Оптична керамика

Оптична керамика, модерни индустриални материали, разработени за използване в оптични приложения.

Оптичните материали се възползват от реакцията им на инфрачервена, оптична и ултравиолетова светлина. Най-очевидните оптични материали са очилата, които са описани в статията индустриално стъкло, но керамиката също е разработена за редица оптични приложения. Тази статия разглежда няколко от тези приложения, както пасивни (напр. Прозорци, радоми, обвивки на лампата, пигменти), така и активни (например фосфори, лазери, електрооптични компоненти).

Пасивни устройства

Оптични и инфрачервени прозорци

В чистото си състояние повечето керамика са изолатори с широка лента. Това означава, че има голяма пропаст от забранени състояния между енергията на най-високо запълнените електронни нива и енергията на следващото най-високо незаето ниво. Ако тази празнина е по-голяма от оптичните светлинни енергии, тази керамика ще бъде оптично прозрачна (въпреки че праховете и порестите компакти от такава керамика ще бъдат бели и непрозрачни поради разсейване на светлината). Две приложения на оптично прозрачна керамика са прозорци за четящи баркодове в супермаркетите и инфрачервени радоми и лазерни прозорци.

Сапфирът (монокристална форма на алуминиев оксид, Al ₂ O ₃) е използван за прозорци на каси в супермаркета. Той комбинира оптична прозрачност с висока устойчивост на надраскване. По подобен начин монокристална или инфрачервено-прозрачна поликристална керамика като натриев хлорид (NaCl), калиев хлорид, легиран с рубидий (KCl), калциев флуорид (CaF) и стронциев флуорид (SrF ₂) са използвани за устойчиви на ерозия инфрачервени радоми, прозорци за инфрачервени детектори и инфрачервени лазерни прозорци. Тези поликристални халидни материали имат тенденция да предават по-ниски дължини на вълната от оксидите, простиращи се до инфрачервената област; обаче техните зърнени граници и порьозността разсейват радиацията. Поради това те се използват най-добре като монокристали. Като такива обаче халидите са недостатъчно силни за големи прозорци: могат да се деформират пластично под собствената си тежест. За да ги засилят, монокристалите обикновено са горещо ковани, за да предизвикат чисти граници на зърното и големи размери на зърното, които не намаляват значително инфрачервеното предаване, но позволяват на тялото да устои на деформация. Алтернативно, едрозърнестият материал може да бъде лепен с леене.

Пликове за лампа

Електрическите лампи за разтоварване, в които затворените газове се захранват от приложено напрежение и по този начин се правят да светят, са изключително ефективни източници на светлина, но топлината и корозията, участващи в тяхната работа, избутват оптичната керамика до техните термохимични граници. Основен пробив се случи през 1961 г., когато Робърт Кобъл от General Electric Company в САЩ демонстрира, че алуминият (синтетичен поликристален, Al ₂ O ₃) може да бъде спечен до оптична плътност и полупрозрачност, използвайки магнезия (магнезиев оксид, MgO) като агломерираща помощ. Тази технология позволява изключително горещото натриево изхвърляне в лампата с високо налягане натрий-лампа да се съдържа в огнеупорен материал, който също предава своята светлина. Плазмата във вътрешната обвивка на алуминиевата лампа достига температури от 1200 ° C (2,200 ° F). Емисиите на енергия обхващат почти целия видим спектър, създавайки ярка бяла светлина, която отразява всички цветове - за разлика от лампата с ниско налягане натрий-пара, чийто кехлибарен блясък е често срещан в скилините на големите градове.

Пигменти

Керамичната цветна или пигментна индустрия е дългогодишна, традиционна индустрия. Керамичните пигменти или петна са направени от оксидни или селенидни съединения в комбинация със специфични елементи от преходен метал или рядкоземни елементи. Поглъщането на определени дължини на вълната на светлината от тези видове придава специфични цветове на съединението. Например, кобалт алуминат (въглища ₂ O ₄) и кобалт силикат (Co ₂ SiO ₄) са сини; калай-ванадиев оксид (известен като V-легирани SnO ₂) и циркониево-ванадиев оксид (V-легирани ZrO ₂) са жълт; кобалт хромит (CoCr ₂ O ₃) и хром гранат (2CaO · Cr ₂ O ₃ · 3SiO ₂) са зелени; и хром хематит (CrFe ₂ O ₃) е черен. Истински червен цвят, който не е наличен в естествено срещащи се силикатни материали, се намира в твърди разтвори на кадмиев сулфид и кадмиев селенид (CdS-CdSe).

Праховите пигменти се влагат в керамични тела или глазури, за да придадат цвят на изпечените изделия. Топлинната стабилност и химическата инертност по време на изпичането са важни съображения.