離子、磁性與光學陶瓷

半透明氧化鋁(translucent alumina)

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半透明氧化鋁是第一種證明「能讓光透過燒成多晶體」的陶瓷,至今仍是這個概念的教科書範例。氧化鋁(Al2O3)不是立方晶——它的剛玉(corundum)結構是六方-菱面體,所以光穿越晶界時會被輕微偏折(它有雙折射),永遠無法像玻璃那樣做到完全透明。但一旦除去氣孔,氧化鋁就變得半透明:光能通過,卻在途中被漫射與散射,就像毛玻璃浴室窗會發亮、卻讓你看不到清晰影像。

這項突破由通用電氣的 Robert Coble 在 1959 年做成,關鍵在一個微妙的製程訣竅。氧化鋁燒結時晶粒會長大,若晶界掃過氣孔的速度快過氣孔被推出的速度,氣孔就會被吞進晶粒內部、永遠困在那裡繼續散射光。Coble 發現,加入微量氧化鎂(約 0.25 重量% MgO)能釘住晶界、減緩晶粒成長,使晶界持續附著在氣孔上、把氣孔帶到能被消除之處。結果是燒到 99.9% 以上密度、基本無孔的氧化鋁;唯一剩下的散射是晶界處輕微的雙折射,這正是它半透明而非全透明的原因,而當晶粒做得越細,它就越清澈。

殺手級應用是高壓鈉蒸氣燈——賦予高速公路橙色光芒的那些電弧管。這種燈裡有熾熱、侵蝕性強的鈉蒸氣,若換成一般玻璃或矽石,數小時內就會被化學侵蝕,然而半透明氧化鋁卻能不動聲色地抵擋、同時仍讓光透出。單這一項用途就使半透明氧化鋁成為里程碑:它向更廣的世界展示,陶瓷的光學行為由它的顯微組織——氣孔與晶粒如何排列——所主宰,與化學同等重要,這個教訓開啟了整個透明陶瓷的領域。今日它也以牙色的齒列矯正托槽現身。

高壓鈉路燈中那橙色的電弧管,是一根細長的半透明氧化鋁圓柱。一般玻璃在裡頭熾熱的鈉侵蝕下數小時就會被吃掉,但無孔的氧化鋁能一邊發出琥珀色光、一邊撐上數年——這個可用的零件之所以存在,全因燒成時微量的 MgO 讓氣孔得以被除去。

微量的氧化鎂藉由釘住晶界,讓 Coble 得以趕走氣孔、使氧化鋁能夠透光。

是半透明、而非全透明:由於氧化鋁具雙折射,它的晶界永遠會散射一些光,所以你無法像透過玻璃那樣穿過它看到清晰影像。氧化鋁的全透明只有在次微米晶粒時才趨近;日常的材料是光的漫射體,而非窗戶。

又称
Lucaloxtranslucent polycrystalline aluminaPCA半透明多晶氧化鋁透光氧化鋁