[发明专利]透明陶瓷作为不易破裂的光学元件的组件

说明书

本发明涉及透明刚玉陶瓷部件，所述部件的制造和用途。

透明陶瓷可用于多种应用。由高应用温度和高硬度导致相比于玻璃材料的优先考虑。例如，透明陶瓷目前用于光学元件（例如，作为激光设备的防护外壳(Schutzeinhausung)，作为光学元件中的抗磨板）以及作为由透明材料系统组成的军用车辆的防护板。单晶（蓝宝石）和多晶（刚玉）氧化铝是具有极高硬度的陶瓷。优异的对硬质材料（如矿石）的抵抗和高抗压强度和出色的抗弯强度以及适度的断裂韧度的组合使得其是不易破裂(bruchfeste)的光学元件的理想材料解决方案。

陶瓷的透明度(Transparenz)主要(vordergruendig)取决于材料的折射率和部件的无错误。材料的折射率n通过表面反射来确定理论透射率(Transparenzgrad)T₀，其在真实部件中由于光吸收和光散射而变小。陶瓷的理论透射率为85-87％。对于刚玉，得出理论透射率T₀ = 85.7％（其中n_{λ= 600nm} = 1.76）。为了达到理论透射率，需要理想制造的，即无孔的内部结构(Gefuege)（孔隙率<100ppm）和纯相组成（纯度> 99.9％，更好地99.99％）。

晶体尺寸<500nm的多晶亚微米刚玉（α-Al₂O₃）的机械性能优于所有透明立方陶瓷如镁铝尖晶石、氮氧化铝和钇铝石榴石的机械性能。可以实现至最多2200HV10的硬度、700-1000MPa的抗弯强度、> 400GPa的弹性模量和至最多4MPa√m的断裂韧度。目前作为透明材料的用途受到光学各向异性晶体系统和导致的光波的双折射的限制，因为不能实现>65％的足够的透射率。

只有当晶体尺寸保持在光波波长（380-480nm）以下时，才能实现刚玉部件的>65％高透明度。这样的材料可以通过具有<150nm，更好地<80nm，且理想地<50nm的初级粒径的最细起始粉末在技术上实现。具有至最多1500ppm外来物质（优选高达500ppm的氧化镁）的掺杂被称作晶粒生长抑制剂。此外，晶粒的定向排列(Ausrichtung)可导致提高的透明度。

陶瓷的透明度通常通过真实在线透射率（RIT）来指定。在此，光（通常是单色光）照射通过样品，检测器仅捕捉具有最大0.5°的低孔径角的散射光。该测量尺寸目前是用以可靠说明光学组件的透明度的标准值。

透明组件的不透明性由人眼来记录，并且仅在有限程度上经RIT描绘。不透明区域降低高价值显示-组件（例如智能手机、平板电脑、表盖玻璃、抗刻划传感器板）的品质。白色不透明性的度量(Masszahl)是以非常敏感的方式考虑散射光的雾度(Haze)。低雾度在显示-组件和光学应用中是必不可少的。在透明陶瓷的情况下，迄今尚未考虑“雾度”参数。

由于折射率的偏离，光波在相变时在不同的方向上衍射，这由于光波的偏转而导致透明度损失。为了高透明度，必须避免外来相，或者将外来相含量设定得尽可能小。在非立方和光学各向异性的刚玉晶体中，由于折射率是方向依赖性的（Δn= 0.008），因此光波在晶界处额外衍射。如果晶体尺寸小于各自的光波长，则可以减少透明度损失；例如，对于可见光光谱（380-780nm）中的高透明度，需要直径小于380nm的晶粒。特别是，不含外来元素的纯晶界是所需的。

尽管有已知的掺杂策略，但由于晶粒生长在高固结温度下发生，迄今尚未实现具有高透射率（RIT> 65％）且无掺杂物的透明刚玉陶瓷的制造。在US 7396792 B2中描述了一种透明多晶刚玉，其可以以RIT≥30％的透明度值制造，其中通过掺杂有MgO（≤0.3重量％）和ZrO₂（0.1-0.5重量％）来限制晶粒生长。刚玉组件的厚度为0.8mm。其他掺杂剂是金属氟化合物，其至最多2000ppm被添加到超纯刚玉粉末（杂质<100ppm）中（DE 102009035501 A1）。由此可以生产高密度和微细结晶的刚玉陶瓷（平均内部结构晶粒尺寸d50 <500nm）。本文件中没有描述透明部件。

因此，本发明的目的是制造和加工(Fertigung)刚玉陶瓷部件，以及用于制造部件的方法。