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为啥玻璃透明,而陶瓷不透明?
发布时间: 2021-01-25 17:15 | 【 【打印】【关闭】

  相信大家都明显感知到一个客观的现象,“玻璃是透明的,陶瓷一般是不透明”的。但是为啥呢?下文一起来探索一下。

  

 玻璃&陶瓷(图片源自网络)

  透明的定义 

  透光性是指材料允许光线透过的性质,可用透光率表示,即透过材料的光线的强度与入射光的强度之比。透光性好的材料,其透光率可高达90%以上;而不透光材料,透光率为零。此外,还将透光率较小的材料称为半透明材料。此外,仅仅是透光无法构成我们认知里面的“透明材料”,看看下图“透光不透视&透光且透视”你就有个感性认知,后者才是我们要的透明材料,透明材料除了透光之外还可以被透视;即它们允许明晰的图像穿过(意思是你隔着这透明材料还很清楚的看到了对面的情景,并且你能看懂这东东对面是啥。想想我们常将某人当成透明人,比喻成眼里没这个人,不影响我们视野的人,呵呵)。相反的属性被称为不透明性。当然,完全透明可能不存在,毕竟完全透明的材料我们也看不见不是么。

  我们(吃瓜群众们)通常意义上说的透明不透明,都是局限于可见光波段--波长介于390纳米到750纳米之间。题目所说的:为啥玻璃透明,陶瓷不透明?当然也是指向这个波段范围。

  

 各种光及波长

  光是电磁波的一种,事实上,人眼看上去透明的东西,对于超出可见光波段的电磁波,就不一定是透明的,反之亦然(例如玻璃,详见后文解释)。举个例子,X光就是波长很短的光,可见光透不过的人眼看不穿的肉身,对X光是透明的,根据人体软组织和骨骼吸收X射线的能力不同,因此X射线可用来给人做身体检查,X光成像对医疗非常有用。

  

 X光下的骨骼

  借助X光及其他相关技术,我们拥有了透视人体的能力。

  那是什么影响了材料的透不透明? 

  对于材料透明与否,或者透明程度,主要取决于两点:①是否发生光(电磁波)的吸收,②是否发生光(电磁波)散射或多次反射。

  那么,什么决定了物质对光的作用呢,因素很多,最基本的就是物质的电子结构。我们知道物质原子是由原子核和电子构成的,实际上电子很活泼,可以吸收光子从而增加自己的能量。光一旦被吸收,这个物质就表现为不透明了。但也并不是什么光都吸收的,具体的选择是由量子力学规律所决定的。这其中涉及到固体物理学的基本原理,包括固体的能带结构和带间跃迁,带内跃迁等等。(知乎引文:姚杰,光学与材料学科研中)。

  比如玻璃,其电子由于量子力学限制无法吸收可见光,所以光线就直接穿透过去,因而呈现透明状。但是,玻璃也并不是永远透明的,比如说对于某些红外和紫外光线,玻璃就是不透明的,因为那些波段范围的光子玻璃是可以吸收,一个很经典的例子就是,得了佝偻病隔着玻璃晒太阳是接收不到来自紫外线的恩泽的。隔着玻璃晒太阳,没有什么补钙效果,这是因为玻璃能够吸收发挥作用的紫外线已经被玻璃给吸收了。

  除了内在基本属性,晶界对光的散射等问题也会影响材料的透明度。为了进一步阐述这个问题,我们需要将单晶体、多晶体和非晶区别对待,同时考虑一下厚度的影响。

  对于单晶,透明与否仅仅跟禁带宽度有关。宽禁带的材料,可见光(380-780nm)无法激发其禁带间的电子跃迁,表现为对可见光不吸收。比如ZnO(3.4eV),GaN(3.4eV)。相对地,窄禁带的,比如1eV,可见光中的短波部分就可以激发其电子跃迁,表现为可见光波段被材料吸收了,所以就不透明了,比如Si(1.2eV),但是硅对大部分红外线都是透明的,可以替代玻璃。极端情况下,比如金属,禁带为零,也是不透明。

  

 不透明的硅单晶

  而对于多晶体,除了禁带吸收之外,还要晶界对光的散射。光在晶界处被散射到各个方向,宏观上就表现为白色。比如,单晶Al2O3、ZnO是透明的,但是他们对应的陶瓷,就呈现不透明或者半透明的白色,就是因为陶瓷一般是多晶体。对于光的散射,我们可以类比一下可以大雾天,水雾很多的时候,或者在山顶上看云海,就是白色的。实际上小水滴是透明的,空气也是透明的,但是因为气液界面的存在,对光有散射(或者折射),所以能见度就低了;还有一个案例就是水和游的乳浊液,水中分散的小油滴,有很多油-水界面,对光散射使之表现为白色。

  最后,还有厚度的影响。石墨是不透明的,但是变成一层,即石墨烯的时候,很透明,只有2.3%的吸收。因为一层原子对光的吸收是有限的。金属很薄的时候,也可以透明或者半透明。

  不过,陶瓷可以透明。虽然一般陶瓷是不透明的,但是光学陶瓷却显示出像玻璃一样透明性,故称透明陶瓷,透明陶瓷不仅拥有玻璃的透光能力,还具有强于玻璃材料的机械性能及更高的化学稳定性,让应用工程师们多了些选材,多了些创造力。我们知道一般陶瓷不透明的原因是其内部存在有杂质和气孔,前者能吸收光,后者令光产生散射,所以就不透明了。因此如果选用高纯原料,并通过工艺手段排除气孔就可能获得透明陶瓷。早期就是采用这样的办法得到透明的氧化铝陶瓷,后来陆续研究出如烧结白刚玉、氧化镁、氧化铍、氧化钇、氧化钇-二氧化锆等多种氧化物系列透明陶瓷。近期又研制出非氧化物透明陶瓷,如砷化镓、硫化锌、硒化锌、氟化镁、氟化钙等。

  

 光学窗口用透明陶瓷(来源:上硅所)

  但并不是满足了如上的硬件基础条件就能把所有陶瓷材料都变成透明陶瓷,有一个我们不得忽视的点是材料的基因结构属性是决定透明陶瓷有没有机会变成透明的重要因素。

  并不是所有的材料都可以用来制造透明陶瓷,因为具有低对称结构的陶瓷中的晶粒是光学各向异性的,这会导致光在穿过晶界时散射。因此,透明陶瓷材料必须具有高度对称的晶体结构;大多数透明陶瓷具有立方结构,同时一些具有四方和六角形结构的材料也可以制成透明陶瓷(因为它们没有或者只有很弱的双折射问题),尽管这些材料更难加工。

  文章来源:粉体圈、新材料网

  文章链接:http://www.xincailiao.com/news/news_detail.aspx?id=585964 

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