Ceramica ottica, materiali industriali avanzati sviluppati per l'uso in applicazioni ottiche.
I materiali ottici derivano la loro utilità dalla loro risposta alla luce infrarossa, ottica e ultravioletta. I materiali ottici più ovvi sono gli occhiali, che sono descritti nell'articolo sul vetro industriale, ma anche la ceramica è stata sviluppata per una serie di applicazioni ottiche. Questo articolo esamina molte di queste applicazioni, sia passive (ad es. Finestre, radome, involucri di lampade, pigmenti) che attive (ad es. Fosfori, laser, componenti elettro-ottici).
Dispositivi passivi
Finestre ottiche e infrarosse
Allo stato puro, la maggior parte delle ceramiche sono isolanti a banda larga. Ciò significa che esiste un ampio divario di stati proibiti tra l'energia dei livelli di elettroni riempiti più alti e l'energia del livello non occupato più alto successivo. Se questo gap di banda è maggiore delle energie di luce ottica, queste ceramiche saranno otticamente trasparenti (sebbene polveri e compatti porosi di tali ceramiche saranno bianchi e opachi a causa della dispersione della luce). Due applicazioni della ceramica otticamente trasparente sono le finestre per i lettori di codici a barre nei supermercati e le finestre a raggi infrarossi e laser.
Lo zaffiro (una forma monocristallina di ossido di alluminio, Al 2 O 3) è stato utilizzato per le vetrine dei supermercati. Combina la trasparenza ottica con un'alta resistenza ai graffi. Allo stesso modo, per i radome infrarossi resistenti all'erosione sono state usate ceramiche policristalline monocristalline o trasparenti all'infrarosso come cloruro di sodio (NaCl), cloruro di potassio drogato con rubidio (KCl), fluoruro di calcio (CaF) e fluoruro di stronzio (SrF 2), finestre per rivelatori a infrarossi e finestre laser a infrarossi. Questi materiali ad alogenuri policristallini tendono a trasmettere lunghezze d'onda inferiori rispetto agli ossidi, estendendosi fino alla regione a infrarossi; tuttavia, i loro confini di grano e la porosità diffondono la radiazione. Pertanto, sono meglio utilizzati come cristalli singoli. Tuttavia, gli alogenuri non sono sufficientemente resistenti per le finestre di grandi dimensioni: possono deformarsi plasticamente sotto il loro stesso peso. Al fine di rafforzarli, i singoli cristalli sono tipicamente forgiati a caldo per indurre confini puliti del grano e grosse dimensioni del grano, che non riducono significativamente la trasmissione a infrarossi ma consentono al corpo di resistere alla deformazione. In alternativa, il materiale a grana grossa può essere fuso per fusione.
Buste per lampade
Le lampade a scarica elettrica, in cui i gas chiusi sono alimentati da una tensione applicata e quindi accese, sono fonti di luce estremamente efficienti, ma il calore e la corrosione coinvolti nel loro funzionamento spingono la ceramica ottica ai loro limiti termochimici. Una svolta decisiva avvenne nel 1961, quando Robert Coble della General Electric Company negli Stati Uniti dimostrò che l'allumina (un policristallino sintetico, Al 2 O 3) poteva essere sinterizzata alla densità ottica e alla traslucenza usando la magnesia (ossido di magnesio, MgO) come aiuto per la sinterizzazione. Questa tecnologia ha permesso che la scarica di sodio estremamente calda nella lampada al vapore di sodio ad alta pressione fosse contenuta in un materiale refrattario che trasmetteva anche la sua luce. Il plasma all'interno dell'involucro interno della lampada in allumina raggiunge temperature di 1.200 ° C (2.200 ° F). L'emissione di energia copre quasi l'intero spettro visibile, creando una luce bianca brillante che riflette tutti i colori, a differenza di quella della lampada a vapore di sodio a bassa pressione, il cui bagliore ambrato è comune nelle skyline delle principali città.
pigmenti
L'industria dei colori o dei pigmenti in ceramica è un'industria tradizionale di lunga data. I pigmenti o le macchie di ceramica sono costituiti da composti di ossido o selenide in combinazione con elementi specifici di metallo di transizione o terre rare. L'assorbimento di alcune lunghezze d'onda della luce da parte di queste specie conferisce colori specifici al composto. Ad esempio, l'alluminato di cobalto (CoAl 2 O 4) e il silicato di cobalto (Co 2 SiO 4) sono blu; l'ossido di stagno-vanadio (noto come SnO 2 drogato con V) e l'ossido di zirconio-vanadio (ZrO 2 drogato con V) sono gialli; la cromite di cobalto (CoCr 2 O 3) e il granato di cromo (2CaO · Cr 2 O 3 · 3SiO 2) sono verdi; e l'ematite di cromo (CrFe 2 O 3) è nera. Un vero colore rosso, non disponibile nei materiali a base di silicato presenti in natura, si trova nelle soluzioni solide di solfuro di cadmio e selenide di cadmio (CdS-CdSe).
I pigmenti in polvere sono incorporati in corpi ceramici o smalti per conferire colore agli articoli cotti. La stabilità termica e l'inerzia chimica durante la cottura sono considerazioni importanti.
