一文了解鎂鋁尖晶石透明陶瓷

透明陶瓷(transparent ceramic)是指采用陶瓷工藝制備的具有一定透光性的多晶材料，又稱為光學(xué)陶瓷。通常把直線透過(guò)率超過(guò)10%的陶瓷稱為透明陶瓷。透明陶瓷自產(chǎn)生以來(lái)由于其優(yōu)良的光學(xué)性能和固有的陶瓷性能而被廣泛關(guān)注，經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，目前已經(jīng)研制出幾十種透明陶瓷。其中鎂鋁尖晶石透明陶瓷是一種光學(xué)性能優(yōu)異的鎂鋁復(fù)合氧化物燒結(jié)體，具有透光波段寬(從紫外到可見光)、化學(xué)性能穩(wěn)定、耐高溫以及良好的機(jī)械性能，自問(wèn)世以來(lái)便受到廣泛關(guān)注。

1、鎂鋁尖晶石透明陶瓷的發(fā)展歷程

鎂鋁尖晶石透明陶瓷的研究起始于20世紀(jì)70年代：

• 1974年美國(guó)科學(xué)家Batton通過(guò)高溫?zé)Y(jié)方法制備了鎂鋁尖晶石透明陶瓷，但由于方法和工藝的限制，使得材料的透過(guò)率很低，存在嚴(yán)重的光散射；
• 1977年，Becher采用熱鍛鍛壓鎂鋁尖晶石單晶的方法制備鎂鋁尖晶石透明陶瓷；
• 1981年Gentilman利用熔融澆注法制備鎂鋁尖晶石透明陶瓷。盡管兩位科學(xué)家制備的透明陶瓷具有優(yōu)異的光學(xué)性能，但制備工藝復(fù)雜、成本高。
• 1981年在美國(guó)國(guó)防部支持下Roy采用真空熱壓法制備出光學(xué)性能優(yōu)異的鎂鋁尖晶石透明陶瓷。
• 中國(guó)臺(tái)灣在這方面的研究也比較早，中國(guó)大陸在鎂鋁尖晶石透明陶瓷的研究開始于上世紀(jì)90年代，并于1996年研制出從紫外到紅外區(qū)高透過(guò)率的鎂鋁尖晶石透明陶瓷。

2、鎂鋁尖晶石透明陶瓷的結(jié)構(gòu)與性能

鎂鋁尖晶石是尖晶石(AB2O4)結(jié)構(gòu)的代表。它屬于立方晶系，較大氧離子形成立方緊密堆積點(diǎn)陣，各向同性，而鎂離子和鋁離子占據(jù)間隙的1/4，其中較大鎂離子占據(jù)四面體間隙的八分之一，呈現(xiàn)四配位；較小的鋁離子占據(jù)八面體間隙的一半，呈現(xiàn)八配位，如下圖所示。

圖 MgAl2O4晶胞(a)和密堆積透射圖(b)

MgAl2O4透明陶瓷具有非常好的光學(xué)透過(guò)率，幾乎覆蓋紫外到紅外區(qū)域(190 nm<λ<6000 nm)。從1000~4000nm，透過(guò)率接近理論值，4000 nm以后透過(guò)率開始下降，但與藍(lán)寶石和氮氧化鋁相比，其依然較好。

圖 多晶透明尖晶石的典型透射光譜

MgAl2O4透明陶瓷具有耐腐蝕性、高介電性、良好的電絕緣性以及機(jī)械加工性能，同時(shí)其硬度隨溫度的變化不是很明顯。總體來(lái)說(shuō)，MgAl2O4透明陶瓷的綜合性能較好。

3、鎂鋁尖晶石透明陶瓷的應(yīng)用

MgAl2O4透明陶瓷主要利用其在紅外波段(0.3~5.5um)良好的光學(xué)性能，在軍事領(lǐng)域中用于制備透明盔甲和傳感器窗口。目前MgAl2O4已經(jīng)成為國(guó)防工業(yè)中重要的紅外窗口、透明裝甲以及導(dǎo)彈整流罩的較為理想的材料。

MgAl2O4透明陶瓷制造的防護(hù)窗口具有強(qiáng)的抗磨損性、高的強(qiáng)度和高的防護(hù)能力。因此，MgAl2O4透明陶瓷被應(yīng)用于各種苛刻條件下使用的觀察窗口和護(hù)目鏡片等。

圖?透明尖晶石（MgAl2O4）基板，來(lái)源：住友電工

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