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第２４卷第５期

無機材料學(xué)報

Ｖ０１．２４，Ｎｏ．５

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文章編號：１０００．３２４ｘ（２００９）０５旬８７３棚ＤｏＩ：ｌＯ．３７２４／ＳＰ．Ｊ．１０７７．２００９．００８７３

透明陶瓷—

—無機材料研究與發(fā)展重要方向之一
江東亮
（中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所高性能陶瓷和超微結(jié)構(gòu)國家實驗室，上海２０００５０）
摘要：透明陶瓷是在納米材料科學(xué)與技術(shù)和先進陶瓷制備科學(xué)發(fā)展的基礎(chǔ)上，集結(jié)構(gòu)與功能一體化于一身的重要材

料，它將為國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域的發(fā)展和國防工業(yè)中高科技項目的發(fā)展提供關(guān)鍵材料．同時陶瓷從傳統(tǒng)不透明一半透明一
接近完全透明涉及到大量基礎(chǔ)科學(xué)問題，尤其是材料的微結(jié)構(gòu)（包括氣孔、晶界、晶粒尺寸、形貌等等）對光物理的影響 還不十分清楚，因此作為無機材料研究與發(fā)展的重要方向之一，需要化學(xué)、物理、材料、激光等各個學(xué)科領(lǐng)域的共同努 力．本文著鶯介紹透明陶瓷的研究進展． 關(guān)鍵詞：透明陶瓷；微結(jié)構(gòu)；光物理；納米粉體；制備科學(xué) 中圖分類號：ＴＱｌ７４；ＴＢ３８３ 文獻標(biāo)識碼：Ａ

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ｋｅｙ ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｆｏｒ ｎａｔｉｏｎａｌ ｅｃｏｎｏｍｉｃ ｄｅＶｅｌｏｐｍｅｎｔ ａｎｄ ｄｅｆｅｎｓｅ ｎｅｃｅｓｓａｒｙ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｔｅｃｈｎ０１０９），ｎｅｅｄｅｄ． 明ｍｅ ｔｉｍｅ，ｔｈｅ ｐｍｃｅｓｓ ｏｆ ｃｅｒａｍｉｃｓ ｆ而ｍ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｏｐａｑｕｅ ｔｏ ｔｒａｎｓｌｕｃｅｎｔ ａｎｄ
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陶瓷是由粉末燒結(jié)而成，因此它是由晶粒、晶界 和氣孔組成的多晶體．由于光照射在晶界和氣孔處會 產(chǎn)生光吸收、反射、折射、散射等，故從光學(xué)意義上來 說，多晶陶瓷一般是不透明的．１９６２年，美國ＧＥ公 司的ｃｏｂｌｅ博士…通過采用高純、超細原料，并控制 微結(jié)構(gòu)，首先研制成半透明多晶氧化鋁陶瓷，但是仍 有微量雜質(zhì)和缺陷存在，陶瓷的直線透過率只有 １５％左右．盡管如此，半透明多晶氧化鋁陶瓷作為一 種重要光源材料在高壓鈉燈方面仍得到了廣泛應(yīng) 用Ｈ１．此后各國陶瓷科學(xué)家進行了廣泛努力，從燒結(jié)

致密化到控制晶粒的生長，從不同的晶系和摻雜選擇

等方面ｐ刮來制備具有各種功能的透明陶瓷，先后研
制成激光透明陶瓷、透明閃爍陶瓷、光學(xué)透明陶瓷等， 但光學(xué)質(zhì)量和光的直線透過率始終沒有取得重大的 突破，并且由于坯體存在微量雜質(zhì)和殘余氣孑Ｌ以及晶 界的散射，也沒有獲得實際應(yīng)用．直到２０世紀(jì)９０年 代以后，隨著納米材料的研究與發(fā)展¨引，高純度均 勻納米粉體的制備、分散技術(shù)的突破以及先進陶瓷材 料制備科學(xué)與技術(shù)的進步¨叭１３ Ｊ，使得制備接近理論密 度、氣孑Ｌ率接近于零的透明陶瓷成為現(xiàn)實．一系列高

收稿日期：２００９－０４－１５．收到修改稿日期：２００９旬５．１３

作者簡介：江東亮（１９３７一），男，巾國工程院院士．Ｅ—ｍｉｌ：ｍｊｉａＩｌｇ＠Ｉｎａｉｌ．ｓｉｃ．們．ｃｎ

萬方數(shù)據(jù) 　

８７４

無機材料學(xué)報

第２４卷

質(zhì)量的具有各種功能（透光、透紅外、激光、高折射率、
閃爍等）的透明陶瓷相繼出現(xiàn)，如摻Ｎｄ—ＹＡＧ¨４。１引、

料，還存在晶界引起的雙折射和漫散射．除上述條件 外，還要采用一些特殊工藝消除氣孔，如結(jié)構(gòu)定向． 此外，對于特定的應(yīng)用還需要選擇相應(yīng)的組成和 專門的添加劑來滿足光物理性能要求，例如：作為激 光應(yīng)用材料摻Ｃｒ２０，的Ａｌ：Ｏ，，摻稀土離子（Ｎｄ或 Ｙｂ）的ＹＡＧ陶瓷等；而作為醫(yī)用的閃爍陶瓷，要求所 選材料應(yīng)具備高密度、高光電子轉(zhuǎn)換效率、短衰減時 間（＜１００ｎｓ）以及低成本等．目前大部分透明陶瓷材

ｚｒｏ』１６］；Ｙ２０；１川、ＭｇｒＡｌ２０５１ ９｜、ｓｉ３Ｎ５２０】、ＡｌｏＮ［２１?２２】、
ＭｇＦ［２３１和ｚｎｓⅢ１等．透明陶瓷的特殊功能與先進陶 瓷固有的一些特性，如耐高溫、耐磨、耐腐蝕、高強度、

８‘１

高硬度等相結(jié)合，將為高技術(shù)和國防等領(lǐng)域提供十分
重要的材料．本文將從透明陶瓷的光物理基本概念出

發(fā)，針對各種應(yīng)用——照明、光學(xué)與醫(yī)用儀器、激光、
裝甲、紅外分別介紹． １

料的研發(fā)，在組成的選擇上基本是選用原有相應(yīng)晶體
的組成．考慮到陶瓷制備上的特點，應(yīng)該可以有較大 的創(chuàng)新，開發(fā)一批新的透明多功能材料，滿足各種光 學(xué)應(yīng)用需求．

透明陶瓷的基本光物理
光通過物體時必然會產(chǎn)生反射、折射、散射和透

過等一系列現(xiàn)象舊５｜．對于多晶陶瓷來說，由于存在大 量晶界和各種缺陷，對光的散射和雙折射現(xiàn)象特別嚴(yán)

（１）Ｓｃ緘ｅｒｉｎｇ ｄｕｅ
ｉｎｃｊｕｓｉｏｎｓ
ｏｒ

ｔｏ

ｐＯｒｃｓ

重，因此大部分多晶陶瓷是不透明的．圖１列出光在
多晶體中傳播過程的示意圖ⅢＪ．光在氣孔周圍產(chǎn)生 大量散射，在晶界上產(chǎn)生折射和漫散射，對于非立方 晶系這種現(xiàn)象更為嚴(yán)重，因此大部分透明陶瓷常選用 具有立方結(jié)構(gòu)的材料以提高透明度．通常采用真實直 線透過率ＲＩＴ（ｒｅａｌ
ｉｎ—ｌｉｎｅ

（２）Ｓｃａｔｔｃｒｉｎｇ ｂｙ ｇｒａｉｎ ｂｏｕｎｄａ呵 （３）Ｒｃｆｌｅｃｔｉｏｎ＆ｄｏｕｂｌｅ
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ｔｒａｎｓｍｉｏｎ）來定量表征描述

圖１
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光在多晶體中傳播過程的示意圖。矧 ７ｒｍｍｍｉｔｔ明ｃｅ“ｌｉｇｌｌｔ
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材料透明度拉７｜．采用光通過一狹窄孔徑的光強度來 表征這一指標(biāo)，理論最大透過率咒�？梢杂晒� 咒。＝（１一足）來計算，其中尺為總反射率．對于高度 透明材料：尺＝２尺／（１＋尺。），尺，為比反射，尺。＝ （＜ｎ一１＞／＜ｎ＋１＞）２，大小取決于折射率ｎ．；而對 于低透明材料，忽略多級反射，可由公式ｎ。，＝

６ ５ ４ ０

（１一尺。）２來計算．常見一些透明單晶材料的折射率和
理論最高透過率列于表１Ⅲ１． 圖２是用散射儀測定各種透明材料的透過強度， 中間峰值是代表直線透過率舊Ｊ．直線透過率在很大 程度上取決于多晶材料的微結(jié)構(gòu)．氣孔是最主要的散

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射源，因此要獲得高透過率、多晶透明陶瓷需要達到
理論密度的９９．９％以上，即氣孔率要小于萬分之一． 采用常規(guī)的燒結(jié)工藝很難排除這些微量氣孑Ｌ，因為在 晶粒生長過程中陷落在晶內(nèi)的氣孔在燒結(jié)末期通過 擴散排出是非常困難的，因此必須采用高純、高活性 超細納米級粉末，并采用多級燒結(jié)制度或在低溫、真 空下長時間燒結(jié)以消除氣孔．對于非立方結(jié)構(gòu)的材
表ｌ
ＴａＭｅ ｌ

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圖２各種透明材料的透過強度，中間峰值代表直線透過 蠱［馴
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一些透明單晶材料的折射率和理論最高透過率‘勰】 ｔＩｌｅｏｒｅｔｉ阻Ｉ ｍ嫡ｍ哪ｖａＩｕｅ ｏｆ ｔｈｅ ｔｍ岫ｍｉｓｓｉｏｎ

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萬方數(shù)據(jù) 　

第５期

江東亮：透明陶瓷——無機材料研究與發(fā)展重要方向之一

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（ａ）

２照明用透明陶瓷
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隨著高壓鈉燈、鹵化物燈等以氣體放電為主的一 類光源的發(fā)展，高溫和腐蝕使原先采用玻璃作燈管的 照明器材已經(jīng)不能滿足要求，耐高溫、耐腐蝕的半透 明多晶氧化鋁、氧化釔成為主要選擇ｍ Ｊ．作為三方晶

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系的氧化鋁，從光學(xué)意義上來說是光學(xué)非等軸和雙折
射性，從１９６２年美國ＧＥ公司的ｃｏｂｌｅ教授發(fā)明半透 明多晶氧化鋁以來，經(jīng)過近半個世紀(jì)的努力，試圖通 過提高原料的純度和細度及控制顯微結(jié)構(gòu)來改善光 透過率，但收效甚微．近年來，隨著納米技術(shù)和制備科

‘。ｆ ’，手葶Ｉ ’翥．需箐彳‘．需。
２８“。）

圖４晶粒定向與任意排列氧化鋁陶瓷的ｘＲＤ圖譜∞２１
Ｆｉｇ．４ ＸＲＤ

學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，ｌ汛ｌｌ等口¨采用超細納米粉體制備
微晶（晶粒尺寸≤０．５斗ｍ）氧化鋁陶瓷，控制晶粒尺寸 使之小于光波長，以減少晶界的雙折射．制備的透明 氧化鋁陶瓷的可見光透過率高達一７０％，但在紫外 區(qū)光透過率較差．最近，Ｍａｏ等¨副采用平均顆粒尺寸 為０．５２斗ｍ高純（＞９９．９９％）儀一舢２０３粉制成漿料，然 后在１２Ｔ磁場下進行澆注．經(jīng)燒結(jié)后，獲得晶粒取向 良好的透明氧化鋁陶瓷，由于平均晶粒尺寸較 大一３０¨ｍ，總透過率只有５０％～６０％，但在紫外區(qū)透

ｐａｔｔｅ璐ｏｆ Ａ１２０３ ｃｅｍｍｉｃｓ
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早先研究透明氧化鋁ＳＰＳ燒結(jié)指出Ⅲ】：“采用緩慢加 熱對獲得超細微晶結(jié)構(gòu)和高密度材料更有效”．

３激光透明陶瓷
自從２０世紀(jì)６０年代單晶紅寶石激光器問世以 來，促進了激光技術(shù)的蓬勃發(fā)展．大量新型激光晶體 的不斷涌現(xiàn)，尤其是１９６４年以來，摻Ｎｄ—ＹＡＧ晶體 的出現(xiàn)舊５｜，作為大功率固體激光材料受到廣泛關(guān) 注，與釹玻璃同時成為大功率固體激光材料的首選 之一．透明多晶陶瓷與單晶幾乎同時出現(xiàn)，先后出現(xiàn) 了ｃａＦ：和Ｎｄ：Ｙ：Ｏ，等激光透明陶瓷，并有毫瓦級 輸出，但沒有得到應(yīng)用．在相當(dāng)長一段時間內(nèi)激光透 明陶瓷發(fā)展緩慢，甚至有的科學(xué)家認(rèn)為陶瓷不可能 透明，作為激光材料更無可能．因為釹玻璃的熱導(dǎo)太 差，瞬間熱應(yīng)力太大，易造成玻璃炸裂，而且釹玻璃 的單色性很差；而摻Ｎｄ—ＹＡＧ晶體因為單晶的生長 周期長、晶體生長尺寸以及釹的摻雜量受到限制等 原因，隨著大功率固體激光器功率的不斷提高，上述

過率較高．圖３分別是由ｌ沁ｌｌ和Ｍａｏ等制備的透明
氧化鋁陶瓷的透過率比較，后者對采用非等軸晶材料 制備透明陶瓷提供了啟示．圖４用ｘＲＤ表征了晶粒 定向與任意排列氧化鋁陶瓷的區(qū)別【３
２Ｉ．

最近，日本國立材料研究所Ｋｉｍ等口副采用高純

（９９．９９％）超細（０．１５斗ｍ）氧化鋁粉和ＳＰｓ燒結(jié)技
術(shù)，研究了燒結(jié)溫度對微結(jié)構(gòu)和光學(xué)性能的影響，發(fā) 現(xiàn)溫度高于１３００℃晶�？焖匍L大，氣孑Ｌ也隨之增大，

透過率下降．微結(jié)構(gòu)變化與升溫速率也有關(guān)，Ｋｉｍ等
ＴｈｅＯｒｅｔｉｃａｌ ｌｉｍｉｔ￣８６％

，，’————一’：／ ．嚴(yán)≥ 二氣函ｚｌ
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兩類材料皆受到制約，人們期待新材料新技術(shù)的出 現(xiàn)．隨著納米粉體以及陶瓷制備科學(xué)與技術(shù)的不斷 突破，大部分單晶材料組成都有可能制成透明多晶 陶瓷，特別是１９９５年日本的Ｉｋｅｓｕｅ等舊刮成功制備
了透明多晶Ｎｄ－ＹＡＧ陶瓷并獲得激光輸出，輸出功

８００

９００

１０００ ｌｌＯＯ

ＷａＶｅｌｅｎ垂ｈ／ｍｍ

率小于１ｗ．取得明顯的進展是在２０００年以后，由日
本神島公司和日本電氣通信大學(xué)的ｕｅｄａ等舊列共同 開發(fā)出透明多晶Ｎｄ—ＹＡＧ陶瓷，在１０６４ｎｍ下輸出 功率達到１１０ｗ，與單晶基本相當(dāng)（圖５）ｐ８｜．隨后研 制成功咖１００ｍｍ單片，最高激光輸出目前已達到 １．４ｋＷ．光一光效率達４２％口引．圖６是激光透明陶瓷

圖３透明氧化鋁陶瓷在紫外一紅外區(qū)域范圍內(nèi)的透過率曲 線‘３２】
Ｆｉｇ．３ ｉｌｌＪ．ｒａｒｅｄ

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激光輸出功率的發(fā)展過程舊刪．２００６年美國Ｌｉｖｅ珊ｏｒｅ

萬方數(shù)據(jù) 　

８７６

無機材料學(xué)報 Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ【４ｌ】利用日本神島公司提供的大尺寸

第２４卷

Ｎａｔｉｏｎａｌ

的一些吸收峰與紅外二極管以及近紅外二極管的發(fā) 射波長相一致，是極好的二極管泵浦激光材料．圖７ 和圖８分別表示Ｔｍ３＋不同摻雜量的Ｔｍ：ＹＡＧ透明陶 瓷樣品以及含４％、６％Ｔｍ３＋：ＹＡＧ樣品的透過率曲 線．Ｅｒ：ＹＡＧ透過率曲線和實物照片如圖９、１０． ４

透明多晶Ｎｄ—ＹＡＧ陶瓷片（１００ｍｍ×１００ｍｍ×２０ｍｍ） 采用熱容的方式實現(xiàn)了６７ｋｗ的最高功率輸出，引起 了國際上廣泛關(guān)注，從此透明激光陶瓷正式成為大功 率固體激光器的主要候選材料之一，同時在國際上掀 起透明陶瓷熱．從２００５年開始每年舉行一屆激光透 明陶瓷年會．從２００７年以來，已有許多大型陶瓷國際 會議增設(shè)透明陶瓷專場，涉及面覆蓋到各個領(lǐng)域，從

醫(yī)療儀器用透明閃爍陶瓷
透明閃爍陶瓷在高能物理、無損檢測、輻照探

基礎(chǔ)研究到應(yīng)用研究，從民用到圍防軍工應(yīng)用各個方
面．盡管如此，激光透明陶瓷仍有眾多基礎(chǔ)Ｉ’口Ｊ題急待 解決，如：光物理機制、微結(jié)構(gòu)和缺陷與光散射相互關(guān) 系、梯度摻雜與熱應(yīng)力分布設(shè)計以及與制備科學(xué)之間 相互關(guān)系、單摻雜與多摻雜、宏觀結(jié)構(gòu)設(shè)計與材料性 能匹配等等． 除了透明多晶Ｎｄ．ＹＡＧ激光陶瓷以外，Ｙｂ摻 雜ＹＡＧ也受到關(guān)注Ｈ２４ ３｜，中國科學(xué)院上海硅酸鹽 研究所分別探索了不同稀土離子摻雜ＹＡＧ激光陶 瓷，如Ｔｍ：ＹＡＧ、Ｅｒ：ＹＡＧ以及Ｌａ：Ｙ２０３等㈣４川．Ｔｍ

測、安全和醫(yī)療影像應(yīng)用、空間探索等都有重要應(yīng)用 和潛在的應(yīng)用價值Ｈ８４９ Ｊ，尤其是作為安全和醫(yī)療影 像應(yīng)用更加突出．隨著人們和社會對健康投入的不 斷增加，對一些致命病癥如癌癥的早期發(fā)現(xiàn)尤為重

視．常規(guī)采用ｘ－ｒａｙ、ｘ—ｃＴ、ＮＭＲ等進行診斷．近年
來，ＰＥＴ（Ｐｏｓｉｔｒｏｎ
Ｅｍｉｓｓｉｏｎ

Ｔｏｍｏｇｒ印ｈｙ）的應(yīng)用，為早

期癌癥的發(fā)現(xiàn)作出了重要貢獻．對于這類儀器所使 用的閃爍材料，一般要求有高的透明性和發(fā)光強度、 高密度和離子幅照吸收能力以及轉(zhuǎn)換高能光子成可 易探測的可見光信號．隨著對儀器分辨率要求的不 斷提高，對影像質(zhì)量要求日益增強．傳統(tǒng)閃爍材料主 要使用晶體，如鍺酸鉍（Ｂｉ：Ｇｅ：Ｏ，）啪１和鎢酸鉛 Ｐｂ（ｗＯ，）ｐｕ等．近年來，由ＧＥ、ｓｉｅｍｅｎｓ和ＡＬＥＭ

公司¨２酬以及上海硅酸鹽研究所‘５４１分別開發(fā)出用
銪摻雜氧化镥（Ｅｕ：Ｌｕ：Ｏ，）透明陶瓷（如圖１１）．上
事，Ｊｏ≥ｏ（Ｉ董魯?shù)取?br />
海硅酸鹽研究所還先后研制成Ｃｅ：ＬｕＡＧ、Ｃｅ：ＹＡＧ 和Ｌａ：Ｈｆ２０，等多種閃爍材料哺＂引．圖１２是含 ０．３ａｔ％Ｃｅ：ＹＡＧ透過率曲線，通過退火后在可見光 區(qū)的直線透過率達到７９．５％∞１｜．圖１３則是Ｃｅ：ＬｕＡＧ 和Ｌａ：Ｈｆ２０，透明陶瓷樣品．目前透明閃爍陶瓷存在

圖５
Ｆｉｇ．５

Ｎｄ．ＹＡＧ陶瓷與Ｎｄ．ＹＡＧ單晶激光輸出功率比較㈨
Ｉｎｐｕｔ—ｏｕｔｐｕｔ ｐｏｗｅｒ ｏｆ ｃｅｍｌｌｌｉｃ ａｎｄ ｓｉｎ—ｅ ｃｒｙｓｔａＪ Ｎｄ：ＹＡＧ

的最大問題是低成本制備工藝、高透明性和光輸出 功率＂５｜．表２列出目前一些閃爍陶瓷和閃爍晶體性 能比較‘６２｜．

ｍｄ Ｉ踞ｅｒ【３８ｊ

圖６激光陶瓷發(fā)展的歷史歷程‘３９刮
Ｆ唔．６

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萬方數(shù)據(jù) 　

第５期

江東亮：透明陶瓷——無機材料研究與發(fā)展重要方向之一

８７７

圖７
Ｆｉｇ．７
ｔｅｎｔｓ

Ｔｍ３＋不同摻雜濃度的Ｔｍ：ＹＡＧ樣品照片
Ｔｍ：ＹＡＧ ｔｒａｌｌｓｐａｒｅｎｔ ｏｆ ７ｎｎ３＋

ｃｅ刪【ｎｉｃｓ講ｔｌｌ ｄ自瞻ｒｅｎｔ ｄ叩鋤ｔ ｃ∞－

圖１０ Ｆ培．１０
ｎｅ８ｓ

４ｍｍ厚５％＆：ＹＡＧ的實物照片
Ｐｉｃｔｕｒｅ ｏｆ

５％Ｅｒ：ＹＡＧ ｔｍ璐ｐａｒｅｎｔ ｃｅｍｍｉｃ麗ｔｌＩ ｔｈｉｃｋ—

ｏｆ４ｍｍ

圖１１
Ｆｉｇ．１ ｌ

Ｅｕ：Ｌｕ：０，透明閃爍陶瓷一枷１

Ｅｕ：Ｌｕ２０３衄ｎｓｐａｒｅｎｔ

ｓｃｉｎｔｉｌｌａｔｏｒ

ｃｅ柵ｉｃｓ【５９刮

５透明裝甲陶瓷
圖８含４％、６％７Ｉｈ：ＹＡＧ的樣品透過率曲線
Ｆｉｇ．８ ＴＩ丑ｎｓｍｉｔｔａｎｃｅ ｃｕｎｎ明ｏｆ

裝甲材料的選擇主要集中在高硬度、高比強度和 復(fù)合結(jié)構(gòu)方面，尤其是從彈道力學(xué)和沖擊試驗來選

ｔｒ明８ｐａｒｅｎｔ ＹＡＧ ｃｅｒａｍｉｃ８ ｗｉｔｈ

４％７Ｉｏ＋明ｄ ６％１＇ｍ３＋

擇，從單一鋼鐵、聚合物、陶瓷到復(fù)合材料∞ⅢＪ．陶瓷
材料具有高硬度、低比重，在人體裝甲和要求輕量化 場合，如戰(zhàn)斗直升機保護裝甲等受到特別青睞，以氧

化鋁、碳化硼、碳化硅等為代表的高性能陶瓷以及復(fù)
合裝甲材料先后發(fā)展起來舊鉀Ｊ．隨著工藝技術(shù)的不斷 改進，裝甲材料不僅性能上有大幅度提高，而且可以

通過計算機輔助設(shè)計以及先進的成型技術(shù)，制成各種
復(fù)雜和曲面形狀以符合人體更舒適的需要．作為陶瓷 裝甲輕量化的典型代表碳化硼，具有高硬度（僅次于 金剛石和立方氮化硼）、低比重（２．５∥ｃｍ３），是目前 使用最廣泛的材料之一，ｆ日碳化硼屬于共價鍵結(jié)合材

料，用一般工藝很難燒結(jié)到高密度，通常需要采用熱
壓、高溫等靜壓、ＳＰＳ等燒結(jié)技術(shù)，才能獲得較高密度
圖９ ４ｍｍ厚５％Ｅｒ：ＹＡＧ透明陶瓷的透過率曲線
Ｆｉｇ．９

和高強度．同時，這類陶瓷材料多數(shù)是不透明的．為了
ｗｉｄｌ

Ｔｒａ鵬ｍｉｔｔ鋤ｃｅ

０ｆ

ｔｍｎｓｐａ弛ｎｔ ５％Ｅｒ：ＹＡＧ

ｃｅ硼ｉｃｓ

適應(yīng)現(xiàn)代戰(zhàn)場需求，既能保護人體又能隨時觀察敵 情，新一代功能與結(jié)構(gòu)一體化的透明裝甲陶瓷迅速發(fā)

ｔＩｌｉｃｋｎｅｓｓ ｏｆ

４唧

萬方數(shù)據(jù) 　

８７８

無機材料學(xué)報

第２４卷

圖１３
Ｆｉｇ．１３

Ｃｅ：ＬｕＡＧ和Ｌａ２Ｈｆ２０，透明陶瓷樣品示意圖‘＂１
Ｐｉｃｔｕｒｅｓ ｏｆ Ｃｅ：ＬｕＡＧ ａ１１ｄ

Ｌａ２Ｈｆ２０７

ｔｍｎｓｐａｒｅｎｔ ｃｅｒａｍ—

ｉｃｓ㈨ 展起來，以氮氧化鋁（ＡｌＯＮ）和鎂鋁尖晶石（ＭｇＡｌ：Ｏ，） 為代表的一類材料特別受到重視．它們的透過范圍從 紫外（０．２斗ｍ）一直到紅外區(qū)域（６．Ｏ斗ｍ）‘１８’鹋訓(xùn)，不僅 可以作為透明裝甲陶瓷，還可用于紅外、可見窗口材 料（圖１４和１５）‘７０４
２｜．

６透明紅外陶瓷
透明紅外陶瓷被廣泛應(yīng)用于紅外窗口材料，根據(jù) 材料透過波長范圍（見表３）來選擇應(yīng)用場合．其中尖 晶石陶瓷（ＭｇＡｌ：Ｏ。）和氮氧化鋁陶瓷（ＡｌＯＮ）的透過
圖１２退火前后ｏ．３ａｔ％ｃｅ：ＹＡＧ透過率曲線（ａ）及照片
（ｂ）””
Ｆｉｇ?１２

率可以達到８０％～８７％（圖１６和１７），在紫外、可見 到紅外波長范圍內(nèi)透過率與藍寶石、石英玻璃的透過 率接近．為了獲得高透過率的ＭｇＡｌ２０４和Ａ１０Ｎ陶

Ｔｒ哪ｍｉｔｔ蚰ｃｅ

ｏｆｏ?３ａｔ％ｃｅ：ＹＡＧ
ｉｔｓ

ｃ啪ｍｉｃ８

ｂｅｆｏｒｅ趾ｄ

ａ兒即秈ｅａｌｌｎｇ【ａ，肌ｄ

ｐｌｃ‘啪【ｂ）～
表２

瓷，通常需要采用高純超細粉末原料和高溫等靜壓燒
若干閃爍陶瓷和閃爍晶體性能比較‘船１
ｃｒｙｓｔａｌｓ【船】

Ｔａｂｌｅ ２

Ｐｒ叩ｅｎｉ囂ｏｆ∞ｉｎｔｉｌＩａｔｉｏｎ ｃｅｍＩＩｌｉ俗ｃｏｍｐａｒｅｄ喇ｔｈ∞ｉｎｔｉＵａ廿ｎｇ

圖１４透明陶瓷用于保護士兵眼睛和臉（ａ）、導(dǎo)彈探測窗口（ｂ）ｉ７０１和地面作戰(zhàn)車輛保護窗（ｃ）Ⅲ１ Ｆｉｇ．１４
Ｓ０ｌｄｉｅｒ

ｅｙｅ／ｆ如ｅ ｐｍｔｅｃｔｉｏｎ（ａ），ＩＩｌｉｓｓｉｌｅ鴕ｎ∞ｒ ｗｉｎｄｏｗｓ（ｂ）‘砷１鋤ｄ伊Ｄｕｎｄ ｖｅｈｉｃｌｅ講ｎｄｏｗｓ（ｃ）‘７１１

萬方數(shù)據(jù) 　

第５期

江東亮：透明陶瓷——無機材料研究與發(fā)展重要方向之一

８７９

結(jié)技術(shù)．最近也有報道采用低溫（５００～７００℃）高壓

（２～５ＧＰａ）等靜壓、微波、ＳＰｓ等燒結(jié)技術(shù)制備透明陶
Ｚ基【２Ｉ，７３．７５］

風(fēng)

?

圖１６和１７分別是美國Ｓｕ瑚ｅｔ公司的透明ＡｌＯＮ
陶瓷＂釗和中國北京爍光（Ｂｒｉｇｈｔ）公司產(chǎn)品透明尖晶 石陶瓷的透過率【７¨，二者在紫外到紅外波段范圍均
圖１５透明陶瓷作為探測窗口材料（８）和藍寶石基透明裝甲 （ｂ）‘７２】 Ｆｉｇ．１５
ｏｐｅｄ Ｔｍｎｓｐ盯ｅｎｔ ｃｅ豫ｍｉｃ ｆｏｒ

有較好的透過率（大于８０％）．圖１８是中國科學(xué)院上

海硅酸鹽研究所制備的ｓｉＡｌＯＮ透明陶瓷的透過率與
ｓｅｎｓｏｒ“ｎｄｏｗｓ（ａ）ＡｆｕＬ ｐｍｔｏｔｙｐｅ（ｂ）‘７２１
ｄｅｖｅｌ．

波長之間的關(guān)系＂８｜，雖然透過率不太高，但在中紅外 區(qū)有較好的透過率¨引．

８�。穑瑁椋颍� ｂａｓｅｄ

ｔｒ鋤ｓｐａｒｅｎｔ鋤ｌｏｒ

ＴａｂＩｅ ３

表８窗、天線罩和透明裝甲陶瓷 Ｔｒ叫晤ｐａｒｅｎｔ ｃｅｍｍｉｃｓ ｆｏｒ ｗｉｎｄｏｗｓ，ｄｏｍ鼯ａｎｄ ｔｍ璐ｐａｍｎｔ

ａ珊Ｏｒ

７高折射指數(shù)透明光學(xué)陶瓷
長久以來，光學(xué)玻璃一直是制作相機鏡頭和光學(xué) 儀器的主要材料．隨著數(shù)字相機和可視移動電話的發(fā)

展，作為光學(xué)部件可變焦透鏡系統(tǒng)設(shè)計與集成的重要 性不言而喻，而透鏡材料更是關(guān)鍵．以日本Ｍｕｒａｔａ
Ｍａｎｕ￡ａｃｔｕｒｉｎｇ

ｃｏ．，Ｌｔｄ．Ⅲｏ研制的商品名ＬｕＭＩｃＥＲＡ

材料制成的陶瓷透鏡首先應(yīng)用于ＣＡＳＩＯ相機上 （圖１９），ＬｕＭｌｃＥＲＡ’ｓ材料的折射指數(shù)（‰＝２．０８）遠 高于傳統(tǒng)的光學(xué)玻璃（凡。＝１．５～１．８），因此在成像質(zhì) 量上明顯優(yōu)于一般光學(xué)玻璃，此外透明陶瓷的強度遠

圖１６
Ｆｉｇ．１６

Ａ１０Ｎ陶瓷的透過率與波長關(guān)系ｍ１
Ｔｈｅ

ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ ｏｆ

ｔ砌ｓｍｉ飩蚰ｃｅ明ｄ

ｗａ、，ｅｌｅｎｇｔｈ ｏｆ

燦０Ｎ【７６】

式≈ｕ Ｂ＃一ｇ∞磊＿Ｉ卜 ∞∞∞加∞如∞∞加ｍ
Ｏ

圖１８透中紅外的ｓｉＡｌＯＮ陶瓷及波長與透過率關(guān)系‘７８∞Ｊ
Ｆｉｇ．１８ ７Ｉ＇ｒａｎｓｍｉｔｔａｎｃｅ ｏｆ ＳｉＡｌ０Ｎ ｃｅｒａｍｉｃｓ ｉｎ ｍｉｄ．ｉ—．ｒａｒｅｄ
ｒｅ．

圖１７透明尖晶石陶瓷的透過率與波長關(guān)系‘７７１
Ｆｉｇ．１７

１Ｉｒａ璐ｍｉｔｔ粕ｃｅ

ｏｆ

ｔｒａ璐ｐａ弛ｎｔ ｓｐｉｎｅｌ ｃｅ例【Ｉｌｉｃ［７７】

ｇｉｏｎ‘７８馴 Ｓ啪ｐｌ船１６０９０，１６２９０，１６５９０
ｆｏＩ’９０ｍｉｎ，”叩ｅｃｔｉｖｅｌｙ

ａ陀ｈｏｔ—ｐ他ｓｓｅｄ砒１６００℃，１６２０℃，１６５０℃

萬方數(shù)據(jù) 　

８８０

無機材料學(xué)報

第２４卷

圖１９
Ｆｉｇ．１９

用日本Ｍｕｒａｔａ Ｍａｎｕｆ如ｔｕｒｉｎｇ ｃｏ．，Ｌｔｄ．研制的商品名ＬｕＭＩｃＥＲＡ材料制成的透鏡及透鏡光學(xué)系統(tǒng)‘馴
Ｌｕｍｉｃｅｍ

ｍｔｅｒｉａｌ

ｏｆ Ｍｕｒａｔａ

Ｍａｎ山ｃｔｕ—ｎｇ

Ｃｏ．，Ｌｔｄ．卸ｄ ｔｒａｎｓｐａｒｅｎｔ ｃｅｍⅡＩｉｃ ｌｅｎｓ ｆｏｒ ＣＡＳｌ０
ｔｅ力ｔ

ｃ砌ｅｍ【馴

高于玻璃．ＬｕＭＩｃＥＲＡ材料是屬于立方鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，其
組成相當(dāng)復(fù)雜（Ｂａ｛（ＳｎｕＺｒｌ—ｕ）。Ｍｇ，Ｔ叱｝。Ｏ。）嘲捌Ｊ． 德國Ｆｒａｕｎｈｏｆｅｒ ＩＫＴＳⅪｍｋｅ和日本Ｕｌｒｉｃｈ Ｐｅｕ—

３０２６２１０。１９６２．

［２］ｄｅ

Ｇ＂Ｄ０ｔ

Ｊ Ｊ，ｖａｎ Ｖｌｉｅｔ Ｊ

Ａ

Ｊ Ｍ．，１１ｌｅ

Ｈｉｇ｝ｌ—Ｐｍ明ｕ地ｓｏｄｉｕｍ Ｌ矗ｍｐ．

ｋｎｄｏｎ：ＭａｃｍｉｌｌａＪｌ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ．１９８６：２９０＿２９１． ［３］Ｃｈｅｎ ［４］Ｃｈｅｎ
６４５．
１ Ｐ

ｗｅｉ。ｗａｎｇ Ｌ，Ｃｈｅｎ
Ｉ

ｘ

Ｈ．＾協(xié)ｕ憎，２０００，４０４（６７７４）：１６８－１７１．

ｃｈｅｎ等舊２捌分別研究具有高折射率ｎ＝２．１８的多晶
立方ｚ向：透明陶瓷，前者采用Ｙ：Ｏ，作為穩(wěn)定劑，多 級燒結(jié)工藝后，密度達到５．９８～５．９９９／ｃｍ３．透過率與 材料的厚度有關(guān)，４ｍｍ厚樣品的透過率達到最大理論 值的７５％；２ｍｍ厚的樣品透過率達到最大理論值的 ８５％．它的透過率同時又與透明陶瓷的組成有關(guān)．后 者除了采用Ｙ：Ｏ，作為穩(wěn)定劑外，還用ＴｉＯ：作為燒結(jié) 助劑，首先用真空，隨后再用熱等靜壓二步燒結(jié)．當(dāng)樣 品厚度為５．６ｍｍ，在可見光波長范圍（４００～８００ｎｍ） 內(nèi)，材料的直線透過率達到６８％，折射指數(shù)變化范圍

Ｗ．上Ａｍ．Ｃｅｍｍ．ｓｏｃ．，１９９７，舳（３）：６３７—

［５］０

Ｙ

Ｔ，Ｋ００

Ｊ

Ｂ，Ｈｏｎｇ Ｋ

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Ａ，Ｋａｍａｔａ

結(jié)構(gòu)一功能一體化材料的研發(fā)是當(dāng)前材料科學(xué)發(fā) 展的基本趨勢之一，透明陶瓷則是這一趨勢的代表， 它在國防軍工和國民經(jīng)濟各個領(lǐng)域均有巨大的需求 和潛在的應(yīng)用價值．透明陶瓷的研究與復(fù)雜的制備技

Ｋ．上Ａ�。闫杉。筮�，１９９６，７９（７）：１９２７－

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Ａ

術(shù)，涉及材料與其他學(xué)科（包括化學(xué)、物理、激光等）的 交叉和集成，需要探索的若干重大基礎(chǔ)問題大致可歸
納為以下幾點： １）微結(jié)構(gòu)（晶粒尺寸、氣孔、晶界、雜質(zhì)等）與光 的相互作用機制； ２）透明陶瓷的微結(jié)構(gòu)調(diào)控關(guān)鍵技術(shù)一原料（純

Ｖ，Ｉ七ｍｅｓｈｅｖ

Ｄ

０，Ｌｕｋｉｎ

Ｅ

ｓ，日耐．‰ｓ口，ｌｄ ｃｅｍ舡
Ｄ．脅砌詘＆灑掰肌ｄ

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‰＾蝴，ⅣＲＬ ｍ咖，２００５，１７１一１７２．
帥（５）：１６２３一１６２５．

［１９］１＇ｓｕｋｕ嘲Ｋｏｊｉ．上（涵－ｎｍ．ｓＤｃ．Ｊｂ即，ｌ。２００６，１１４（１０）：８０２－８０６．
［２０］ｘｕｅ Ｊｕｎｍｉｎｇ，“ｕ Ｑｉ明，Ｇｕｉ Ｌｉｎｈｕａ．上Ａｍ．ｃ音ｍｍ．ｓ锨，２０（）７， ［２１］ｃｈｅｎｇ Ｊｉｐｉｎｇ．Ａ因ｍｗａｌ Ｄ．ｚｈａ｜Ｉｇ

度、尺度、粒度分布）、成型、燒結(jié)等一系列先進制備科
學(xué)與技術(shù)的集成和調(diào)控；

Ｙｕｎｊｉｎ，甜以如研以礦脅姍詘

ｓｃ據(jù)，黜￡ｄ觚．２００１．加（１）：７７．７９．

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２００ｌ。４３７５：７ｌ－７８．

３）非立方晶系透明陶瓷的探索與相應(yīng)的制備新
技術(shù)． 致謝：本文在撰寫過程中，潘裕伯博士、王士維 博士、趙景泰博士、劉茜博士、張景賢博士等提供了大 量資料，特此深表謝意！ 參考文獻：
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ｏｆＰｎｅｐ啪ｔｉ∞．ｕｓ

Ｐａ－

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萬方數(shù)據(jù) 　

第５期
４８０４８６．

江東亮：透明陶瓷——無機材料研究與發(fā)展重要方向之一
［５８】 Ｊｉ
Ｐｏｌｙｃｒ）ｒｓｔａ】ｌｉｍ ｓｉｎｔｅｒｅｄ Ｃｅ． Ｃｕｂｉｃ

８８１

Ｙｍｉｎｇ，Ｊｉ∞ｇ腦ｌｙｌＪ，Ｓｈｉ ＪｉａｆＩｌｉｎ．上肘曲ｎ腸．，２００５，加
ＹｉｒＩｇ，ＡｌＩ

［簽］Ｋｎｄｌ
捌『ＩＩｉｃ

ＡＩｌｄ郵。Ｈ呲ｚ１日１１１眥鼬．ＴｒＭ印刪ｎ
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（３）：５６７．５７０． ［５９］ Ｃｈｅｎ Ｑｉｗｅｉ。Ｓｈｉ Ｌｉｑｉｏｌｌｇ，ｄ以上ＡＪ，ｋ

Ｃ�。幔� Ｓ缸ｕｃｔｕｒｅ．ＵＳ Ｐ岫吐７２牟７５８９，加０７．０７．２４．

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［２９】ｋｍｐｉｃｋｉ

Ａｌｅｘ．Ｔｒ哪ｐ峨ｍ Ｃ刪＿ｍｉｃＢ．Ａｌｅｍ ＡｓＢ０ｃｉａｌ鶴，ｈｅｓｔ

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ｏｏｎｔｅｎＬ／ｖｉｅｗ／３２／ｌ／

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［３１］Ｋ陀ｕ Ａ，Ｂｌ姐ｋ Ｐ，Ｍａ Ｈ，ｄ口Ｌ ｇ一／＆ｒ ＤＫＧ，２００７，８４：Ｅ５０－ ［３２】Ｍ舯ｘｉａｏｊｉ柚，ｗａＩＩｇ ｓｈｉｗｅｉ，ｓｈｉｍａｉ Ｓ。ｃ．，２００８，９ｌ（１０）：３４３ｌ－３４３３． ［３３］Ｋｉｍ Ｂｙｕｎｇ－Ｎ鋤，Ｈｉｍｇａ Ｋｅｉｊｉｍ，Ｍｏｒｉｔａ Ｋｏｊｉ，耐以．Ａｃ缸肘撕盯缸? 如，２００９。５７（５）：１３１９一１３２６． ［３４］ｌ（ｉｍ ＢｙＩＩｎｇ?Ｎ蛐，Ｈｉｍ｜；ａ Ｋｅｉｊｉｒｏ，Ｍ耐ｔａ Ｋ螄，矗以Ｓ響咖朋口?

石云。潘裕柏，馮錫淇．等（ｓＨＩ Ｙｕ，甜以）．無機材料學(xué)報（Ｊｏ—
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１１１０理州ｃ

ｏｆ

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ｓｈｕ呦，ｄ以上Ａｍ．Ｃ肌肼．

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妊．，，２００８，４３（２３／２４）：７５０７－７５１２． ｃｏＩａｌ【ｏｌｕ Ｍ，Ｓｏｙｋａ８�。埃希澹� Ｔ．』嘎Ｈ一．島啊驢哪．＾缸盯．，２００７，１４

艦。２００７，５７（７）：６０７．６ｌＯ．
［３５］Ｇｅｕｓｉｃ Ｊ Ｅ，Ｍａｒｃ０８ Ｈ Ｍ，Ｖ鋤ｕｉｔｅｎ Ｌ １９６４，４（１０）：１８２一１８４． ［３６］Ｉｋｅｓｕｅ Ａ，Ｋｉｎｏｓｈｉｔａ Ｔ，ＫａＩＩｌａｌａ １９９５，７８（４）：１０３３—１０４０． ［３７］ｈｌ Ｊ， Ｙａｇｉ
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２００４一ＣＴｕＴｌ．

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［３８］ｈｌ Ｊ，Ｙａｇｉ Ｈ，Ｔａｋａｉｃｈｉ Ｋ，拼耐．４丹正，確筘．Ｂ，２００４，７９（１）：２５．２８． ［３９］Ｌ舡Ｊ，ｕｅｄａ Ｋｅｎ—ｉｃ｝ｌｉ，Ｙａｇｉ Ｈｉｄｅｋｉ＇矗耐．上Ａ岫３ ｃ０唧．，２００２， ３４１（１／２）：２２０＿２２５． ［４０］馮錫淇．激光與光電子學(xué)進展，２００６，４３（１２）：１９．２８． ［４１］ｋｌｗｒｅｎｃｅ ｕｖｅ硼ｏｒｅ Ｎａｔｉｏｎａｌ ｒｅｐｏｒｔ．ＴＩｍｌ８ｐａ地ｎｔ

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（１）：４７－５８．

ＺＩ啪ｇ

Ｇ Ｊ，Ａｎｄｏ

Ｍ，Ｙ缸ｇ Ｊ

Ｆ，甜耐．上Ｅ啪．Ｃｅ，塒ｍ

Ｓ眈，

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ＮｉＭ，Ｌｕｇｏｖｙ

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Ｓｗａｂ 舭ｎｌｏｒ

Ｊｄｆ而Ｊ，Ｌ聃ａｌ“ａ ｃｅｒ螄ｉｃ８： ＡｌＯＮ

Ｊｅｎ７ Ｃ，Ｇｉｌｄｅ Ｇａｒｙ ａｎｄ Ｓｐｉｎｅｌ． ２３ｎｄ

Ａ，耐以７ｌｋｍｓｐａ陀ｎｔ
Ａｎｎｕａｌ Ｃｏｎｆｅ詫ｎｃｅ
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Ｃ伽ｐ∞ｉｔ∞，Ａｄｖａｎｃｅｄ
［７０］ ［７１］

Ｃｅ咖ｉｃｓ，Ｍａｋｒｉａｌｓ，ａｎｄ

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透明陶瓷——無機材料研究與發(fā)展重要方向之一
作者： 作者單位： 刊名： 英文刊名： 年，卷(期)： 被引用次數(shù)： 江東亮， JIANG Dong-Liang 中國科學(xué)院,上海硅酸鹽研究所,高性能陶瓷和超微結(jié)構(gòu)國家實驗室,上海,200050 無機材料學(xué)報 JOURNAL OF INORGANIC MATERIALS 2009,24(5) 6次

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引用本文格式：江東亮.JIANG Dong-Liang 透明陶瓷——無機材料研究與發(fā)展重要方向之一[期刊論文]-無機材料 學(xué)報 2009(5)



  本文關(guān)鍵詞：透明陶瓷——無機材料研究與發(fā)展重要方向之一，由筆耕文化傳播整理發(fā)布。