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透明陶瓷“上车”，还有多远的路要走？

透明陶瓷是50年代末60年代初发展起来的一类新型无机材料，既具有陶瓷固有耐高温、耐腐蚀、高强高硬等特性，又具有玻璃的光学性质。

来源：上海硅酸盐研究所

1959年通用电气公司首次提出了一些陶瓷具有可透光性，随后1962年R.L.Coble首次制备了半透明的Al₂O₃陶瓷证实了这一点，同时也为陶瓷材料开辟了新的应用领域。

透明陶瓷的分类及应用

根据透明陶瓷的功能和用途，可以将透明陶瓷分为以下几种类型。

激光透明陶瓷

从上世纪60年代以来，固体激光器得到快速发展，因而激光材料的研究受到广泛关注。其中透明陶瓷材料因具有烧结温度低、掺杂浓度高且方便调节、制备周期短、生产成本相对较低及易于制备多层结构等多种优点而备受关注。国内在2006年5月由中国科学院上海硅酸盐研究所科研人员首次实现了1.0at%Nd:YAG透明陶瓷的激光输出。

激光陶瓷

红外透明陶瓷

为了应对未来战场错综复杂的情况，军用红外光电系统需要能够满足不同严苛要求，其中红外窗口和红外整流罩是保护光电系统的重要部件。在不同红外波段应用的材料种类也是不一样的，目前已经开发出的中波红外材料主要有MgF₂、MgAl₂O₄、AlON和Y₂O₃透明陶瓷和蓝宝石单晶等；长波红外透明材料主要是ZnS、ZnSe、CdTe等透明陶瓷。

常用中红外透明材料的性能参数

闪烁透明陶瓷

无机闪烁体在辐射探测中起着非常重要的作用，广泛应用于影像医学（X-CT、NMR、PET）、核物理、高能物理、工业CT、油井勘探、安全检查等领域。近十几年来，国外相继开发出氧化钇钆（YGO）、硫氧化钆（GOS）、钆稼石榴石（GGG）等陶瓷闪烁体，并成功应用于医学X-CT上。

磁光透明陶瓷

磁光透明陶瓷是应用于光隔离器中的一种具有法拉第效应的材料。光隔离器是高功率激光系统中重要的组成器件之一，它能够有效的调控系统中光的传播，保证系统的稳定性。对于磁光材料，要求其Verdet常数高，具有低的吸收损耗以及高的热导率，优异的热力学性能。当前，应用于可见至红外波段的磁光材料主要为TGG和TAG透明陶瓷。

荧光透明陶瓷

荧光透明陶瓷作为一种光转换材料广泛应用于白光LED领域。白光LED作为照明光源，以其环保、高效、节能、高寿命等优点而成为21世纪最具发展潜力的高新技术之一。

与金属或者玻璃相比，荧光陶瓷具有更高的机械性能，更好的热稳定性和优异的光学性能。目前常用的荧光透明陶瓷以发光材料体系进行分类，主要可以分为氮化物体系、钇铝石榴石体系和多铝酸盐体系。

铁电透明陶瓷

铁电透明陶瓷在20世纪70年代初首次出现，除了具有高透明度外还具有铁电性能，可以将光、电、机械形变等物理性能耦合在一起。

锆钛酸铅镧（PLZT）透明陶瓷是一种典型的铁电透明陶瓷材料，具有高的透过率和电光效应，人工极化处理之后还具有压电和光学双折射性能，可以广泛地应用于核热闪光护目镜、光开关和图像存储、显示等领域。

透明装甲陶瓷

透明装甲陶瓷的主要应用有防弹窗口、导弹整流罩、航天器窗口等需要高硬度、高强度、高耐磨性和良好的抗冲击性能的透明材料的地方；同时，低面密度的材料可以解决透明装甲重量较大的问题。

以镁铝尖晶石（MgAl₂O₄）和AlON为代表的透明陶瓷广泛应用于透明装甲材料。它们的透过波段范围广（达到紫外到红外波长）、透过率高、力学性能优异、面密度低，不仅可以用作透明装甲, 还可用于头罩及可见和红外窗口等领域。

透明陶瓷上车的“潜力”

提到透明陶瓷在汽车领域中的应用，就不得不想起悍马汽车，2005年美国军方就想把AlON安装在悍马汽车上，由于价格的原因没有实现，直到2009年美国Surmet公司获得了专利，2013年给美国国防部供应过一款玻璃窗。在军用方面，透明陶瓷具有良好的透光率，高强的硬度，而且耐腐蚀、耐摩擦、抗风沙、化学性质稳定，可作为导弹头罩和窗口、坦克和潜艇观测窗，各种护目镜片等。其中，Surmet 公司制备的AlON防弹窗口能抵抗50Cal瞬爆弹，窗口的厚度和面密度仅为玻璃装甲的 2/5 和1/2。目前 Surmet公司已经将AlON的研究目标集中在航天航空等领域的探索，2017年，Surmet公司成功制备出20inx30in的大尺寸样品以及各种共形窗口等用于传感器方面。

而在民用方面，部分厂商开始尝试采用透明陶瓷材料作为车载摄像头镜片、激光雷达窗口材料、激光光学器件等。随着汽车智能化的发展，车用镜头近年不断升级，从倒车影像、环车影像这类纯影像显示，到自动驾驶系统所需的雷达或光达镜头，车用镜头越来越“聪明”，对性能要求也越来越高。

镜头作为车载摄像头的核心部分，镜头材料的质量直接决定着摄像头的质量，这要求镜头材料必须具有高折射率、极端色散和低收缩率等要求。采用透明陶瓷作为车用镜头材料，不仅具有光学玻璃相仿粉透光质而且更强、更硬、更耐腐蚀、更耐高温，可用于极端恶劣的工况，并且折射率可以变化，对一般镜头可能出现的刮伤具有较高的防护力，也适合用在高聚焦与高热的车用上。

目前，随着汽车自动驾驶级别上升，摄像头平均搭载数量也不断提高，车载镜头市场前景广阔。据ICV预计，2025年中国车载摄像头市场规模将保持高速增长到287美元，2020-2025年CAGR约为29％。全自动驾驶时代的来临，ADAS的逐渐渗透，车载镜头的需求将呈现几何级增长，同时对质量的要求也将进一步提升。对于透明陶瓷来讲，虽发展前景很好，但仍需要克服诸多困难。

透明陶瓷的制备难点在哪里？

表面上看，透明陶瓷的制备流程与普通陶瓷区别不大，都是原来制备、成型、烧结，从而实现致密化的过程。但从制备技术来看，透明陶瓷对工艺要求十分严苛，特别是粉体制备与烧结，这两个环节决定了陶瓷的透明程度。

透明陶瓷粉体制备

原料的纯度是影响透明度诸多因素中的主要因素之一，原料中杂质容易生成异相，形成光的散射中心，减弱透射光的在入射方向的强度，降低陶瓷的透光率，甚至失透。制备透明陶瓷粉体要求：纯度高，粒度小。为了获得透明陶瓷，有时也会加入添加剂，抑制晶粒长大，当然添加剂用量也要很少。

透明陶瓷烧结方法

烧成制度影响陶瓷材料的透明度，一般的陶瓷烧结温度更高才能排除气孔，达到透明化烧结。烧结透明陶瓷时，要根据烧结材料的性能和坯体的性能及大小来确定最高烧结温度，烧结时必须控制升温速度，确保整个坯体均匀加热，控制晶体生长速度和晶粒尺寸，并达到消除气孔的目的。保温时间的选择可依照晶粒的大小和气孔有无而定，冷却制度的确定应以陶瓷无变形且无内应力为准。

在透明陶瓷制备过程中，通常采用热压烧结、气氛烧结等特殊方法。热压烧结时，通过在烧结过程中施加压力，促使材料致密化，同时晶粒生长较慢，从而可得到细晶粒的陶瓷材料；气氛烧结可以消除由于材料成分挥发产生的空位等缺陷，并且气孔内的气体被置换而很快扩散，降低缺陷的产生。此外，像激光烧结、微波烧结、放电等离子体烧结等技术也逐步被应用于透明陶瓷的制备中。

相比国外，我国在透明陶瓷研究方面还较落后，在制备上，如何控制原料纯度、粒度分布、分散性能，如何降低烧结成本，如何控制内部缺陷的产生，如何制备大尺寸透明陶瓷等一系列问题都摆在眼前。

在此背景下，中国粉体网将于2023年9月12日在合肥举办“第一届电动车用陶瓷材料技术研讨会”。届时，来自中国科学院上海硅酸盐研究所周国红研究员将带来题为《透明陶瓷研究进展及其在车载窗口中的应用》，周国红研究员将讲述透明陶瓷的特点及发展历程，以透明陶瓷的整个制备流程，陶瓷粉体—微结构调控—成型—烧结为主线，重点介绍透明陶瓷的制备技术及其应用领域。最后对透明陶瓷在车载摄像头和激光雷达窗口中应用的可行性进行分析。

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