Optická keramika

Optická keramika, moderní průmyslové materiály vyvinuté pro použití v optických aplikacích.

Optické materiály odvozují jejich užitečnost z jejich reakce na infračervené, optické a ultrafialové světlo. Nejzřetelnějšími optickými materiály jsou brýle, které jsou popsány v článku průmyslové sklo, ale keramika byla také vyvinuta pro řadu optických aplikací. Tento článek zkoumá několik těchto aplikací, pasivních (např. Okna, radomy, obálky lamp, pigmenty) a aktivních (např. Fosfory, lasery, elektrooptické komponenty).

Pasivní zařízení

Optická a infračervená okna

V jejich čistém stavu, většina keramiky jsou izolátory širokopásmové mezery. To znamená, že existuje velká mezera zakázaných stavů mezi energií nejvyšší naplněné hladiny elektronů a energií další nejvyšší neobsazené úrovně. Pokud je tato mezera v pásmu větší než energie optického světla, bude tato keramika opticky průhledná (ačkoli prášky a porézní kompakty takové keramiky budou bílé a neprůhledné v důsledku rozptylu světla). Dvě aplikace opticky průhledné keramiky jsou okna pro čtečky čárových kódů v supermarketech a infračervená radomová a laserová okna.

Sapphire (jednokrystalická forma oxidu hlinitého, Al ₂ O ₃) se používá pro pokladny v supermarketech. Kombinuje optickou průhlednost s vysokou odolností proti poškrábání. Podobně se pro infračervené radomy odolné proti erozi použily monokrystalické nebo infračervené průhledné polykrystalické keramiky, jako je chlorid sodný (NaCl), chlorid draselný dopovaný rubidiem (KCl), fluorid vápenatý (CaF) a fluorid strontnatý (SrF ₂)., okna pro infračervené detektory a infračervená laserová okna. Tyto polykrystalické halogenidové materiály mají tendenci přenášet nižší vlnové délky než oxidy, zasahující dolů do infračervené oblasti; jejich hranice zrn a porozita rozptylují záření. Proto se nejlépe používají jako monokrystaly. Proto jsou halogenidy pro velká okna nedostatečně silná: mohou se plasticky deformovat podle své vlastní hmotnosti. Za účelem jejich zesílení jsou jednotlivé krystaly obvykle kované za horka, aby vyvolaly hranice čistých zrn a velké velikosti zrn, které významně nesnižují infračervený přenos, ale umožňují tělu odolávat deformaci. Alternativně může být materiál s velkými zrny odléván.

Lampové obálky

Elektrické výbojky, ve kterých jsou uzavřené plyny napájeny působícím napětím a tím vytvářeny žárem, jsou mimořádně účinnými světelnými zdroji, ale teplo a koroze při jejich provozu tlačí optickou keramiku na jejich termochemické limity. K významnému průlomu došlo v roce 1961, kdy Robert Coble z General Electric Company ve Spojených státech ukázal, že oxid hlinitý (syntetický polykrystalický Al ₂ O ₃) by mohl být slinován na optickou hustotu a průsvitnost pomocí magnézie (oxid hořečnatý, MgO) jako slinovací pomůcka. Tato technologie umožnila, aby byl extrémně horký výboj sodíku ve vysokotlaké sodíkové výbojce obsažen v žáruvzdorném materiálu, který také přenášel jeho světlo. Plazma uvnitř vnitřního krytu aluminové lampy dosahuje teploty 1200 ° C. Emise energie pokrývají téměř celé viditelné spektrum a vytvářejí jasné bílé světlo, které odráží všechny barvy - na rozdíl od nízkotlaké sodíkové výbojky, jejíž jantarová záře je běžná v panoramatech velkých měst.

Pigmenty

Keramický barevný nebo pigmentový průmysl je dlouholetým tradičním průmyslem. Keramické pigmenty nebo skvrny jsou vyrobeny z oxidových nebo selenidových sloučenin v kombinaci se specifickými prvky přechodného kovu nebo vzácných zemin. Absorpce určitých vlnových délek světla těmito druhy propůjčuje sloučenině specifické barvy. Například, hlinitan kobaltu (uhlí ₂ O ₄) a křemičitan kobaltu (Co ₂ SiO ₄) jsou modré; oxid cínu, vanadu (známý jako V-dopovaný SnO ₂) a zirkonia vanad oxid (V-dopovaný ZrO ₂), jsou žluté; kobalt chromit (CoCr ₂ O ₃) a chrom granát (2CaO · Cr ₂ O ₃ · 3SiO ₂) jsou zelené; a chrom hematit (CrFe ₂ O ₃) je černá. Skutečná červená barva, která není v přírodních silikátových materiálech k dispozici, se nachází v pevných roztocích sulfidu kadmia a selenidu kadmia (CdS-CdSe).

Práškové pigmenty jsou včleněny do keramických těles nebo glazur, aby propálily barvu vypálenému zboží. Tepelná stabilita a chemická inertnost během vypalování jsou důležité aspekty.