一文了解镁铝尖晶石透明陶瓷

透明陶瓷(transparent ceramic)是指采用陶瓷工艺制备的具有一定透光性的多晶材料，又称为光学陶瓷。通常把直线透过率超过10%的陶瓷称为透明陶瓷。透明陶瓷自产生以来由于其优良的光学性能和固有的陶瓷性能而被广泛关注，经过几十年的发展，目前已经研制出几十种透明陶瓷。其中镁铝尖晶石透明陶瓷是一种光学性能优异的镁铝复合氧化物烧结体，具有透光波段宽(从紫外到可见光)、化学性能稳定、耐高温以及良好的机械性能，自问世以来便受到广泛关注。

1、镁铝尖晶石透明陶瓷的发展历程

镁铝尖晶石透明陶瓷的研究起始于20世纪70年代：

• 1974年美国科学家Batton通过高温烧结方法制备了镁铝尖晶石透明陶瓷，但由于方法和工艺的限制，使得材料的透过率很低，存在严重的光散射；
• 1977年，Becher采用热锻锻压镁铝尖晶石单晶的方法制备镁铝尖晶石透明陶瓷；
• 1981年Gentilman利用熔融浇注法制备镁铝尖晶石透明陶瓷。尽管两位科学家制备的透明陶瓷具有优异的光学性能，但制备工艺复杂、成本高。
• 1981年在美国国防部支持下Roy采用真空热压法制备出光学性能优异的镁铝尖晶石透明陶瓷。
• 中国台湾在这方面的研究也比较早，中国大陆在镁铝尖晶石透明陶瓷的研究开始于上世纪90年代，并于1996年研制出从紫外到红外区高透过率的镁铝尖晶石透明陶瓷。

2、镁铝尖晶石透明陶瓷的结构与性能

镁铝尖晶石是尖晶石(AB2O4)结构的代表。它属于立方晶系，较大氧离子形成立方紧密堆积点阵，各向同性，而镁离子和铝离子占据间隙的1/4，其中较大镁离子占据四面体间隙的八分之一，呈现四配位；较小的铝离子占据八面体间隙的一半，呈现八配位，如下图所示。

图 MgAl2O4晶胞(a)和密堆积透射图(b)

MgAl2O4透明陶瓷具有非常好的光学透过率，几乎覆盖紫外到红外区域(190 nm<λ<6000 nm)。从1000~4000nm，透过率接近理论值，4000 nm以后透过率开始下降，但与蓝宝石和氮氧化铝相比，其依然较好。

图 多晶透明尖晶石的典型透射光谱

MgAl2O4透明陶瓷具有耐腐蚀性、高介电性、良好的电绝缘性以及机械加工性能，同时其硬度随温度的变化不是很明显。总体来说，MgAl2O4透明陶瓷的综合性能较好。

3、镁铝尖晶石透明陶瓷的应用

MgAl2O4透明陶瓷主要利用其在红外波段(0.3~5.5um)良好的光学性能，在军事领域中用于制备透明盔甲和传感器窗口。目前MgAl2O4已经成为国防工业中重要的红外窗口、透明装甲以及导弹整流罩的较为理想的材料。

MgAl2O4透明陶瓷制造的防护窗口具有强的抗磨损性、高的强度和高的防护能力。因此，MgAl2O4透明陶瓷被应用于各种苛刻条件下使用的观察窗口和护目镜片等。

图 透明尖晶石（MgAl2O4）基板，来源：住友电工

原文始发于微信公众号（陶瓷科技视野）：一文了解镁铝尖晶石透明陶瓷