“透明陶瓷之王”通过激光考验

“炼”成一块黄豆大小的透明陶瓷,要用多长时间?6年!它可不是寻常所见的陶瓷,科学家将其誉为“透明陶瓷之王”。从外观看,它像玻璃一样透亮,更神奇的是,能通过激光的考验。

  由中科院上海硅酸盐研究所自主研发,经中科院上海光学精密机械研究所测试,国产透明陶瓷日前首次成功射出激光,这一“亮”标志着我国在激光材料方面取得重大突破,
成为世界上仅有的几个掌握这一尖端技术的国家之一。

  上海硅酸盐研究所潘裕柏研究员介绍,陶瓷材料所含气孔、杂质的多少及其致密程度,是决定它能否透明的主要因素之一。透明陶瓷采用高纯原料,在真空或氢气条件下烧结制成,其相对理论密度通常高达99.99%。记者隔着透明陶瓷看报纸,白纸黑字一清二楚。

  与透明的玻璃材料相比,透明陶瓷具有高强度、高硬度等优点,抗表面损坏性能好。在军事领域,它用在护目头盔和坦克、飞机等的窗口材料上,美国空军以此为基础合成的透明防弹护板,经受住了连续射出的枪弹考验,重量却比普通防弹玻璃轻一半。在民用领域,日本已用透明陶瓷制成照相机内的组合镜片,使变焦镜头体积减小约20%。

  从透明陶瓷到输出激光的透明陶瓷,更是难上加难。在一般应用中,由透明陶瓷的微结构所带来的轻微折射,并不影响其光线透过率,但方向性极强的激光穿过透明陶瓷时,一旦有任何折射就会急转弯,造成“致命误差”。因此,研发激光级的透明陶瓷须处处微观,直到材料的最基本单元“晶胞”,这是在新材料领域比拼国家科研实力的“试金石”。

  自日本科学家研制出高透明的“Nd:YAG”陶瓷,并率先实现激光输出后,透明陶瓷表现出单晶体、玻璃体等传统激光材料无可比拟的潜能。以耐热性能为例,在激光实验中,玻璃材料输出一次激光后,一般要间隔约2小时才能继续输出,而低成本、高效率的陶瓷材料间隔时间仅10分钟左右。为此,日本申请了十余项激光陶瓷专利,包括中国在内的其它国家也投入大量人力、物力、财力开展这项研究。

  这次国内测试的激光陶瓷样品,尺寸仅为3×3×3立方毫米,但它却是课题组近6年来数百次实验的结晶,现已申请专利3项,其中1项获授权。在市科委基础研究项目资助下,该课题组自主掌握了激光陶瓷原料———纳米

  Nd:YAG粉体技术,通过球磨混合、煅烧干燥等工艺,在1650摄氏度至1780摄氏度真空条件下保温10小时以上,终于烧结成了Nd:YAG透明陶瓷,光学质量与单晶激光材料相当。潘裕柏说,这种透明陶瓷将继续“做大做强”,输出更高功率的激光,力争赶超国际同行的技术能级。