（光学专业论文）掺钕钇铝石榴石光学陶瓷微观结构体视学研究.pdf

摘要 掺钕钇铝石榴石光学陶瓷和同组分的单晶相比较具有容易制造、成本低、尺寸大、 掺杂浓度高、容易实现多层和多功能陶瓷结构以及可以批量化生产等优点，成为了单 晶的强有力替代者，拓宽了激光基质材料的范围，已经成为了新一代的激光材料，在 中小型激光器以及超高功率激光系统中具有重要的战略意义。近年来，掺钕钇铝石榴 石粉术的化学合成方法以及光学陶瓷的烧结研究引起了材料科学研究者们的高度关 注，目自订国内还没丌发出真正达到实际应用的光学陶瓷材料。 本文采用低温燃烧法于1 1 0 0 合成出n d ：y a g 纳米前驱体粉末，对低温燃烧形成 y a g 晶相过程进行了详细的研究，将合成出的n d ：y a gf ； 驱体粉未经过高能振动球磨、 模压、冷等静压成型制备出n d ：y a g 陶瓷素坯片，并经过1 7 5 0 真空烧结2 0 小时制 备出n d ：y a g 毛坯片，经过光学冷加工磨抛制备出尺寸为巾2 0 1 m m 的n d ：y a g 光学 陶瓷，该陶瓷片在1 0 6 4 n m 的透光率为8 2 4 5 ，接近相同尺寸单晶的透光率，对该光 学陶瓷进行光学性能测试，利用计算机体视学软件分析了n d ：y a g 光学陶瓷微观结构 体视学参数与透光率之间的定量关系，主要取得了以下研究结果： 1 、采用低温采用低温燃烧法于1 1 0 0 合成出纯y a g 立方晶相的n d ：y a g 纳米前 驱体粉术，该粉术分散性优异，颗粒尺寸小于1 0 0 n m ，为随后的压结成型以及降低 n d ：y a g 烧结温度奠定了良好的基础； 2 、采用机械合金化领域高能振动球磨方式对合成出的陶瓷粉体进行球磨，得到更 加均匀的陶瓷粉木，采用冷等静压成型方式压结出素坯密度较高的n d ：y a g 陶瓷素坯； 3 、采用真空烧结方式，严格控制烧成制度，于仃5 0 真空烧结2 0 小时制备出尺 寸为中2 0 1 m m 的n d ：y a g 光学陶瓷片，该陶瓷片在1 0 6 4 n m 的透光率为8 2 4 5 ， 接近相同尺寸单晶的透光率，为微片陶瓷激光器的研究提供了良好的激光材料； 4 、将最近几近年来发展起来的体视学应用于n d ：y a g 微观结构的研究，定量研 究了陶瓷微观结构体视学参数与透光率之间的定量关系，结果表明： ( 1 ) 随着晶粒三维球当径的增加，n d ：y a g 光学陶瓷透光率逐渐增加，当d 3 s 接近2 0um 左右时，光学陶瓷接近单晶的透光率，烧结温度和烧结时间对透光率和三 维球当径的影响都是线性增加的，但是当达到n d ：y a g 烧结温度时，二者增加的趋势 放缓； ( 2 ) 随着单位体积晶粒平均比表面积s v 和单个晶粒平均比表面积s v p 的增加， 透光率下降，在烧结温度以下时，s v 和s v p 随着烧结温度的变化，其与透光率之间的 变化趋势相似，但是当达到烧结温度时，随着烧结时间的延长，s v 和s v p 却呈现出不 同的变化趋势，其中：s v 与透光率之间呈现线性递减趋势，但是s v p 与透光率之间却 呈现出多阶递减趋势： ( 3 ) 随着晶粒的三维平均自由距离的增加，即晶界宽度的增加，透光率下降， 烧结温度和烧结时间对入有不同的影响，在低于烧结温度时进行烧结时，随着烧结温 度的增加，入与透光率之间是呈现二阶递减的趋势，但是在达到n d ：y a g 最高的烧结 温度时，入与透光率之间是呈现线性递减的趋势： ( 4 ) 以上4 个参数与透光率之间的研究结果同时证明：低于n d ：y a g 光学陶瓷最 高烧结温度时，陶瓷素坯中各个晶粒是同时生长，当达到最高烧结温度1 7 5 0 时，晶 粒生长主要是以晶粒之间的重新排列形式进行： ( 5 ) 随着掺杂浓度的增高，多余的钕离子以异相的形式分布于晶界处，阻碍了晶 粒的生长，增加了晶界宽度，加剧了晶粒的不规则形状，造成了晶体界面的增加，减 小了晶粒的直径，从而增加光的散射体数目，造成透光率的下降，最为理想的掺杂浓 度是i a t ，此时掺杂的外加添加剂s i 0 2 量足以抵消由于掺杂钕离子带来的品格畸变。 关键词：掺钕钇铝石榴石；光学陶瓷；激光材料；纳米粉末；体视学 a b s t r a c t c o m p a r e dw i t ht h es a m ec h e m i c a lc o m p o s i t i o n ，t r a n s p a r e n tn e o d y m i u md o p e d y c tr i u ma l u m i n u mg a r n e t ( n d ：y 3 a 5 0 1 2 ，n d ：y a g ) c e r a m i ch a st h ea d v a n t a g e ss u c h a se a s yf a b r i c a t i o n ，l o wc o s t ，l a r g es i z e ，h i g h l yd o p e dc o n c e n t r a t i o n ，c o n v e n i e n t l y r e a l i z i n g t h e m u l t i l a y e ra n dm u l t i - f u n c t i o n a lc e r a m i cs t r u c t u r e ，s u i t a b l em a s s p r o d u c t i o n ，a n di sb e c o m i n gan e wg e n e r a t i o no fl a s e rm a t e r i a l st os u b s t i t u t et h e s i n g l ec r y s t a l sa n dt oe n l a r g et h el a s e rm a t r i xm a t e r i a l sa r e a a n di t h a st h e s t r a t e g e t i cf u n c t i o ni ns m a l l ，m e d i u ma n dl a r g el a s e rs y s t e m s r e c e n t l y , m a t e r i a l s r e s e a r c h e r sp a yh i g ha t t e n t i o no nt h em a n u f a c t u r em e t h o do fn d ：y a gp r e c u r s o r p o w d e r sa n dt h es i n t e r i n gs t u d yo ft r a n s p a r e n tc e r a m i c sa n dt h e r e a r en o t r a n s p a r e n tc e r a m i c st os a t i s f yt h ea c t u a lu s ed o m e s t i c a l l y i nt h i st h e s i s ，t h en d ：y a gp r e c u r s o rp o w d e r sw e r es y n t h e s i z e d b yt h el c s m e t h o d ，a n dt h es t u d yw a sc a r r i e do u to nt h ey a gc u b i cc r y s t a lp h a s ef o r m j n g d u r i n g t h el c sp r o c e s s t h e s y n t h e s i z e d n d ：y a gp r e c u r s o rp o w d e r sw e r e h i g h e n e r g yv i b r a t i e dm i l l e da n dc o m m o n ，c i pm o l d e di n t on d ：y a gg r e e nd i s k s t h e t r a n s p a r e n tn d ：y a gc e r a m i cd i s k sw i t h2 0 m mi nd i a m e t e ra n d1m mi nt h i c k n e s s w e r ep r e p a r e db yv a c u u ms i n t e r i n gf o r2 0 ha f t e rb e i n gm i l l e da n dp o l i s h e d t h e t r a n s p a r e n tc e r a m i cd i s k sa sp r e p a r e dw i t ht h eo p t i c a lt r a n s m i t t a n c e8 2 4 5 a t 10 6 4 n ma r ec l o s et ot h a to f s i n g l ec r y s t a l s w i t ht h es a m et h i c k n e s s t h e m e a r s u r e m e n t sw e r ec a r r i e do u to nt h ep r o p e r t i e so fn d ：y a gt r a n s p a r e n tc e r a m i c s a n dt h eq u a n t i t a t i v er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h es t e r e o l o g i c a lp a r a m e t e r so fn d ：y a g t r a n s p a r e n tc e r a m i cm i c r o s t r u c t u r e sa n do p t i c a lt r a n s m i t t a n c ew e r es t u d i e db yt h e c o m p u t e rs o f t w a r e ，t h em a i nr e s u l t sa r eg i v e nb e l o w ： 1 t h en a n o s i z e dn d ：y a gc u b i cc r y s t a l p h a s ep r e c u r s o rp o w d e r s w e r e s y n t h e s i z e db yl c sm e t h o da t110 0 。c ，t h ep o w d e r sw e r ef i n e l yd i s p e r s e da n d p a r t i c l e ss i z ew a sb e l o w10 0 n m ，a sb u i l d sag o o df o u n d a t i o nf o rb e i n gp r e s s e da n d l o w e r i n gt h es i n t e r i n gt e m p e r a t u r e ； 2 t h eh i g h - e n e r g ym i l l i n g b e i n gu s e di nm e c h a n i c a l l ya l l o y i n gw a sp u to nt h e a s - s y n t h e s i z e dp r e c u r s o rp o w d e r s ，a n dt h eh i g hd e n s i t yg r e e nd i s k sw e r ep r e s s e d b yc i pm e t h o d ； 3 b ys t r i c t l yc o t r o l l i n gt h es i n t e r i n gp r o c e s s e s ，t h ev a c u u mm e t h o dw a su s e do n t h en d ：y a g , t h et r a n s p a r e n tc e r a m i cd i s k sa s p r e p a r e d w i t ht h eo p t i c a l t r a n s m i t t a n c e8 2 4 5 a t10 6 4 n ma r ec l o s et ot h a to fs i n g l ec r y s t a l sw i t ht h es a m e t h i c k n e s s 。a ss e t sag o o db a s i sf o rm i c r o p l a t es o l i dl a s e r s ； 4 t h em a i ns t u d yw a sc a r r i e do nt h es t e r e o l o g yw h i c hh a sb e e nd e v e l o p e di n r e c e n ty e a r s t h es t e r e o l o g yw a su s e dt oq u a n t i t a v l ys t u d yt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n t h et h es t e r e o l o g i c a lp a r a m e t e r so fn d ：y a gt r a n s p a r e n tc e r a m i cm i c r o s t r u c t u r e sa n d o p t i c a lt r a n s m i t t a n c ew e r es t u d i e db yt h ec o m p u t e rs o f t w a r e ，t h em a i nr e s u l t sa r e ： ( 1 ) w i t ht h ei n c r e a s i n go ft h r e ed i m e n s i o n a ls p h e r ed i a m e t e r , t h et r a n s p a r e n c yo f n d ：y a gc l i m b e d ，w h e nt h ev a l u er e a c h e s2 0um 。t h et r a n s p a r e n c yo fc e r a m i c sw a s c o n s i s t e n tt ot h a to fs i n g l ec r y s t a l s t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e ns i n t e r i n gt e m p e r a t u r e a n dt i m e si sl i n e a ri n c r e a s i n g ，b u tw h e nt h es i n t e r i n gt e m p e r a t u r er e a c h e s17 5 0 ， t h ei n c r e a s i n gt r e n dd e c r e a s e s ； ( 2 ) w i t ht h ei n c r e a s i n go fm e a ns p e c i f i ca r e ao fg r a i n sp e rv o l u m es va n dm e a n s p e c i f i ca r e ao fs i n g l eg r a i ns v p ，t h et r a n s p a r e n c yd e c r e a s e d 。u n d e r17 5 0 ，s va n d s v pk e e pt h es a m ec h a n g e ，b u ta b o v e1 7 5 0 ，s vd e c r e a s e sl i n e a r l yw i t hi n c r e a s i n g o fo p t i c a lt r a n s m i t t a n c e a n ds v pd e c r e a s e sp o l y e x p o n e n t i a l l yw i t hi n c r e a s i n go f o p t i c a lt r a n s m i t t a n c e ； ( 3 ) w i t ht h ei n c r e a s i n go ft h r e ed i m e n s i o n a lm e a nf r e ed i s t a n c e so fg r a i n b o u n d a r y ，n a m e l yt h eg r a i nb o u n d a r yw i d t h ，t h et r a n s p a r e n c y d e c r e a s e d ，t h e s i n t e r i n gt e m p e r a t u r eh a sd i f f e r e n te f f e c to nt h r e ed i m e n s i o n a lm e a nf r e ed i s t a n c e s o fg r a i nb o u n d a r y u n d e r17 5 0 ，入d e c r e a s e sb yt h es e c o n de x p o n e n t i a lt r e n d w i t hi n c r e a s i n go fo p t i c a lt r a n s m i t t a n c e ，b u ta b o v e17 5 0 ，入d e c r e a s e sb yt h e l i n e a rt r e n dw i t hi n c r e a s i n go fo p t i c a lt r a n s m i t t a n c e ； ( 4 ) t h es t u d yo nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e na b o v ef o u rp a r a m e t e r sa n do p t i c a l t r a n s m i t t a n c eh a st h es a m er e s u l t ：u n d e r17 5 0 ，t h eg r a i n si nt h eg r e e nd i s k sg r o w s i m u l t a n e o u s l y ，b u ta b o v e17 5 0 ，t h eg r a i n sg r o wb yt h er e a r r a n g m e n to fg r a i n s ( 5 ) w i t ht h ei n c r e a s i n gm o u n to fd o p e dn di r o n ，t h ea c e s sa m o u to fn di r o n d i s t r i b u t e so ng r a i nb o u n d a r ya sh o m o g e n e o u sp h a s e ，a n dp r e v e n t st h eg r a i ng r o w t h ， i n c r e a s e st h eg r a i nb o u n d a r y , i n c r e a s et h ei r r e g u l a r i t yo fg r a i na n dh e n c ed e c r e a s e t h eo p t i c a lt r a n s m i t t a c eo fn d ：y a gc e r a m i c s t h ei d e a ld o p e da m o u n to fn di r o ni s 1a t ，t h es i 0 2a d d i t i v ec a nr e d u c e st h eg r a i ni r r e g u l a rc h a n g e s k e yw o r d s ：n d ：y a g ；o p t i c a lc e r a m i c s ；l a s e rm a t e r i a l s ；n a n o m e t e rp o w d e r s ； s t e r e o l o g y v 长春理工大学硕士( 或博士) 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的硕士( 或博士) 学位论文，填写论文题目是本人在指 导教师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出 重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 作者签名： ：缢翅递曼年月监只 长春理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“长春理工大学硕士、博士学位论文版权使 用规定”，同意长春理工大学保留并向中国科学信息研究所、中国优秀博硕士学位论文 全文数据库和c n k i 系列数据库及其它国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电 子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长春理工大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编 学位论文。 作者签名：垒邀!垫壁呈年月蔓r 指导导师签名：年五月猃日 第一章绪论 1 1 体视学原理 1 1 1 前言 定量地表征材料微观结构的传统方法被称为体视学( s t e r e o l o g y ) ，该方法是通过 仅能获得的材料的二维截面或材料平面投影的数据，外推出材料在三维空白j 的信息， 从而得到诸如平均晶粒大小，晶粒分布状态以及各相含量等信息【1 。3 1 。 体视学是1 9 6 1 年由国际体系学会主席h a n se l i a s 提出的，其主要内容是通过考 察样品的各种二维图像来研究其三维结构信息。采用“许多”、“很少、“大”或“小” 等定性词语去表述微观结构是不够的，事实上采用数值方法表征材料几何结构的首次 实验可以追溯到1 9 世纪中叶，在2 0 世纪初期，材料科学家借用和发展了体积和平面 的测量方法，而诸如陶瓷晶粒大小分布等复杂问题是2 0 世纪3 0 年代借助简单几何模 型解决的，到2 0 世纪5 0 年代已经基本形成体视学分析的理论基础，并建立起获得数 据的多种仪器设备，在1 9 5 8 年s a l t y k o v 出版了第一本体视学专著，从2 0 世纪6 0 年 代丌始，有关的研究成果大多发表在体视学国际会议的论文集上，借助现代电子显微 技术和计算机技术，可以方便地对材料显微结构进行图像处理并获得相关的定量数据， 这类工作还可以以其它名称形式出现。 体视学的工作分为两大类：一类是体视学基础理论研究，从事这部分工作的大都 是各种类型的数学工作者；另一类是利用这些理论去寻求解决显微组织形貌的描述和 测量的方法的研究，从事这部分工作的大都是生物学工作者、材料科学工作者以及矿 物学工作者等。事实上，相当一部分科学工作者同时从事这两方面的工作，从事体视 学基础理论研究的人应该熟悉体视学的研究方法和基础理论，而对于从事体视学世纪 应用工作的人也应该了解体视学的研究方法和基础理论，只有这样才能够在研究和描 述组织中选择适当参数和丌拓新的更合理的参数。目前，国内从事解决显微组织形貌 的描述和测量的材料科学工作者，生物学工作者以及矿物学工作者等，由于各种原因 他们中的很多人还缺乏系统的体视学知识，特别是很多人还没有了解到体视学对工作 的重要性，这就会在一定程度上影响他们的工作。 1 1 2 体视学基本概念、常用符号和基本操作 体视学的研究对象是组织，在不同学科中因为研究的具体对象不同，对组织的定 义也不尽相同，为了在各个学科都能够使用，在体视学中，取各个学科定义中的共性， 把组织定义为“由相互依赖的各部分以明确的形状构成的整体”。组织中的所谓部分， 就是构成组织的“组元”。组元可以是单一种物质，由一种组元构成的组织就类似于材 料科学中的单相组织；由两种或多种组元构成的组织就类似于材料科学中的复相( 或 多相) 组织。档一种组元以分散的单个的方式分伟于另一组元上，称它们为粒子，这 种组织相当于材料科学中的第二相粒子分散地分布在基体上的组织。粒子可以具有任 何形状，通常把粒子分为凸型或凹型粒子，如果粒子中任意两点的连线一定包含在粒 子的内部的话，也就是说任何一根线穿过粒子仅截出一条弦线的话，这类粒子是凸型 的，反之只要不满足上述定义的都是凹型粒子。 描述一个组织，除了要知道组织中的哪些部分以及它们各属于什么组元的定性信 息之外，还要定量地加以描述，在定量方面常注意组织中所要讨论的组元的体积、表 面积、长度以及个数等量，但是这些都是容量性质，为了要把它们变为强度性质，引 入“密度”概念。“密度定义为单位体积、单位面积或单位长度上的量，例如，对于 组织中某一组元来讲，其空间体积密度、空间表面密度、空间线长密度、空阳j 数量密 度是指在单位空间的组织中所讨论组元的体积、表面积、线长度、数量( 粒子数) 等。 一个测试面切割空间组织，把组元切出来的“像”称为组元的“断面”。在描述整 个组织的断面时，也采用“密度”的概念，但是和空间密度不同，这里的是指单位断 面组织中的量，这些量与空间组织有着密切的关系。在测量空间组织时，不一定只限 于用测试面测量，也可以用其它的几何测试器来和空f 白j 组织相截，例如可以用测试薄 片、测试线和测试点来和空间组织相截。测试线和空间组织的组元相截出的“像 是 线段，在应用“密度”概念时，是指单位测试线上的量，例如单位测试线上截出的组 元“线段”的长度、数量等；测试点和所讨论的组元相截出的“像”时点，这旱的“密 度”概念是指在组元截出的数目以及整体测试点的数目比，所有的这些量也都是和空 问组织密切相关的。测试器用符号t 来表示，以下标来区分测试器的性质：t 2 表示测 试面：t 1 表示测试线；t o 表示测试点，整个组织空间表示为x ，所讨论的组元a 表示 为y ，余下的组元b 表示为基体。 描述组织的量有：体积v 、曲面积s 、平面积a 、线长度l 、点数p 、数量n 。但 是，体视学中所涉及的每种量都可能有多种含义，例如对于点来讲它可以是测试用点， 也可以是测试点和组元相截的“像点”，也可以是测试线和组元表面相截的点。表1 是 目前体视学中常用的符号。 表1 体视学符号 坌开 织 参 数 在截面的断面参数 测试线上的参数 测试集的参数 空间中的密度 在测试集上的密度 定义符号 体积( 组元或组织的体积) v 表面积( 组元) s 空间线性组织的线l j = = 度 l 积分平均曲率 k 积分高斯曲率 g 粒子( 物体) 的数量 n 直径(球)d 卡规直径( 切直径) h 片厚度t 截面面积 a 截面的周界长度 l 和线性组织的交点p 断面轮廓的切点 t 断面数目 n 断面的 规直径( 切直径) d 、h 平面图像的总曲率 c 和组元断面相截的总长度 l 和表面或断面轮廓相截的点p 截线长度或弦长 i 相截的数目 n 测试体积 v t 测试面积a t 测试线长度l t 测试点数目p t 测试面厚度t 体积密度v v 表面积密度s v 空间中的线密度l v 平均曲率密度k v 总曲率( 高斯曲率) 密度g v 个数密度n v 面密度aa 边界k 度密度l a 在面上的交点密度 在面上的断面数培密度 在面上的切点密度 在线上的截线k 密度 在线上的交点密度 在线上的个数密度 点密度 p a n a 历 l l p l n l p p 可能使用的其它符号 j m 、h d 、d f b 、p 、c q n i 、n 、c l 2 、l 3 n t j v m v b a q a 蝴r r l l p p l l l r l p p p l l l p l r r r l r l p p r r r r 一卜r r r r p 体视学方法是以维数比被测量组元低的测试器和组织相截，再从相截得出的测量 量来估算组织参数的方法。所以，测试器( 可能是薄膜、面、线或点) 和组织相截是 体视学方法的基本操作之一，因此测量方法包括计点法、线分析法、面积法以及把计 点和线分析两种方法联合的方法等，根据不同方法测出的几何量按照一定体视学关系 计算出所要求的组织参数，并根据误差以及置信水平的要求，给出参数的置信范围。 如果测试器和所研究的对象的相截痕迹为点p ，这类测试方法称为计点法，若用 测试点t o 和三维物体y 3 相截，或者用测试线t 1 和二维物体y 2 相截，或者用测试面 t 2 和一维物体y 1 相截，痕迹都是点，因此，可以测量的密度参数分别为p p 、p l 和p a ， 所有的这类测试量都涉及点，所以统称为计点法。 p p ：这是一类应用比较早的方法，在实践上用测试点去和三维物体相截来测量p p 是很难的，但是可以在随即的截面上进行测量，这使得p p 测量成为实际上可行，测试 点可以是单点也可以是特别设计的点阵，也可以利用线段的终点作为测试用点。各类 测试用点可以刻划在玻璃上安插在目镜中以直接在显微镜下测量随机截面上的组织， 也可以把点画在透明的纸上或塑料片，用它放在组织照片上或显微镜投影图像上进行 测量。在用点作为测试器时，每一个点都可以看成是一个字样，它有两种可能性：落 在测量组元上或者不落在测量组元上。这种取样方式是符合二项式分布的，所以，要 求每一个字样( 即每一个测试点) 都是相互独立的。在采用点作为测试器时要注意的 是，因为实际上所采用的点并非是真正的几何点，它也同样占有一定的“体积”，同时 被测组元和基体的边界也并非是一个纯几何面，它也占有一定的厚度，这样档一个点 正好落在组元边界上时，无法判断这个点在实际上是落在组元内还是落在组元外，但 是从统计学观点上来看，这种机会各占1 2 ，所以这样的点作为1 1 2 点计算。 p l ：用测试线去和物体表面相截，获得痕迹是点p ，同样，可以在随机截面上测 量来代替在空间的测量。可以用单根线、一组平行线、一组同心圆线以及各向等同的 曲线来作测试线系统。用一根直线作为测试线是最为简单的办法，为了提高效率，对 于随机分布的组元，可以用一组平行线去测量。有时在平行线之外还采用一组同心的 放射线，它们之间的夹角是1 5 。，这是为了测量非均匀分布组织( 即有方向性择优取 向的组织) 时用的，这组射线可以帮助准确测定测试线和组织尤其取向轴间的央角。 还应该注意的是：当测试线的端点恰好落在组元边界上时，根据讨论点测量方法的原 理，这个点只能算作1 ，2 个点。 p a ：是单位截面上的点数，在材料科学中，在截面上品界的三叉节点，用浸蚀坑 显示的位错头等都可能是测量的“对象点”，如果在显微镜下直接测量，每个视场的点 数又是不很少的情况下，因为往往会漏数而实际上难以进行，常在显微镜照片下进行。 线分析法：如果测试线和物体相截所得的痕迹是线段，这类方法称为线分析法。 线分析法所用的测试线可以是单一直线，也可以是一组平行线，但是因为线分析法涉 及线段的长度，所以在测试线上应有相应的刻度，另外可以在显微镜下直接观察时考 移动试样台的方法来测量，当测量l l 时，测试线的真实长度是不需要知道的，但是如 果要求测量穿过物体的真实截线长度i ，则在测量前首先用测微尺测出，在具体使用测 量方法倍数下测试线的真实长度。 面分析法：因为曲面不易直接测量其面积值，所以面分析法只限于测量截面上所 测量截面上所截出的组元痕迹面积a 或面积密度a a 。 数量密度的测量：数量密度包括体积数量密度n v 、面积数量密度n a 和线常数量 密度n l 。n v 是不能直接测量的，n a 和n l 的测量是简单的，只要测量了测试面积a t 或测试线长度l t ，则数出在a t 上的被测量组元的断面数目或数出在测试线l t 上遇到 的被测量组元的断面数目，就可以直接测得n a 和n l 。如果被测组元在空间是各自分 离的，即组元的每一块组元必然和组元的两个边界相交出两个点，所以有n l - - i 2 p l 的关系，其中p l 是指测试线和粒子表面相交的点密度，如果被测量系统中只有一种组 元，组元的每一块都彼此邻接( 如材料中的单相多晶体) ，因为每一个边界都是两块组 元共同的，测试线遇到一块组元时，平均也只和一个边界相交出一个交点，所以有n l = p l 的关系。 基本体视学参数估计 有关空i 日j 的各种密度是不能直接测量的，只可以通过在截面上的测量计算出来， 有关空间各种密度参数和用计点法、线分析法和面分析法所能直接测量的量就是p p 、 p l 、l l 、a a 、p a 等，它们之间的关系如表2 所示： 表2 基本体视学参数和各种测量参数之间的关系 组织参数 n 捌量孝考系p v v= a a= l l- - - p p 4 s v= 二_ l a= 2 p l l v2 p a 1 2 光学陶瓷 所谓光学陶瓷就是指无机粉木材料经过压结成型和烧结以后呈现一定的透明度， 当用1 m m 厚的陶瓷体材料放在有文字的纸上时，可以通过该陶瓷样品读出文字，其透 光率大于4 0 ，就可以称该陶瓷为光学陶瓷。光学陶瓷之所以透明，主要原因是它的 微观结构中气孔率很低，同时晶界宽度小，没有异相晶粒存在，这样造成光的吸收和 散射中心的物质含量很少，同时陶瓷体由单相均质晶体组成，对光的折射很小，并具 有比较高的表面光洁度【4 司。 1 9 5 5 年美国通用电子公司r o b e r tl c o b l e 在研究物理性能、化学性能以及机械 性能优于氧化硅材料的氧化铝时发现如果要使氧化铝陶瓷透明化，其应用前景将十分 可观。他受粉木冶金工艺的启发，通过外加烧结添加剂，氢气气氛保护，1 8 0 0 。c 高温， 于1 9 5 9 年烧制出了第一块透明a 1 2 0 3 多晶陶瓷障7 - s o 该发明是陶瓷学领域的重大突破， 它打破了“陶瓷不透明 的传统观念，极大地推动了陶瓷烧结理论的发展与应用，扩 展了陶瓷材料的应用范围，为新型高性能光学材料的丌发应用开辟了新的途径。a 1 2 0 3 光学陶瓷的研制成功，对其它体系光学陶瓷的合成具有理论指导意义。 光学陶瓷在许多物理技术性能方面都明显超过非光学陶瓷，而且某些参数也优于 单晶材料，它已经在光学、无线电电子学、仪器制造、照明技术、激光技术、飞行技 术等领域得到了同益广泛的应用。近3 6 年来，世界上许多国家，尤其是美国、同本、 英国、俄罗斯、法国等国家都对光学陶瓷材料做了大量的研究工作，先后丌发y 2 0 3 p ，1 0 1 、 m g o 、c a o 、b e o 、s c 2 0 3 、- r i 0 2 、z r 0 2 、t h 0 2 、稀土元素氧化物，镁铝尖晶石【1 1 1 、 钇铝石榴石等光学陶瓷【馏。 1 2 1 光学陶瓷透光性原理 光学陶瓷的微观结构极其复杂，它由晶粒、晶界或品界偏析层、异相杂质、气孔 以及缺陷等构成。当入射光通过光学陶瓷体时，在陶瓷多晶体表面发生反射、折射， 在多晶体内部经过多次散射、吸收p 3 。 入射光通过陶瓷体时产生的光的反射、折射及散射现象如图1 1 所示。 当入射光照射到光学陶瓷介质上时，一部分被反射，一部分进入陶瓷介质发生吸 收，还有一部分透过光学陶瓷体，由方程( 1 。2 ) 式表示： ，o - - ，r + j 一+ ，7 ( 1 1 ) 式中，。一为入射光强： ，押一为反射光强； ，月一为吸收光强； ( 1 j 析出物、气孔引起的散射 2 ) 晶界散射 ( 3 ) 晶界戥起的反射，双折射 4 ) 表面凸凹弓l 起的散射 幽1 1光学陶瓷的微观结构累l 光的散射 ，一为透射光强。 归一化可得： 月+ 彳+ t = l( 1 2 ) 式中，r 为反射率； a 一为吸收率 丁一为透射率。 光学陶瓷的反射是由于空气和光学陶瓷的折射率差别所造成的，这和材料本身的 折射率有关，还与入射光的波长有关。当反射为镜面反射时，反射角等于入射角，当 入射光垂直照射到物体表面时，这种反射称为菲涅耳反射，由方程( 1 4 ) 式给出： 酬籍) 2 ( 1 - 3 ) ，z 十l 式中，玎为物质的折射率，r 可以根据b o n d 法进行计算。 光学陶瓷的吸收是物质中电子吸收光子以后发生能级跃迁，与物质本身原子种类 和结构有关，是物质固有的性质，与入射光的波长密切相关。根据能带方程； e g = 厅= 百h c ( 1 4 ) 式中，e 。一为物质本身的能级大小 h 一为普氏常数： c 一为光的波速： 五一为入射光波波长。 从而可以推出： k 2 尝 ( 1 5 ) 己。 式中，死一材料的截止波长。 当入射光的能量达到或大于电子的能级跃迁能量时，将被完全吸收。光子的能量 随着波长的减少而增加。一般光学陶瓷材料在紫外光波段呈现完全吸收，为不透明状 态。在长波长区域，光学陶瓷的透光性将由于原子或离子的弹性振动与外来的辐射发 生共振而终止，最大的透光波长为： 。五h 巧c 与 2 y ( + ) 式中，a 。积一最大透射波长： h 一普朗克常数； c 一光速： y 一力学常数； m ，一阳离子原子量； m 。一阴离子原子量， 所以光学陶瓷的透光范围为a 。一五m 戤。 光学陶瓷材料在可见一红外光波段的吸收很小。对于单相材料来讲，光在光学陶瓷 中的透光率由吸收系数和材料的厚度来决定，由方程式( 1 8 ) 表示： = i = ( e x p ( 一肛) ( 1 7 ) 式中，五。) 一透过率； ，一透射光强； ，0 一入射光强； r 一反射系数； 一吸收系数； x 一材料的厚度。 对于光学陶瓷来讲，造成材料的吸收主要是材料中存在的光学不均匀体系。造成 光的散射主要是由于晶界处存在的异相物质，烧结过程中存在的丌气孔( 位于晶界处) 和闭气孔( 位于晶粒内) 。异相物质主要是由于原材料的纯度不够以及在烧结过程中加 入的添加剂的析出物所带来的，开气孔和闭气孔是由于在烧结的末期由于陶瓷的粗化 过程要比致密化过程占优，从而带来气孔排除的困难。对于光学陶瓷来讲，晶界处的 异相物质、丌气孔以及闭气孔的尺寸要远远小于入射光的波长，所以由它们带来的光 散射遵循瑞利散射理论，由散射体引起的散射截面积由方程式( 1 9 ) 表示： ( n 2 ) 2 i s ：0 2 s 石5 d 6 3 1 4 竺l 一1 ( 1 8 ) ( 兰) 2 + i r i 式中，s 一散射体引起的散射截面积： d 一散射体的直径； 五一入射光波长； ，| ，一晶粒密度： 一散射体密度。 从式中可以看出：散射截面积与散射体直径的6 次方成正比，和入射光波长的4 次方成反比。随着入射光波长的减小以及散射体直径的增加，散射截面积减少。所以 为减少由散射引起的光衰减必须减少晶界处异相物质的含量，减少光学陶瓷体内开气 孔和闭气孔的含量。 陶瓷体表面通常呈现凸凹不平，入射到其表面的光线一部分因反射而回到原来介 质中，另一部分光通过折射进入陶瓷体内，折射光在光学陶瓷体内因微观结构的不均 匀性使光的强度进一步衰减，这是因为：烧结时残留在晶界处及晶粒内部的气孔( 也 就是丌气孔和闭气孔) 引起的散射；添加剂的偏析或析出而造成了与主晶相不同的异 晶相、在单一相内组成梯度等产生光的散射和吸收；晶体内的空位、位错等缺陷造成 光的散射和吸收；晶界上不连续界面上的反射、双折射引起的散射；由于原材料的纯 度不够，带来的杂质形成异相包裹物引起光的散射与吸收；在烧结过程中由于温度的 变化带来的热应力所造成以及磨、抛等后续工艺带来的微裂纹对光造成散射与吸收。 当折射光经过上述各种因素的多次散射与吸收，透射出陶瓷体外，光的强度便发生严 重的衰减，当光强度衰减到零时，陶瓷体就不透光了。 通过以上讨论可知，要想得到比较高的透光范围，首先应该选择在物质具有比较 高的禁带宽度，同时要有原子问结合和比较大的原子量。为了得到比较高的透明度， 该物质的单晶应该没有光学各相异性，最好是在晶体结构上形成具有立方晶系的物质。 但是在光学上是单轴性的物质，可以是透射光变成散射光而通过。对于那些各相异性 的晶体，应该选择双折射程度比较小的物质，基本上接近于各相同性，光有可能通过。 对晶界处异相析出物以及丌气孔和闭气孔进行严格控制，使折射光在陶瓷体内的散射 降低到最低程度。对陶瓷体表面进行精确加工处理，使其表面光洁度达到很高的程度。 1 2 2 影响光学陶瓷透光性的因素 透光率是衡量光学陶瓷的主要性能指标，也是区别于其它类型陶瓷的一个重要标 志。要制备出高透明度的陶瓷，就必须研究并确定影响该性能的因素。影响光学陶瓷 透明度的因素很多，总体而言可以分为材料的固有性质以及陶瓷制作工艺性质两大类。 其中原材料的纯度以及添加剂的种类与含量为材料的固有性质，粉料的分散性与烧结 活性、陶瓷素坯成型方式与压力、烧结气氛、烧成温度制度、气孔率、晶界结构和陶 瓷样品表面粗糙度为陶瓷制作工艺性质。 1 、原材料的纯度。 原材料的纯度是影响光学陶瓷透明度诸多因素中主要因素之一。原材料中的杂质 在陶瓷体烧结时容易形成不溶于主晶相的异相杂质，分布在晶界处，从而成为光学散 射中心。减弱透射光在入射方向上的强度，明显降低光学陶瓷的透光度。无论采用何 种制造工艺，一定要采用高纯原料。固相法制备光学陶瓷中，氧化物的纯度都为9 9 9 9 ( 4 n ) 。液相法制备工艺中，氧化物的纯度为9 9 9 9 ( 4 n ) ，同时由于采用液相法制 备，可以减少杂质的影响。在粉料的球磨工艺中要对球磨罐进行彻底清洗，同时采用 高纯氧化铝球或者氧化锆球进行球磨，制备好的粉体材料应该储存起来，在随后的模 压或冷等静压工艺中要对模