[发明专利]增强透明陶瓷的方法以及陶瓷

说明书

本发明涉及陶瓷领域，并涉及具有提高的可负荷性的透明复合部件。本发明的目的在于提供透明陶瓷部件，其克服了迄今在断裂韧性方面的缺点。该目的通过制备透明陶瓷复合材料的方法来实现，其中形成至少一个近表面平坦透明区域，该区域具有比部件的其余部分更小的热膨胀系数，从而在热处理和冷却之后在近表面区域中产生压应力。所述一个或多个近表面区域可以通过单独涂层的布置或直接在制备期间通过相应的化学计量梯度产生。

本发明涉及陶瓷领域，并涉及具有提高的断裂韧性的透明复合部件。特别地，本发明涉及新方法，以增强和加固多晶透明陶瓷以及有针对性地影响折射率和反射。

现有技术

从文献中已知许多透明组件，其具有几乎不依赖于厚度的对于紫外、可见和红外波长的高的光透射率。

在立方Mg-Al尖晶石中，例如可以实现厚度在cm范围内的部件的清晰的透视性，只要残余孔隙率可以降至低于百分之一。为此，烧结步骤通常在1500℃以上的高温下进行，但这可能由于晶粒生长而不利地导致降低的可负荷性。

最近的研究表明，新的细晶尖晶石陶瓷可以避免这种缺点。这些尖晶石陶瓷的透射率对层厚度的依赖性小且在UV至IR的宽波长（λ= 2∙10^-7 - 6∙10^-6 m）范围内具有高透射率。此外，它们由于其低至<1 μm的小粒度而具有高硬度（HV10 = 1450 - 1500）[1]。

图1中示出了不同材料的透射率对波长的依赖性的概述。在此，由文献可得的PC[2]和硼硅酸盐[3]的数据以及立方c-ZrO₂ [4]和MagAl₂O₄ [5]的数据描绘在该图中。

为了用作保护层，对这样的透明陶瓷提出了高要求。在此特别地，除了高弹性模量之外，高硬度也属于高保护作用的最重要的前提条件。

致密烧结的多晶陶瓷的硬度既可以比相应单晶的硬度更大，也可以更小，特别是当存在细颗粒（feinkörnig）结构时可以更高。

透明陶瓷的抗断裂性在此通常显著低于预测的理论值，因此透明陶瓷由于其目前较高的制备成本而仅在特殊应用中与玻璃或单晶竞争。

对于金属、合金、玻璃和不透明陶瓷，早就已经描述了通过将压应力引入部件表面可以进行加固或增强。

例如从现有技术中已知，不透明陶瓷的加固或增强可以通过制备层压材料来进行。在这种情况下，一方面使用不同的陶瓷，其各自具有不同的热膨胀系数。另一方面，例如通过离子注入用阳离子掺杂也导致在表面处产生压应力，其中该阳离子具有比基础结构的阳离子更大的原子半径。

迄今已知的用于通过将压应力引入表面来增强不透明陶瓷的方法不能容易地转用于透明陶瓷，因为不透明陶瓷对透光性提出不与如下所示相同的要求：

- 在具有不同折射率的透明陶瓷之间的界面必须平坦且具有垂直于光的入射的取向；

- 具有不同折射率的区域、裂缝或孔隙仅允许以小于材料的0.01体积％存在；

- 透明陶瓷的固有应力必须在垂直于入射光的平面内具有均匀取向，正如应力梯度必须具有垂直于入射光的取向那样；

- 晶体结构必须不变地延伸直至界面，特别是在立方结构的情况中；

- 多晶双折射透明陶瓷的粒度必须处于穿透光的预期波长以下；

- 另外，透明陶瓷在透光性方面的性能不允许在陶瓷制备过程中改变。