Optikai kerámia

Optikai kerámia, fejlett ipari anyagok, amelyeket optikai alkalmazásokhoz fejlesztettek ki.

Az optikai anyagok hasznosságát az infravörös, optikai és ultraibolya fényre adott válaszuknak köszönhetik. A legnyilvánvalóbb optikai anyagok az üvegek, amelyeket az ipari üveg cikkben írnak le, de a kerámiákat számos optikai alkalmazásra is kifejlesztették. Ez a cikk ezen alkalmazások közül többet vizsgál, mind passzív (pl. Ablakok, sugárzás, lámpák burkolatai, pigmentek), mind aktív (pl. Foszforok, lézerek, elektro-optikai alkatrészek) szempontjából.

Passzív eszközök

Optikai és infravörös ablakok

Tiszta állapotukban a legtöbb kerámia széles sávú szigetelő. Ez azt jelenti, hogy nagy a tiltott állapotok közötti különbség a legjobban kitöltött elektron szintje és a következő legmagasabb ki nem töltött energia között. Ha ez a sávrés nagyobb, mint az optikai fényenergia, akkor ezek a kerámiák optikailag átlátszóak lesznek (bár az ilyen kerámia porok és porózus kompakt anyagok fehér és átlátszatlanok lesznek a fényszórás miatt). Az optikailag átlátszó kerámia két alkalmazási területe: szupermarketekben használt vonalkód-leolvasók ablakai, valamint infravörös sugárzó és lézeres ablakok.

A zafitot (egykristályos alumínium-oxid, Al ₂ O ₃ formája) használták a szupermarketek pénztárának ablakaihoz. Egyesíti az optikai átlátszóságot a nagy karcállósággal. Hasonlóképpen, egykristályos vagy infravörös átlátszó polikristályos kerámiákat, például nátrium-kloridot (NaCl), rubidium-adalékolt kálium-kloridot (KCl), kalcium-fluoridot (CaF) és stroncium-fluoridot (SrF ₂) használtak erózióálló infravörös sugárzásokhoz, ablakok infravörös érzékelőkhöz és infravörös lézerablakok. Ezek a polikristályos halogenid anyagok általában alacsonyabb hullámhosszon továbbítják az oxideket, mint az infravörös régió; szemcsék határok és a porozitás szétszórják a sugárzást. Ezért ezek a legjobban monokristályokként használhatók. Mint ilyen, a halogenidek azonban nem elég erősek a nagy ablakokhoz: saját súlyuk alatt plasztikusan deformálódhatnak. Erősítésük érdekében az egyes kristályokat jellemzően melegen kovácsolják, hogy tiszta szemcséket és nagy szemcseméreteket vezessenek be, amelyek nem csökkentik jelentősen az infravörös átvitelt, de lehetővé teszik a testnek, hogy ellenálljon a deformációnak. Alternatív megoldásként a nagy szemcsés anyag önthető öntéssel.

Lámpa borítékok

Az elektromos kisülőlámpák, amelyekben a zárt gázokat egy alkalmazott feszültség energiával látja el, és ily módon izzásra késztetik, rendkívül hatékony fényforrások, de működésük során bekövetkező hő és korrózió az optikai kerámiákat termokémiai korlátaikhoz vezetik. Nagy áttörés történt 1961-ben, amikor Robert Coble, az Egyesült Államokban a General Electric Company bemutatta, hogy az alumínium-oxidot (szintetikus polikristályos, Al ₂ O ₃) optikai sűrűségre és áttetszőségre lehet szinterezni magnézium (magnézium-oxid, MgO) mint szinterezési segédanyag. Ez a technológia lehetővé tette a nagynyomású nátriumgőzlámpa rendkívül forró nátriumkisülését egy tűzálló anyagban, amely szintén továbbította a fényét. A belső alumínium-oxid-lámpa burkolatában lévő plazma 1200 ° C (2,200 ° F) hőmérsékletet ér el. Az energiakibocsátás csaknem a teljes látható spektrumot lefedi, és élénk fehér fényt hoz létre, amely minden színt tükröz - ellentétben az alacsony nyomású nátriumgőzlámpával, amelynek borostyánszínvilágítása gyakori a nagyobb városok látképein.

pigmentek

A kerámia- vagy pigmentipar régóta működő, hagyományos ipar. A kerámia pigmentek vagy foltok oxid vagy szelenid vegyületekből készülnek, speciális átmeneti fém vagy ritkaföldfémekkel kombinálva. Bizonyos fényhullámhosszok abszorpciója ezekkel a fajokkal specifikus színeket kölcsönöz a vegyületnek. Például a kobalt-aluminát (CoAl ₂ O ₄) és a kobalt-szilikát (Co ₂ SiO ₄) kék; ón-vanádium-oxid (ismert mint V-adalékolt SnO ₂) és a cirkónium-vanádium-oxid (V-adalékolt ZrO ₂) sárga; a kobalt-kromit (CoCr ₂ O ₃) és a króm gránát (2CaO · Cr ₂ O ₃ · 3SiO ₂) zöld színű; és a króm-hematit (CrFe ₂ O ₃) fekete. A valódi vörös szín, amely a természetben előforduló szilikátanyagokban nem áll rendelkezésre, a kadmium-szulfid és a kadmium-szelenid szilárd oldataiban (CdS-CdSe) található meg.

A porított pigmentet kerámia testekbe vagy mázakba építik be annak érdekében, hogy színt kapjanak a kiégett tárgyakra. Fontos szempont a hőstabilitás és a kémiai tehetetlenség égetés közben.