Optische Keramik

Optische Keramik, fortschrittliche Industriematerialien, die für den Einsatz in optischen Anwendungen entwickelt wurden.

Optische Materialien erhalten ihre Nützlichkeit aus ihrer Reaktion auf Infrarot-, optisches und ultraviolettes Licht. Die offensichtlichsten optischen Materialien sind Gläser, die im Artikel Industrieglas beschrieben sind, aber Keramik wurde auch für eine Reihe von optischen Anwendungen entwickelt. In diesem Artikel werden mehrere dieser Anwendungen untersucht, sowohl passive (z. B. Fenster, Radome, Lampenhüllen, Pigmente) als auch aktive (z. B. Leuchtstoffe, Laser, elektrooptische Komponenten).

Passive Geräte

Optische und Infrarotfenster

In ihrem reinen Zustand sind die meisten Keramiken Isolatoren mit großer Bandlücke. Dies bedeutet, dass zwischen der Energie der höchsten gefüllten Elektronenniveaus und der Energie des nächsthöheren unbesetzten Niveaus eine große Lücke verbotener Zustände besteht. Wenn diese Bandlücke größer als die optischen Lichtenergien ist, sind diese Keramiken optisch transparent (obwohl Pulver und poröse Preßlinge solcher Keramiken aufgrund von Lichtstreuung weiß und undurchsichtig sind). Zwei Anwendungen von optisch transparenter Keramik sind Fenster für Strichcodeleser in Supermärkten sowie Infrarot-Radom- und Laserfenster.

Saphir (eine einkristalline Form von Aluminiumoxid, Al ₂ O ₃) wurde für Kassenfenster in Supermärkten verwendet. Es kombiniert optische Transparenz mit hoher Kratzfestigkeit. In ähnlicher Weise wurden einkristalline oder infrarottransparente polykristalline Keramiken wie Natriumchlorid (NaCl), Rubidium-dotiertes Kaliumchlorid (KCl), Calciumfluorid (CaF) und Strontiumfluorid (SrF ₂) für erosionsbeständige Infrarotradome verwendet, Fenster für Infrarotdetektoren und Infrarotlaserfenster. Diese polykristallinen Halogenidmaterialien neigen dazu, niedrigere Wellenlängen als Oxide zu übertragen und erstrecken sich bis in den Infrarotbereich; Ihre Korngrenzen und Porosität streuen jedoch Strahlung. Daher werden sie am besten als Einkristalle verwendet. Als solche sind Halogenide jedoch für große Fenster nicht ausreichend stark: Sie können sich unter ihrem eigenen Gewicht plastisch verformen. Um sie zu verstärken, werden Einkristalle typischerweise heißgeschmiedet, um saubere Korngrenzen und große Korngrößen zu induzieren, die die Infrarotdurchlässigkeit nicht signifikant verringern, dem Körper jedoch ermöglichen, einer Verformung zu widerstehen. Alternativ kann großkörniges Material schmelzgegossen werden.

Lampenumschläge

Elektrische Entladungslampen, bei denen eingeschlossene Gase durch eine angelegte Spannung erregt und dadurch zum Leuchten gebracht werden, sind äußerst effiziente Lichtquellen, aber die Wärme und Korrosion, die mit ihrem Betrieb verbunden sind, bringen optische Keramik an ihre thermochemischen Grenzen. Ein großer Durchbruch gelang 1961, als Robert Coble von der General Electric Company in den USA zeigte, dass Aluminiumoxid (ein synthetisches polykristallines Al ₂ O ₃) unter Verwendung von Magnesia (Magnesiumoxid, MgO) als optische Dichte und Transluzenz gesintert werden kann Sinterhilfe. Diese Technologie ermöglichte es, dass die extrem heiße Natriumentladung in der Hochdruck-Natriumdampflampe in einem feuerfesten Material enthalten war, das auch sein Licht durchließ. Das Plasma in der inneren Aluminiumoxidlampenhülle erreicht Temperaturen von 1.200 ° C (2.200 ° F). Die Energieemission deckt fast das gesamte sichtbare Spektrum ab und erzeugt ein helles weißes Licht, das alle Farben reflektiert - im Gegensatz zu der Niederdruck-Natriumdampflampe, deren bernsteinfarbenes Leuchten in den Skylines von Großstädten üblich ist.

Pigmente

Die Keramikfarben- oder Pigmentindustrie ist eine langjährige, traditionelle Industrie. Keramikpigmente oder -flecken bestehen aus Oxid- oder Selenidverbindungen in Kombination mit spezifischen Übergangsmetall- oder Seltenerdelementen. Die Absorption bestimmter Wellenlängen des Lichts durch diese Spezies verleiht der Verbindung spezifische Farben. Beispielsweise sind Kobaltaluminat (CoAl ₂ O ₄) und Kobaltsilikat (Co ₂ SiO ₄) blau; Zinn-Vanadiumoxid (bekannt als V-dotiertes SnO ₂) und Zirkonium-Vanadiumoxid (V-dotiertes ZrO ₂) sind gelb; Kobaltchromit (CoCr ₂ O ₃) und Chromgranat (2CaO · Cr ₂ O ₃ · 3SiO ₂) sind grün; und Chromhämatit (CrFe ₂ O ₃) ist schwarz. Eine echte rote Farbe, die in natürlich vorkommenden Silikatmaterialien nicht verfügbar ist, findet sich in festen Lösungen von Cadmiumsulfid und Cadmiumselenid (CdS-CdSe).

Pulverförmige Pigmente werden in Keramikkörper oder Glasuren eingearbeitet, um dem gebrannten Geschirr Farbe zu verleihen. Die thermische Stabilität und die chemische Inertheit beim Brennen sind wichtige Überlegungen.