Materials development and potential applications of transparent ceramics: A review
مواد شفاف متداول شامل شیشه ها، پلیمرها و هیدرید قلیایی می شود که استحکام مکانیکی پایینی دارند و از نظر شیمیایی ناپایدار هستند. تک کریستال های مواد غیرآلی نیز از نظر نوری شفاف هستند که این ترکیبات استحکام بسیار بالاتری دارند و پایداتر از سایر مواد شفاف هستند. با این وجود، ساخت تک کریستال که عمدتا «رشد تک کریستال» به آن می گویند از طریق فرایندهای ترمودینامیکی کنترل می شود که نسبتا سرعت پایینی دارند. علاوه بر آن، رشد تک کریستال های بزرگ غالبا چالش برانگیز است و در مورد اکسیدهای فلزی با دمای ذوب بسیار بالا نیز این کار بسیار دشوار است، و تک کریستال های رشد داده شده را نیز نمی توان به صورت مستقیم به کار برد چون که شکل کریستال توسط نوع فرایند رشد، کنترل می شود. در نتیجه، سرامیک های شفاف به عنوان گزینه های مهمی برای جایگزینی مواد تک-کریستال مطرح شده اند چون دارای مزایای چشمگیری هستند که شامل هزینه پایین، تولید در مقیاس بالا، چکش خواری، و استحکام مکانیکی بالا می شود. علاوه بر آن، میکروساختارهای سرامیک مراکز تفرق نور بیشتری نسبت به تک کریستال ها دارند، مانند حفرات، مرزهای دانه، ناخالصی ها، و اثرات ضریب شکست مضاعف.
از بین عواملی که موجب پراکنش نور می شوند، پراکنش توسط حفرات اصلی ترین عامل در تضعیف نور در سرامیک های شفاف است. در نزدیکی سطح حفرات، نور توسط هوای موجود و ماده سرامیکی، متفرق و منعکس می شود، چون خواص نوری متفاوتی دارند. بنابراین، سرامیک های متخلخل شفاف نیستند، فارغ از این که حفرات درون یا بین دانه ها قرار گرفته باشند. از بین دو نوع حفره، حذف حفرات درون دانه ای دشوارتر است و تشکیل آن ها نیز وابسته به کیفیت پودرهای اولیه است، به خصوص زمانی که از آگلومره های سخت استفاده می شود.
دانه ها و مرزهای دانه در سرامیک ها خواص متفاوتی دارند و در نتیجه فصل مشترک آن ها نیز به عنوان منابع تفرق نور عمل می کند. چون دانه ها فازهای اصلی سرامیک ها هستند، خواص مرزهای دانه نقش مهمی در تعیین شفافیت سرامیک ها بازی می کند و در نتیجه کنترل کیفیت مرزهای دانه، یک استراتژی مهم در رسیدن به شفافیت نوری بالا محسوب می شود. علاوه بر آن، ناخالصی ها اغل در مرزهای دانه قرار می گیرند که تفاوت بین دانه ها و مرزهای دانه را افزایش می دهند و موجب تفرق بیشتر نور می شوند. بنابراین، مواد پیش ماده باید خلوص بالایی داشته باشند. اما زمانی که از مواد کمک-زینتر، یک اثر رقابتی بین چگالش و تمرکز ناخالصی ایجاد می شود که بایستی بهینه گردد. به طور کلی، میزان کمک-زینتر اضافه شده به سرامیک های شفاف بسیار کم تر از میزان اضافه شده به سرامیک ها برای سایر کاربردها است.
نمی توان از تمام مواد برای ساخت سرامیک های شفاف استفاده کرد چون دانه ها در سرامیک ها با ساختار دارای تقارن پایین، از نظر نوری ناهمسانگرد هستند که موجب می شود زمانی که نور از مرزهای دانه عبور می کند، آن را متفرق کنند. در نتیجه، مواد سرامیکی شفاف باید دارای ساختار کریستال با تقارن بالا باشند؛ اکثریت سرامیک های شفاف دارای ساختار مکعبی هستند و برخی از مواد با ساختارهای تتراگونال و هگزاگونال نیز می توانند شفاف ساخته شوند، گرچه این فرایند دشوارتر است. بنابراین، توسعه سرامیک های شفاف یک موضوع مهم و جذاب است.
فراوری سرامیک شامل سه مرحله اصلی می شود ؛ 1) آماده سازی پودر، 2) ساخت قطعه خام؛ و 3) زینترینگ. این مراحل برای ساخت سرامیک های شفاف با خواص نوری مطلوب، حیاتی هستند. اگر سرامیک ها به صورت مستقیم از پودرهای پیش ماده آماده شوند – مانند اکسیدها، هیدروکسیدها، کربنات ها، یا سایر نمک ها—فرایند به صورت واکنش حالت جامد خواهد بود که متداول ترین روش تولید صنعتی است. در غیر این صورت، پودرها را می توان از طریق روش های مختلف شیمیایی تولید کرد که شامل ترسیب شیمیایی (برای اکسیدها) یا رسوب دهی همزمان (برای اکسیدهای پیچیده)، فرایندهای سل-ژل، احتراق ژل، و واکنش های هیدروترمال می شود.
روش واکنش حالت جامد ساده بوده و می توان مقیاس تولید آن را افزایش داد که موجب شده مقرون به صرفه تر از سایر روش ها باشد. با این وجود، همگنی نمونه یک مساله جدی در واکنش حالت جامد است، چون از پیش ماده های جامد استفاده می کنند. در مقابل، روش های شیمی-تر امکان تولید نمونه هایی با همگنی بالا و رفتار زینترینگ خوب را فراهم می کنند، اما برای کاربردهای آزمایشگاهی مناسب هستند، چون پیچیده بوده و به مواد شیمیایی گران قیمتی نیاز دارند و بهره وری پایینی دارند. در کاربردهای لیزر حالت جامد، توزیع همگن مواد فعال برای عملکرد لیزر حیاتی است؛ بنابراین، فرایندهای ترکیبی برای رسیدن به توزیع همگن دوپنت ها، به کار می روند. برای نمونه، سنتز ترکیبی حالت جامد و شیمی-تر توسعه یافته است که در آن، اکثر مواد جامد هستند و دوپنت ها از طریق فرایند شیمی-تر، وارد می شوند.
