透明陶瓷(transparent ceramic)
陶瓷通常不透明、呈粉白色——瓷盤、一塊骨頭、浴室磁磚。透明陶瓷(transparent ceramic)打破了這個成見:它是一種多晶陶瓷,和其他陶瓷一樣由粉末做成、經燒成,卻幾乎能像玻璃一樣看穿。一般陶瓷不透明的原因不在於化學,而在於顯微組織:光在內部氣孔與晶界上反彈、往四面八方散射,就像霧氣散射車燈光束。把那些散射點清除,同一種材料就變透明了——霧散了。
要做出可看穿的陶瓷有兩條路。第一條是選用具立方晶結構的材料,如 YAG、尖晶石(MgAl2O4)或立方氧化釔穩定氧化鋯;立方晶體在光學上是各向同性的,所以光從一個晶粒穿到下一個時不會被偏折(沒有雙折射),晶界幾乎不散射。第二條路(非立方材料所需)是把晶粒與氣孔縮到比光波長還小,使它們無法散射光。無論哪一條,最主要的敵人都是孔隙率:由於氣孔與固體的折射率天差地遠,即使一絲殘餘孔隙也會強烈散射,所以好的透明陶瓷必須燒到遠超 99.9% 的密度——殘餘孔隙率低於約 0.01%——通常需搭配超純粉末、燒結助劑,以及真空燒結或熱等靜壓等加壓燒成。
一旦擁有它,透明陶瓷能做到玻璃與單晶做不到的事。它可以做得比生長的單晶更大、形狀更複雜,摻雜也更自由——所以透明的 Nd:YAG 陶瓷如今作為雷射增益介質已可與單晶 YAG 匹敵。透明陶瓷可作透明裝甲、高壓燈管外殼、紅外窗與飛彈罩,以及閃爍體。誠實的極限在於孔隙率要求何等不留情:只要一層薄薄的氣孔、或一批受污染的粉末,就能把一片本可成窗的材料變回不透明的白色圓片,這正是為何透明陶瓷是所有陶瓷中最難做好的一類。
多晶 Nd:YAG 雷射陶瓷被燒到殘餘氣孔不到萬分之一體積,而由於 YAG 是立方晶,它無數的晶界幾乎不散射光。成品圓片清澈到足以作為高功率雷射的核心,然而它是由粉末做成的,而非以單晶方式生長。
陶瓷的透明是靠消滅氣孔與馴服晶界贏來的,而非靠改變化學組成。
一個普遍的誤解是透明需要什麼特別的組成。它其實是一項顯微組織的成就:同樣的氧化鋁,作為一般陶瓷時不透明,一旦除去氣孔便變成半透明。化學決定了哪條路(立方或次波長)可行,但真正讓光通過的,是無孔的緻密度。