Ceramika optyczna, zaawansowane materiały przemysłowe opracowane do stosowania w zastosowaniach optycznych.
Materiały optyczne czerpią swoją użyteczność z reakcji na światło podczerwone, optyczne i ultrafioletowe. Najbardziej oczywistymi materiałami optycznymi są szkła, które opisano w artykule szkło przemysłowe, ale ceramika została również opracowana do wielu zastosowań optycznych. W tym artykule omówiono kilka z tych aplikacji, zarówno pasywnych (np. Okna, radomiki, koperty lamp, pigmenty), jak i aktywnych (np. Luminofory, lasery, elementy elektrooptyczne).
Urządzenia pasywne
Okna optyczne i na podczerwień
W stanie czystym większość ceramiki to izolatory szerokopasmowe. Oznacza to, że istnieje duża przerwa w stanach zabronionych między energią najwyższych napełnionych poziomów elektronów a energią następnego najwyższego niezajętego poziomu. Jeśli ta pasmo wzbronione jest większe niż energia światła optycznego, ceramika będzie optycznie przezroczysta (chociaż proszki i porowate wypraski takiej ceramiki będą białe i nieprzezroczyste z powodu rozproszenia światła). Dwa zastosowania optycznie przezroczystej ceramiki to okna do czytników kodów kreskowych w supermarketach oraz okna z promieniami podczerwonymi i laserowymi.
Szafir (monokrystaliczna forma tlenku glinu, Al 2 O 3) została wykorzystana do okien kasowych w supermarketach. Łączy przezroczystość optyczną z wysoką odpornością na zarysowania. Podobnie, monokrystaliczne lub przezroczyste w podczerwieni ceramiki polikrystaliczne, takie jak chlorek sodu (NaCl), domieszkowany rubidem chlorek potasu (KCl), fluorek wapnia (CaF) i fluorek strontu (SrF 2) zostały użyte w odpornych na erozję promieniach podczerwieni, okna wykrywaczy podczerwieni i okna laserowe na podczerwień. Te polikrystaliczne halogenki mają tendencję do transmitowania fal o mniejszej długości niż tlenki, rozciągających się aż do obszaru podczerwieni; jednak ich granice ziarna i porowatość rozpraszają promieniowanie. Dlatego najlepiej stosować je jako monokryształy. Jako takie jednak halogenki są niewystarczająco mocne w przypadku dużych okien: mogą odkształcać się plastycznie pod własnym ciężarem. W celu ich wzmocnienia, pojedyncze kryształy są zwykle kute na gorąco, aby indukować czyste granice ziaren i duże rozmiary ziaren, które nie zmniejszają znacząco transmisji podczerwieni, ale pozwalają ciału oprzeć się deformacji. Alternatywnie, materiał o dużych ziarnach może być odlewany metodą stapiania.
Koperty lampowe
Elektryczne lampy wyładowcze, w których zamknięte gazy są zasilane przyłożonym napięciem, a przez to doprowadzane do jarzenia się, są niezwykle wydajnymi źródłami światła, ale ciepło i korozja związane z ich pracą przesuwają ceramikę optyczną do swoich granic termochemicznych. Główny przełom nastąpił w 1961 r., Kiedy Robert Coble z General Electric Company w Stanach Zjednoczonych wykazał, że tlenek glinu (syntetyczny polikrystaliczny, Al 2 O 3) można spiekać do gęstości optycznej i przezierności, stosując magnezję (tlenek magnezu, MgO) jako pomoc w spiekaniu. Ta technologia pozwoliła, aby ekstremalnie gorące wyładowanie sodu w wysokoprężnej lampie sodowo-parowej było zawarte w materiale ogniotrwałym, który również przepuszczał jego światło. Plazma w wewnętrznej powłoce lampy z tlenku glinu osiąga temperaturę 1200 ° C (2200 ° F). Emisja energii obejmuje prawie całe spektrum widzialne, tworząc jasne białe światło, które odbija wszystkie kolory - w przeciwieństwie do nisko ciśnieniowej lampy sodowo-parowej, której bursztynowy blask jest powszechny na obrzeżach dużych miast.
Pigmenty
Przemysł farb i pigmentów ceramicznych jest od dawna tradycyjnym przemysłem. Pigmenty ceramiczne lub bejce są wykonane ze związków tlenku lub selenku w połączeniu ze specyficznymi pierwiastkami metalu przejściowego lub pierwiastków ziem rzadkich. Absorpcja określonych długości fali światła przez te gatunki nadaje związekowi określone kolory. Na przykład glinian kobaltu (CoAl 2 O 4) i krzemian kobaltu (Co 2 SiO 4) są niebieskie; tlenek cyny i wanadu (znany jako V-domieszkowany SnO 2), tlenku cyrkonu, wanadu (V domieszkowany ZrO 2 jest żółta); chromit kobaltowy (CoCr 2 O 3) i granat chromowy (2CaO · Cr 2 O 3 · 3SiO 2) są zielone; a hematytu chromu (CrFe 2 O 3) jest czarny. Prawdziwy czerwony kolor, niedostępny w naturalnie występujących materiałach krzemianowych, znajduje się w stałych roztworach siarczku kadmu i selenku kadmu (CdS-CdSe).
Sproszkowane pigmenty wprowadza się do ceramicznych brył lub szkliw w celu nadania koloru wypalanemu naczyniu. Ważną kwestią są stabilność termiczna i obojętność chemiczna podczas wypalania.
