美國Union Process立式攪拌磨助力透明電光陶瓷光通訊行業——國內主流媒體報道跟蹤采訪

時間：2021-06-26 作者：砂磨機生產廠家：美國UP青島工廠點擊：22397次

“日常的生活里我們已經離不開網絡，都是通過光通訊來實現。作為光通訊里最主要的方式，電光陶瓷在各方面優勢都是非常明顯的……” 這是2021年4月24日晚青島QTV-2《生活在線》節目“心青年”篇的開場白。

青島大學物理學院張教授十幾年來，在制備的鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛（PMN-PT）基透明電光陶瓷和壓電陶瓷的各項性能達到國內領先、國際先進水平，基于自主制備的PMN-PT透明電光陶瓷開發出原型電光器件、實現了自由空間光通信，被青島電視臺及網絡媒體爭相報道。

同時，主持國家自然科學基金、教育部產學合作協同育人項目、山東省自然科學基金，山東省教育廳科技發展項目，山東省研究生教育質量提升計劃項目、青島市科技局項目共8項。

正如視頻報道中，張教授主要研究從透明電光陶瓷原材料粉體制備、成型、燒結到性能測試、微結構研究和應用效果演示等，即為光通訊領域核心器件的關鍵材料。青島大學地處美國Union Process青島工廠大本營，早在十幾年前建廠初期就已經開始了密切聯系與合作，為其提供了廣受各大科研院所和高校好評的01HDDM（實驗型立式砂磨機）和1S（干濕兩用立式攪拌磨）等設備，物理學院就有2臺01HDDM做著不同方向的研究。

隨著節目的播出和傳閱，更多的高校、科研人員和企業希望了解更多關于材料、行業和設備等相關信息，為滿足廣大客戶需求，近日青島聯瑞精密機械有限公司（UPQ）市場部聯合技術部一同前往青島大學物理學院跟蹤采訪了張教授，以下為主要關心的幾個問題的提問和回答摘要：

問題01

透明陶瓷的發展歷程及其應用？

張教授：光通訊概念很寬泛，人和人之間的交流都是依靠信息的傳輸。現在手機的信息傳輸依托于一個很龐大的光通訊網絡。目前信息傳輸主流仍是光纖通訊，而十幾二十年前還是電纜。

為何使用光纖呢？第一是因為光從物理角度來說是傳輸速度最快的。第二是因為光纖帶寬高，同樣一根光纖它所能傳輸的信息量要比電纜多幾百萬倍甚至上億倍。光纖有速度快、容量大、損耗低的優點。所以光通訊是目前最主要的通訊方式，它的發展速度已經超越了電的發展速度，光通訊的摩爾定律比集成電路的還要短，幾個月就要翻一倍，國家正在考慮建設全光網絡。

電光材料也就是透明陶瓷，上世紀八九十年代開始應用在光學儀器中，由美國賓州州立大學率先制備出來。國內當時受限于制備技術水平、工藝和儀器設備，大部分的陶瓷是不透明的，而賓州州立大學做成的半成品性能還不錯，當時已能做到透明。隨著技術水平的進步和儀器設備的升級，從2009年開始到現在已有十幾年，現在我們也可以做出來。

透明陶瓷不僅在光通訊領域有所應用，還在高性能的電光調節器、熵共振、量子光學器件提供關鍵材料。還有醫學領域，像醫院的超聲成像、B超的探頭核心材料都是透明陶瓷。陶瓷的壓電性能，包括超聲聲吶、水下換能等，做成透明之后又有了電光性能，既有壓電性能又有光學性能，它就有了復合效應，也就有了更廣闊的市場。

問題02

透明陶瓷在材料制備過程中需要注意什么？

張教授：透明陶瓷首先從結構上來說，它是由粉壓制在一起高溫燒制出來的，每一個粉都是一個顆粒，每兩個顆粒放在一起都有一個界面，叫做晶體晶界。如果是均一的物體光通過時不會受影響，而光通過好多個界面，界面對光就會有散射。陶瓷燒制有1%的氣孔，陶瓷都不會透明，透明陶瓷需要將氣孔降到千分之一甚至萬分之一，控制氣孔就是難點之一。

第二是不能有雜質，原材料要純，制備過程不能引入雜質。不同組份兩種物象混在一起就會有一個像界面，又會對光有散射。材料是單折射還是雙折射的晶體，雙折射晶體光通過后會分成兩股，透過率就會很低。還有晶粒的大小也會產生影響。所以透明陶瓷的影響因素特別的多，就特別依賴制備技術和制備設備。因為整個過程有十幾道工藝，一旦出現問題就很容易出現不透明的情況。

在原材料方面，高純度的原材料成本高，99.9%和99.99%純度的原料價格差很多。在制備環境方面，因為是開放性環境，空氣中的灰塵落入不可避免，在球磨的過程中磨球碎屑脫落也不可避免，這就需要進行工藝的改進。另一個問題是如果做好了，后期要產業化的時候，從實驗室小批量生產到中批量再到大批量，工藝的移植又不一樣了。實驗室是小批量的，但是工廠是流水線式的，要求這邊進料那邊出料，怎么樣能保證產出是一樣的，需要重新去嘗試，都需要去探索。

問題03

立式攪拌磨在制備透明陶瓷過程中的應用？

張教授：陶瓷材料制備一般三大步，第一步做粉：氧化鎂、氧化鉛、氧化鈦等原料，用立式攪拌磨球磨混勻，在此過程中將它打碎，再進行高溫燒制得到需要的物象。第二步壓片：用壓片機壓成小片。第三步燒結：燒結工藝十分講究，燒結之后需要進行切割、測性能、做機驗等。

粉體制備常規工藝試過化學法，如固相反應、水熱反應等，化學法的優點是粉體比較細，但粉體容易團聚，產量也是一個問題。實驗室采用傳統球磨方式，球磨又分行星球磨和立式攪拌球磨。立式攪拌球磨優點是能量輸入高、速度快、出料粒徑小等。節省了實驗周期，行星球磨一般需要一天，而立式攪拌球磨只需要一個小時，且轉速高，粉體粒徑即可達到要求，縮短整個周期，均勻性亦有保證。

雖然陶瓷最后是燒結出來的，但是第一步做不好，后面都做不好。在這三大步里，每一個步驟都包含十幾個細節，每一個細節都會影響陶瓷是否透明。因此需要從粉體制備開始一直跟蹤，從形貌、粒度、分布等方面嚴格要求。粉體需要一個適合的粒徑范圍，太大和太小都不好。一般做粉體的公司都會對粉體的形貌進行控制，球磨容易將粉體形貌打壞。我們粉體制備使用的是美國Union Process品牌立式攪拌磨，2013年使用的第一臺，8年了效果還是非常的好，設備穩定，重復性和可靠性比較高，我們一直在用。

問題04

干法工藝制備透明陶瓷的難點與機會？

張教授：干法制備過程中會有粉塵的溢出，而陶瓷材料中有鉛的成分，吸入之后對人體是有害的，所以并沒有進行干法工藝探索。

如果干法可行將解決我們很大一部分問題。目前濕法研磨后我們需要進行沖洗球料分離，然后進行烘干，但是烘干過程有個問題，由于原料密度不同，在沉降過程中沉降的速度有快有慢，沉降之后原料又不均勻，如果干法能夠成功。我們的工藝能更簡化。美國UnionProcess立式攪拌磨可以干濕兩用，之后我們可以共同研究開發不同粉體制備的干法工藝，目前國內干法工藝還有很大進步空間。

以上是關于透明陶瓷材料、行業和設備以及工藝探討的主要幾個問題和回答摘要，在交流的整個過程中，深刻體會到張教授潛心研究的那份執著與熱愛，每每談到材料基礎研究時，是能看到眼里發的光，正是這從內心發出的光，照亮新材料發展前進的道路，美國UnionProcess青島工廠——青島聯瑞精密機械有限公司邀請青島、山東乃至全國各地的材料專家蒞臨指導，共同探索。