透明陶瓷的光傳輸機理及散射模型研究.pdf

1、透明陶瓷材料因其優(yōu)良的光學(xué)性能和機械性能,成為新一代光電子材料的研究熱點,對于國家安全和國民經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有重大戰(zhàn)略意義。目前對于透明陶瓷光學(xué)性能研究主要集中在制備工藝及實驗探索上,從物理機制上探討透明陶瓷的光學(xué)性能的研究尚不深入,因此阻礙了透明陶瓷材料的發(fā)展和應(yīng)用。
　　 透明陶瓷的透光性能不僅與材料本身的化學(xué)組成有關(guān),還受到材料的顯微結(jié)構(gòu)的影響。本文對透明陶瓷的透光機理及影響因素進行了探討,建立了光波在多品陶瓷中與氣孔、晶

2、粒、晶界等顯微結(jié)構(gòu)單元之間相互作用關(guān)系的散射模型,通過研究顯微結(jié)構(gòu)對光學(xué)性能的影響規(guī)律來分析提高陶瓷透明度的方法。
　　 首先,本文闡述了光散射的基本理論,研究了針對球形的Mie散射理論和針對非球形的離散偶極子近似法?；趦煞N方法計算了長方體、橢球體和圓柱體三種不同形狀粒子以及等體積球形粒子在不同尺度參數(shù)下的散射效率因子。通過分析結(jié)果得到了將非球形粒子作為球形處理的適用范圍,為光散射理論在分析透明陶瓷的光學(xué)性能中的應(yīng)用提供了基礎(chǔ)

3、。
　　 其次,針對立方晶系透明陶瓷的結(jié)構(gòu)特點,分別對其中的氣孔和晶界這兩個主要的散射元建立了光散射模型。采用Mie理論計算研究了氣孔率、氣孔尺寸及氣孔尺寸分布等因素對直線透過率的影響。基于球形核殼散射理論計算研究了晶界折射率、晶界厚度及品粒尺寸對直線透過率的影響。結(jié)果表明,殘余氣孔是影響透明陶瓷透光性能的最大因素。氣孔造成的散射隨著氣孔率的增大而增大,且在氣孔尺寸與波長相接近時達到最大。同時,只有當(dāng)晶界上存在第二相時晶界相才會

4、造成散射,直線透過率隨著晶界相與品粒折射率差異的增大及品界相含量的增加而減小。在制備過程中通過消除氣孔降低氣孔率,保持晶界與晶粒成分一致,降低晶界相的比例,使品粒尺寸更小更均勻可有效提高立方晶系陶瓷的透光性能。
　　 再次,針對非立方晶系透明陶瓷的結(jié)構(gòu)特點,以氧化鋁陶瓷為研究對象,建立了單軸晶陶瓷雙折射散射模型。基于Mie理論計算研究了品粒尺寸及晶粒尺寸分布等因素對直線透過率的影響。同時,在瑞利-德拜近似散射理論的基礎(chǔ)上,深入研

5、究了各向異性晶粒取向的變化對直線透過率的影響。結(jié)果表明,制備品粒尺寸更小更均勻的陶瓷,使晶粒定向排列可減小雙折射散射的損失,提高非立方晶系陶瓷的透光性能。
　　 最后,針對復(fù)相透明陶瓷的結(jié)構(gòu)特點,以兩相陶瓷為研究對象,基于密集分布粒子的散射理論建立散射模型,采用干涉近似法研究了晶相含量和晶粒尺寸變化對陶瓷透光性能的影響。分析結(jié)果表明,在制備復(fù)相陶瓷時選取兩相材料的配比各占50％時的透過率最高,并且只有控制晶粒尺寸在納米范圍,才能