億美元電費。

每年減少7.55億噸二氧化碳排放量。

日本

100％白熾燈被白光LED取代

可少建1-2座核電廠。

每年節(jié)省10億公升以上的原油消耗。

臺灣

25％白熾燈及100％日光燈被白光LED取代

節(jié)省110億度電，約合1座核電廠發(fā)電量。

CompanyLogo美國半導體照明計劃從2000年起國家投資5億美元到2010年55%的白熾燈和熒光燈被半導體燈取代每年節(jié)電達350億美元2015年形成每年500億美元的半導體照明產(chǎn)業(yè)市場日本21世紀照明計劃投入資金50億日元到2007年30%的白熾燈被置換為半導體照明燈各國和地區(qū)政府計劃CompanyLogo歐盟彩虹計劃應用半導體照明實現(xiàn)：高效節(jié)能不使用有害環(huán)境的材料模擬自然光韓國“固態(tài)”照明計劃2004年-2008年韓國政府計劃投入1億美元，企業(yè)提供30%配套資金；近期開始實施，預計2008年LED的發(fā)光效率達到80lm/WCompanyLogo我國臺灣地區(qū)“次世代照明光源開發(fā)計劃”“國家半導體照明工程”2003年6月啟動：科技部、信息產(chǎn)業(yè)部等8個部門和16家地方政府參與；15家研究機構和50多家企業(yè)。CompanyLogo

我國有近百名專家（兩院院士）聯(lián)名向國務院呼吁，以三峽工程的5%費用，支持我國的半導體照明產(chǎn)業(yè)。國家啟動國家半導體照明工程，用5-10年的時間的努力，1/3照明應用半導體照明，每年可以節(jié)約的電量1000億度，多于一個三峽水電站的發(fā)電量（800億度）中國專家的呼吁CompanyLogo

顯示用發(fā)光材料CompanyLogo發(fā)光材料還廣泛應用于各種顯示器件中，如電視圖像顯示、計算機屏幕顯示、電腦的字符和圖形顯示等。其中CRT熒光粉和彩色PDP使用的熒光粉是主要的顯示發(fā)光材料。CompanyLogo

發(fā)光在探測中的應用高能粒子和電磁輻射線包括帶電的α、β輻射和不帶電的γ、X光以及中子（n）。吸收這些粒子激發(fā)能而發(fā)光的發(fā)光材料廣泛應用于醫(yī)學X射線影像探測，機場、車站旅客的行李物品的安全檢查、工業(yè)的無損探傷檢查、核醫(yī)學成像等領域。CompanyLogo產(chǎn)業(yè)鏈分析-發(fā)光材料的產(chǎn)業(yè)鏈結構CompanyLogoLED熒光材料的市場規(guī)模分析

2015年至2020年期間，LED熒光材料市場的規(guī)模有望擴大到2倍以上。預測至2017年，LED熒光粉全球市場規(guī)模將達到27.7億美元，考慮到LED熒光材料的價格明顯下滑，估計銷售額不會發(fā)生變化。追求高附加值，轉向氮化物等氮化物熒光材料在過去20年里也經(jīng)歷了價格大幅下滑，但仍保持著比較高的利潤率。CompanyLogoLED熒光材料的市場規(guī)模分析CompanyLogo中國稀土發(fā)光材料的市場分析最新咨詢：2016年1月20日，科恒股份發(fā)布公告稱，受稀土原材料價格下滑、公司產(chǎn)品價格下調、LED替代節(jié)能燈等影響，2015年公司稀土發(fā)光材料市場需求下降，營業(yè)收入下滑。CompanyLogo6.2.1.透明陶瓷材料概述

6.2.2.透明陶瓷的基本性質

6.2.3.透明陶瓷的制備工藝

6.2.4.透明紅外陶瓷

6.2.5.透明激光陶瓷

6.2.6.透明閃爍陶瓷

6.2.7.透明裝甲陶瓷6.2透明陶瓷材料CompanyLogo6.2.1透明陶瓷材料概述①透明陶瓷定義目前尚無確切的定義，有些學者曾經(jīng)概括為無機粉末經(jīng)過燒結成陶瓷后，有一定的透明度，當lmm厚的拋光材料放在有文字的紙上時，可透過它讀出文字，其透光率大于40％，可稱為透明陶瓷。CompanyLogo②透明陶瓷的產(chǎn)生透明陶瓷是在20世紀50年代末、60年代初發(fā)展起來的。1959年，美國GE公司的Coble博士將MgO、ZnO、NiO、La2O3等添加劑摻入高純細散的Al2O3粉末中壓制成型，并在氫氣保護下或真空中燒結，研制出第一塊透明氧化鋁陶瓷——Lucalox，打破了人們長期以來認為陶瓷不透明的看法，也開辟了陶瓷新的應用領域。CompanyLogo③透明陶瓷的發(fā)展半個多世紀以來，透明陶瓷經(jīng)歷了飛速發(fā)展，到目前已經(jīng)研制出了幾十種透明陶瓷。CompanyLogo近50年來，美國、俄羅斯、日本、法國及中國等國家對透明陶瓷做了大量的研究工作，先后開發(fā)出Al2O3、CaO、Y2O3、MgO、TiO2、ZrO2、ThO2、Lu2O3、Sc2O3、Y3Al5O12(YAG)、MgAl2O4、AlON、AlN、ZnS、ZnSe、MgF2和CaF2等幾十種透明陶瓷材料。

CompanyLogo④多晶透明陶瓷相對單晶有以下優(yōu)點（1）易制造用提拉法制備單晶需要幾周，但是制備陶瓷只需幾天時間，而且陶瓷燒結溫度通常都大大低于它的熔融溫度。（2）費用低單晶需要在昂貴的銥（Ir）或鉑（Pt）坩鍋里生長，而陶瓷棒不需要坩鍋，而且生長速度較快。一般單晶的費用隨它的尺寸增加而成倍增加，而陶瓷不然。CompanyLogo（3）尺寸大單晶的生長方式限制了晶體的尺寸，因而就限制了潛在的輸出功率?，F(xiàn)在最大的單晶尺寸為23cm長，但現(xiàn)在制得的多晶陶瓷的長度已達到單晶的2倍。（4）大批量生產(chǎn)陶瓷激光棒適合流水線作業(yè)，減少了時間和費用，單晶卻不然。CompanyLogo⑤透明陶瓷的的性能及應用

透明陶瓷材料不僅具有較好的透明性、耐腐蝕性，能在高溫高壓下工作,而且還有許多其他材料無可比擬的性能，如強度高、高絕緣、介電性能優(yōu)良、電導率低、熱導性好等。

CompanyLogo

利用透明陶瓷的高溫耐腐蝕性，制備高壓鈉燈、銫燈、鉀燈等新型燈具；利用高強度和紅外性能，制作導彈頭部的紅外線整流罩；

CompanyLogo利用透光性、耐高溫性制作電焊面罩及核試驗中的人體保護罩；在軍事工業(yè)中，透明陶瓷還可以用來制成透明防彈材料；在電子工業(yè)中，它被用來制造印刷線路的基板；在化學工業(yè)中，它用來替代不銹鋼，具有很高耐磨蝕性能；在儀表工業(yè)上，它可代替貴重的紅寶石，大大降低了成本；在日常生活中，它還可以用來制作高級餐具、器皿等。CompanyLogo透明陶瓷的應用紅外窗口材料、透明技術、光學、激光器等領域，取得可喜的成果。CompanyLogoNd3+:YAG，Nd3+:Y2O3的最高輸出功率可達1.46kW。GE、Hitachi、Siemens等公司以及一些研究單位開發(fā)出(Y,Gd)O:Eu,Pr(YGO)，Gd3Ga5O12:Cr,Ce(GGG)，Gd2O2S:Pr,Ce,F(GOS)等稀土氧化物陶瓷閃爍體，并成功地將它們應用于醫(yī)學X-CT上。CompanyLogo透明陶瓷的分類透明陶瓷的特殊功能與先進陶瓷固有的一些特性，如耐高溫、耐磨、耐腐蝕、高強度、高硬度等相結合，將為高技術和國防等領域提供十分重要的材料。CompanyLogo透明陶瓷的分類CompanyLogo相關企業(yè)及研究機構CompanyLogoCompanyLogo6.2.2.透明陶瓷的基本性質一般說來，陶瓷是典型的多晶材料，其中存在的大量氣孔、晶界、第二相等缺陷，會造成光的散射和折射。陶瓷內光散射示意圖CompanyLogo要使陶瓷材料具有透光性，綜合起來應具備如下性質：（1）致密度高（理論密度的99.5％以上）；（2）晶界上不存在空隙，如有，其尺寸應比波長小；（3）晶界上無雜質及玻璃相，或晶界光學性質與微晶體之間差別很?。唬?）晶粒小而且均勻，氣孔率低；（5）晶體入射光的選擇吸收很小；（6）無光學各向異性，晶體結構最好是立方晶系；（7）表面光潔度高。CompanyLogo影響透明陶瓷材料透明性的因素

普通陶瓷由于對光有很強的散射，因而是不透明的。大量的研究結果表明，對陶瓷這種透明性的影響主要有以下幾個方面：

①制備因素的影響

②本征因素的影響

③環(huán)境溫度的影響CompanyLogo①制備影響因素主要有：原料添加劑晶體結構晶界結構氣孔率晶粒尺寸燒成制度表面加工光潔度CompanyLogo原料對原料粉體，要求其純度高（99.5%以上）具有較高的燒結活性、顆粒尺寸小（小于1μm）且均一、顆粒最好呈球形、分散性好、無團聚、反應過程無凝聚，隨著時間推移也不會出現(xiàn)新相，這樣就能保證成型坯體密度均勻，同時保證在燒結時坯體在整個體積范圍內均勻收縮，盡量排除氣孔，使陶瓷達到高度透明、均質、單相且致密。CompanyLogo添加劑添加劑在透明陶瓷生產(chǎn)中起著舉足輕重的作用，添加劑用量一般很少。原則上，所使用的添加劑應能均勻分布于材料中，即能完全溶解于主晶相而不以新的固相形式析出，不破壞系統(tǒng)的單相性，否則又會形成新的第二相散射。在后期熱處理過程中，添加劑將集中在陶瓷原料粉顆粒表面，從而抑制晶體生長。CompanyLogo

近年來高透過率的透明陶瓷作為激光介質方面的應用成為全球的研究熱點。然而這些陶瓷都局限于立方晶系，如YAG和Y2O3。對于非立方系的陶瓷，如Al2O3和AlN，其雙折射是難以避免的，故其直線透過率較低（Al2O3~15%）。晶體結構非立方系陶瓷晶界的雙折射現(xiàn)象

CompanyLogo晶界結構晶界上擁有第二相且光學性能與主晶相不同，破壞了陶瓷體的光學均勻性。入射光透過晶界，必然引起光的連續(xù)反射、折射，其透光率降低。規(guī)則的晶體排列則會為光線提供定向的光通路，減少晶界對光的折射。陶瓷內部微觀結構示意圖CompanyLogo氣孔率從某種意義上來說，透明陶瓷生產(chǎn)的過程就是在燒結過程中從材料中排除顯微氣孔的過程。由于氣孔具有不同于多晶基體光學性質的相界，從而造成入射光的強烈散射。研究報道，當閉口氣孔率從0.25%上升到0.85%時，透光率就降低33%。所以提高陶瓷透明度，就是最大限度地降低成品中的殘余氣孔率。CompanyLogo

氣孔從三個方面影響陶瓷的透光性：氣孔的數(shù)量、氣孔的種類以及氣孔的尺寸。就氣孔數(shù)量而言，許多文獻都指出，總氣孔率超過1%的氧化物陶瓷基本上是不透明的。RLcoble用抑制二次重結晶的方法，把氧化鋁陶瓷內的微氣孔排除到0.1%以下，從而使1mm厚的陶瓷片對可見光的總透光率達到90%以上。CompanyLogo

氣孔按種類可分為晶界氣孔和晶內氣孔。晶體之間的氣孔處于晶界面上容易排除，它可以隨著晶界的移動而遷移，最終排出體外。晶體內部的氣孔即使是小于微米級的也很難排除，而且在封閉氣孔中還可能進入水蒸汽、氮氣和碳等。因此，晶體內氣孔對于獲得透明陶瓷是最危險的。CompanyLogoCompanyLogo晶粒尺寸晶粒尺寸的大小和分布對陶瓷的透明性也有影響。若晶粒的直徑與入射光的波長相同，晶粒對入射光散射最強，陶瓷透明度低；若晶粒直徑小于入射光波長，則光線容易通過。CompanyLogo燒成制度燒成制度影響陶瓷材料的透明度,一般的陶瓷燒結溫度更高才能排除氣孔,達到透明化燒結。透明陶瓷和普通陶瓷不同，最后需經(jīng)真空、氫氣氣氛或其它氣氛中燒成。在真空或氫氣氣氛中，陶瓷燒結體的氣孔被置換后很快的進行擴散,從而達到消除氣孔的目的，使用這種燒結方法能達到陶瓷透明。CompanyLogo表面加工光潔度透明陶瓷的透光率受到表面加工光潔度的制約，燒后陶瓷的未處理面具有較大粗糙度，呈微小的凹凸狀。光線入射到這種面上形成漫反射，其透明度較低。經(jīng)研磨后陶瓷的透光率一般可以從40%-45%增加到50%-60%，經(jīng)拋光后又可以增加到80%以上。為了獲得理想透光率，通常要將陶瓷表面研磨和拋光到11-13級光潔度。CompanyLogo粗糙度增加的鏡反射、漫反射能量圖試樣拋光前后的透光率CompanyLogo②本征因素的影響多數(shù)陶瓷材料屬于電介質多晶體,這種多晶體一般有兩個重要的共振區(qū)產(chǎn)生吸收光譜帶。一是束縛電子躍遷產(chǎn)生的本征吸收帶,如圖所示,左側的紫外截止波段,另一個是共振吸收帶,是晶格振動帶。透明材料的透過率與波長的關系CompanyLogo

在本征吸收帶，非金屬材料對于光子的吸收有如下3種機理：電子極化；電子受激發(fā)吸收光子而躍遷禁帶；電子躍遷進入位于禁帶中的雜質或缺陷能而吸收光子。當光子能量>E(禁帶寬度)時，電子吸收光子從價帶激發(fā)到導帶上。CompanyLogo對于共振吸收帶，如圖1所示，可采用雙原子振動模型來描述，質量分別為m、m，瞬時間距為r，諧振子的頻率為：CompanyLogo

由式（2）中可以看出，原子的結合力越大，原子質量越小，則振動頻率越高，紅外截止波長越小，否則截止波長就越大。一般來說，材料的透波范圍多數(shù)情況是包含可見光的范圍，如果可見光不在這個透波范圍，那么材料的本性已經(jīng)決定在可見光范圍內不能透明的。CompanyLogo③環(huán)境溫度的影響

對于有些材料如半導體材料，如果環(huán)境溫度升高到足夠的程度，在導帶中的熱激發(fā)電子能夠吸收較少的能量，從而在導帶內進入更高的能態(tài)，使得電子在足夠的溫度下能夠有更多的機率進入導帶，這就使得紫外截至波段隨著溫度向長波長方向移動，即所謂的紅移趨勢。對于透明材料的紅外截止波段，隨著溫度的升高而使原子能量增大，原子的振動頻率增大，因而共振吸收截止頻率增大，因此紅外截止波長縮短，具有藍移的趨勢。CompanyLogo藍寶石在不同溫度下的透過率CompanyLogo6.2.3.透明陶瓷的制備工藝

透明陶瓷的制備從基本的工藝上看與普通陶瓷的制備并沒有太大的區(qū)別，但是從具體的技術上看二者有著明顯的不同。前者比后者對工藝上的要求要嚴格得多。透明陶瓷制備過程中最重要的步驟是粉體制備和燒結工藝，盡量減少造成光散射和吸收的因素，如氣孔率、晶界、雜質等缺陷。CompanyLogoCompanyLogoCompanyLogo①粉體制備制備透明陶瓷原料粉有4個要求：（1）具有較高的純度和分散性；（2）具有較高的燒結活性；（3）顆粒比較均勻并呈球形；（4）不凝聚，隨時間的推移也不會出現(xiàn)新相。

粉體的制備工藝成為決定陶瓷透明性的重要因素?。?！CompanyLogo②成型技術透明陶瓷成型可以采用各種方法：泥漿澆注、熱塑泥漿壓鑄、擠壓成型、干壓成型以及等靜壓成型等。目前用得較多的是干壓成型和等靜壓成型。CompanyLogo③燒結工藝

透明陶瓷的燒結方法最常用的是常壓燒結，這種方法生產(chǎn)成本低，是最普通的燒結方法。除此之外，人們還采用不少特種燒結方法，如熱壓燒結氣氛燒結微波燒結SPS放電等離子燒結真空燒結CompanyLogo

現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，為了防備敵人采取各種紅外、電子對抗措施來干擾導彈制導，往往采用復合制導的新技術，如采用“紅外-雷達”，“紅外-激光”等復合制導方式，可大大提高一次命中率，這種導彈上用的既透紅外又透微波或激光的頭罩材料就是用的紅外陶瓷。ff導彈頭罩窗口導彈頭罩窗口材料：藍寶石金剛石ZnS/金剛石導彈的眼睛6.2.4.透明紅外陶瓷Long-rangemissileEyesofmissile-WindowsmaterialsCompanyLogo

紅外陶瓷既具有制造容易、廉價、易于獲得大尺寸等優(yōu)點，同時又具備光學晶體的透過波段大、透過率高、熔點和使用溫度高等特點，被廣泛應用于紅外窗口材料。常用的紅外陶瓷有ZnS、ZnSe、CaF2、MgF2、MgO、Al2O3、Y2O3、ZrO2、ThO2等。CompanyLogoZnS透明紅外陶瓷

ZnS是從20世紀60年代發(fā)展起來的紅外窗口材料，目前已經(jīng)相當成熟。從光學、熱學和機械性能來看，ZnS是8～12μm紅外波段飛行窗口非常合適的材料，但是ZnS的硬度低，抗雨蝕能力較差。CompanyLogo

MgO透明陶瓷

MgO透明陶瓷是光學各向同性體，具有很好的透紅外性，因此可用于制作高溫爐窗口紅外探測器罩，同時，也可利用它所具有的高耐堿性來制作坩鍋與反應容器等。CompanyLogoAl2O3透明陶瓷Al2O3透明陶瓷材料是超硬材料之一，在1980℃之內的強度保持不變，同時具有硬度高、耐磨性極佳、高溫強度大、電絕緣性好、熱導率高、線膨脹系數(shù)小等優(yōu)點，可以用作熔制特種玻璃的坩堝、紅外檢測窗材料、高壓鈉燈管、集成電路基片、高頻絕緣材料、高溫耐腐蝕材料等。CompanyLogo具有光學各向同性的特性，光學性能類似于藍寶石單晶、石英玻璃，對紫外、可見光到中紅外光波段具有良好的透過率，這種材料可以具有高的透明度（80％～87％）。透明尖晶石陶瓷透過率曲線透明鎂鋁尖晶石(MgAl2O4)陶瓷CompanyLogo應用領域●窗口材料：壓力容器觀察窗、潛艇坦克觀察窗、導彈頭罩●基片材料：投影電視發(fā)光基片●光學窗口：透鏡、棱鏡●各種透明閥座、高溫或腐蝕液體管道噴嘴●高壓氣體放電燈管殼、各種高壓弧光燈燈管●防護窗口：坦克窗口、士兵的防護面罩、各種護目鏡片●高檔手表、精密儀表的殼體●醫(yī)用手術刀具CompanyLogo應用進展60年代初由美國GE公司首先研制，但制備的尖晶石光學性能較差、機械強度較低，難以滿足導彈的應用要求。70年代末期，美國軍方率先展開熱壓尖晶石的研究，其實驗結果表明熱壓尖晶石的光學、機械和熱學等性能都明顯優(yōu)于其它紅外窗口材料，因而被認為是具有很大應用潛力的新一代窗口材料。CompanyLogo

80年代初，美國的CoorsPorcelain公司和Raytheon公司在美國國防部的大力支持下，成功地制備出性能較為完善的熱壓尖晶石多晶材料。美國軍方隨即進行了熱壓尖晶石整流罩的研制工作，并且很快應用于紅外戰(zhàn)術導彈系統(tǒng)。隨后，俄羅斯、英國、法國、日本等國也加強了對這種材料的研制，并陸續(xù)用于多種武器系統(tǒng)，對提高武器裝備性能起到了重要作用。CompanyLogo

90年代初，由AlphaOpticalSystems公司采用熱壓/熱等靜壓技術制備技術制備的尖晶石整流罩已經(jīng)應用于美國四軍通用的STINGER-POST導彈，其壁厚約2.5mm，直徑可達200mm。1998年美國陸軍實驗室（ARL）和TA&T研制具有低成本、最好光學質量和更大尺寸的尖晶石材料以應用于透明裝甲和紅外窗口。CompanyLogo

Y2O3透明陶瓷Y2O3透明陶瓷最早由美國通用電器公司在1969年制成的,名字叫“Yttralox”。Y2O3具有優(yōu)良的耐熱、耐腐蝕和高溫穩(wěn)定性，透光性好，是一種優(yōu)良的高溫紅外材料和電子材料。耐熱的透明陶瓷CompanyLogoY2O3透明陶瓷的主要性能如下：熔融溫度2400℃，密度5.3g/cm3，抗彎強度140MPa，彈性模量176MPa，透光率大于80%（波長=0.3-7μm，1mm厚。CompanyLogo應用領域

Y2O3透明陶瓷透明性好，即使在遠紅外區(qū)仍有約80%的直線透過率，主要應用于紅外導彈的窗口、紅外透鏡及其它高溫窗等方面。由于高耐火度，它可作高溫爐觀察窗以及高溫條件應用的透鏡。摻Yb或Nd的Y2O3基透明陶瓷，可用作在1.064μm波長的固體激光器基質材料。CompanyLogo應用進展國外，稱為“Yttralox”的氧化釔透明陶瓷首先是由美國通用電氣公司在20世紀70年代首先研制成功的。GE公司就含摩爾分數(shù)2%-15%ThO2，HfO2，ZrO2添加劑的Y2O3多晶透明陶瓷申請了專利。美國還獲得了稀土元素氧化物和Y2O3基透明陶瓷材料的生產(chǎn)專利權。CompanyLogo美國Creskovich和Woods研究了一種含10%ThO2和1%Nd2O3添加劑的Y2O3多晶透明陶瓷生產(chǎn)工藝，在此基礎上又進行了更全面的研究和改進取得了激光陶瓷的生產(chǎn)專利權。俄羅斯門捷列夫化學工業(yè)大學研制了含HfO2和ZrO2添加劑的高度透明Y2O3陶瓷。CompanyLogo國內，一些學者對Y2O3透明陶瓷用粉體制備及其摻雜Yb元素的透明Y2O3陶瓷的研究。盡管上海硅酸鹽研究所制備的1mm厚不同稀土離子摻雜的Y2O3透明陶瓷在可見光區(qū)透過率已達到80%，但迄今為止尚未實現(xiàn)激光輸出。CompanyLogo6.2.5.透明激光陶瓷

自1960年紅寶石晶體激光器問世以來，固體激光器一直是最重要的研究和開發(fā)應用對象。固體激光器主要以晶體和玻璃材料為工作物質，就綜合性能而言，摻釹釔鋁石榴石Nd:Y3Al5O12(Nd:YAG)單晶仍然是性能最好、產(chǎn)量最大、用途最廣的激光基質材料。但提拉法生長單晶由于其生長周期長、價格昂貴、尺寸小及摻雜濃度低，使其性能和應用范圍受到限制。CompanyLogoYAG（yttriumaluminumgarnet）的化學式為Y3Al5O12，是由Y2O3與Al2O3反應生成的一種復雜氧化物，屬立方晶系，具有石榴石結構。YAG晶體對可見光和紅外光有良好的透光性，并且具有熔點高（1930℃）、強度大、熱導率高、物理化學性能穩(wěn)定等特點，無論作為功能材料，還是作為結構材料均顯示出極佳的應用前景。在光學領域，YAG是非常優(yōu)秀的激光基質材料，摻入Nd、Er、Ho、Tm、Cr等稀土或過渡金屬離子的YAG單晶都是性能優(yōu)良的激光晶體。CompanyLogo世界上最大的尺寸為10cm×10cm×2cm的Nd:YAG透明激光陶瓷片CompanyLogo最近十幾年，激光透明陶瓷的研究，主要是對Nd：YAG的研究。世界范圍的研究組織進行了大量的透明激光陶瓷的研究工作，它們分別是：日本精細陶瓷中心、日本分子科學所激光研究中心和羅馬尼亞原子物理研究所固體量子電子學實驗室等單位；日本電氣通信大學激光科學研究所、俄羅斯科學院晶體所晶體激光物理實驗室和日本神島化學公司等單位。日本的YAG和Y2O3

等透明激光陶瓷已經(jīng)實現(xiàn)了部分產(chǎn)業(yè)化，而國內對這方面的研究才剛剛起步。CompanyLogo目前，主要的研究單位有上海大學材料學院電子信息材料系、東北大學材料與冶金學院、山東大學晶體材料研究所、中科院上海硅酸鹽研究所和北京人工晶體所等。中國科學院上海硅酸鹽研究所經(jīng)過近6年的相關研究與大量實驗、測試，成功制備了高質量的Nd：YAG透明陶瓷，在國內首次實現(xiàn)了Nd：YAG透明陶瓷的激光輸出，成為繼日本等發(fā)達國家之后少數(shù)幾個報道掌握Nd：YAG透明陶瓷的制備工藝并成功實現(xiàn)激光輸出的國家。