青岛故事｜16年3000炉，烧出领先世界的“透明陶瓷”！青岛大学科研团队研制出高性能透明电光陶瓷

一片看似普通的陶瓷，却能以纳秒之速指挥光路转向，承载海量信息奔流——这就是高性能透明电光陶瓷。从2009年到2025年，青岛大学物理学院副院长张永成带领团队，历经十六载春秋，烧结超过三千炉，锻造出了“国内领先，世界先进”的透明陶瓷。

张永成正在进行实验。

从零起步

与“五年预言”的较量

2009年，青岛大学物理学院的实验室里，在读博士生张永成站在一台烧结炉前，眉头紧锁。他的面前，是一批刚刚烧制完成的陶瓷样品——完全不透明，与普通瓷砖别无二致。“透明陶瓷，从零开始，五年之内估计很难做出来。”学院里一位做了一辈子陶瓷的老教授曾这样对他说。中国是盛产瓷器的国度，但烧制日常陶瓷与烧制“功能性透明陶瓷”，完全是两回事。透明的玻璃、晶体很常见，而透明陶瓷，在日常生活中几乎看不到踪影。

彼时，全球光通信产业正蓄势待发，大数据的浪潮初现端倪。作为光通信网络、光交换系统核心“闸口”的光开关，高性能透明电光/磁光材料是其核心。目前主流的磁光开关材料依赖进口，而响应速度快上千倍的电光开关，其关键材料——高性能透明电光晶体，更是被国外企业垄断。

张永成选择的科研方向，正是被誉为“未来高速光电子器件基石”的新型铌镁酸铅-钛酸铅（PMN-PT）透明电光陶瓷。这是一个几乎从零开始的选择。国际上有论文报道证明此路可行，但具体工艺、配方、设备，皆是空白。从科学原理上讲，让陶瓷透明，需要满足2个基本条件：材料本身不吸光，内部光散射尽量低。道理简单，实现却如攀天梯。“科学和技术是两回事。公式原理就在那里，但能不能做出来是另外一回事。”张永成说。他们的首要目标是在微观上实现理想中的那种致密结构，将陶瓷中通常高达5%—10%的气孔率降至0.1%以下。

试错、改进循环往复，这是唯一的路径。烧结温度、保温时间、烧结压力、烧结气氛……无数个工艺参数排列组合，烧一炉，不透；调整参数，再烧一炉，还是不透。张永成甚至开始动手改造烧结设备……2014年的一个周末，转机乍现。张永成照例打开炉门，取出新烧制的一批样品，稍加打磨抛光后，他习惯性地将其举到眼前——光线，竟然穿透了这片陶瓷！ 更令人震惊的是，其厚度达到两三个毫米，远超文献中常见的零点几毫米。他成功了！

透明电光陶瓷展示品

不断超越

陶瓷透光率接近理论极限

然而，科研的戏剧性在于，突破往往伴随着新的困惑。这片陶瓷内部散布着肉眼可见的杂质，且电光性能不佳。更棘手的是，此后几个月，这一“成功”竟无法复现。

首要任务是破解“偶然性”，实现透明度的稳定、可重复制备。团队再次进入试错-改进循环。“大概又过了两三年，我们才基本消除了杂质问题，能够比较稳定地制备出高透明陶瓷。”张永成说。在2017年，团队成功制备出近红外透光率达到70%的PMN-PT（铌镁酸铅-钛酸铅）透明电光陶瓷，已接近该材料71%的理论极限。

然而，正当他们为攻克透明度稳定性而稍感欣慰时，更严峻且本质的挑战浮出水面：电光性能不佳。对于光电材料而言，仅有“透明”的外壳远远不够，其灵魂在于 “电光调制性能”。研究随之进入“深水区”。

张永成团队需要在保持高透明度的前提下，进行复杂的“性能优化”，这仿佛在微观世界里进行一场精密的雕刻。他们系统性地研究不同稀土元素的掺杂，探索掺杂浓度、元素种类、不同组合对陶瓷晶体结构及最终光电性能的调控规律。通过对海量实验数据的分析和显微结构的深入表征，团队逐渐摸清了性能指标与“工艺-成分-结构-性能”之间的内在关联。直到2021年，里程碑式的突破终于到来：团队成功制备出兼具高透明度和大电光系数的PMN-PT透明陶瓷，国际国内科技查新报告显示，综合指标达国际先进水平。

当一片晶莹剔透、性能卓越的陶瓷摆在面前，张永成团队看到的，是改变产业格局的可能性。材料的真正价值，必须通过“器件”来兑现。

张永成向记者讲解高性能透明电光陶瓷工作原理。

点石成金

把陶瓷片打造成“电子芯片”

“该材料性能优异，可实现小尺寸、低电压、轻量化、集成化器件的应用需求，可用于激光、光通信等领域。具体到光通讯领域，在物联网、云计算、人工智能驱动的数据洪流中，光网络需要效率更高的交通枢纽，而高速光开关的重要性堪比电子芯片。”张永成指出，全球信息量的90%通过光纤传输，对更高速度、更大带宽、更低延迟的需求永无止境。而在光通信庞大而精密的信息高速路上，有几类核心器件如同“交通枢纽”直接决定着网络的效率。而这些器件全部基于高性能透明电光材料。

“光是直线传播，承载的信息要去到不同的方向，让它转向，就需要光开关。”张永成用高速公路做出形象的比喻，“你要从青岛去北京，需要有一个或多个交通枢纽，把你从青银高速转到京沪高速上去。”与此同时，在大型数据中心、国家骨干光网络中，存在着海量的光交叉连接节点、波分复用器，需要根据数据流向实时切换物理光路。基于高性能透明陶瓷的电光开关，响应速度可达纳秒级，比目前常用的开关快上千倍乃至万倍。

此外，这种材料同样是制造高速电光调制器的核心材料。“激光本身不携带信息，要让激光携带信息，需要调制器。”张永成解释道，“比如一束激光，通过外加电信号，电的信息就直接变成光强或相位的变化，然后随着激光以最快的速度传播到世界各地去。”电光调制器正是连接电子世界与光子世界的桥梁，是将信息“装载”到光波上的关键设备。

为了验证材料的器件性能，基于上述PMN-PT透明陶瓷材料，该团队还设计搭建了一套电光调制系统，实现了数字信号（图像）和模拟信号（声音）的电光调制以及在自由空间中的实时传输。这一步，是从“材料”到“器件”的关键跨越。

烧制透明电光陶瓷

打破垄断

十六年磨一剑点亮产业星火

十六年，三千炉火，张永成将自己最好的年华，“烧制”进了这一片片晶莹的陶瓷里。成绩单是厚重的：本项目以打破国际垄断、实现高性能电光材料与器件的国产替代为使命，在国家自然科学基金、省重点研发计划等项目的支持下，成功研发出具有自主知识产权的高性能PMN-PT透明电光陶瓷及高速电光开关等器件。团队已发表高水平学术论文50余篇，授权发明专利5项，荣获山东省科学技术奖二等奖等荣誉。

“目前来说，有国外一家公司，他们实际上在十几年前就已经做成了这个电光陶瓷材料，并批量生产了高性能电光器件。”张永成表示，“除我们团队外，国内还有几个科研团队也在研究该材料，但是真正做到器件、做到应用的几乎没有。”这“应用”二字，重若千钧。它意味着技术走出了论文和实验室，开始接受真实工程环境与市场需求的严苛检验，开始真正触碰产业化的脉搏。

记者了解到，目前，张永成团队已研制出电光开关原型器件样品，正在与包括国内龙头通信企业的多家公司合作研制商用高速电光开关、光滤波器等器件，推动商业化进程。“我们制作的光元器件，正处于应用的验证阶段。” 张永成坦言，从实验室样品到规模化、高可靠性的商用产品，还有一系列工程化问题需要解决，但这已是国产高端电光器件迈向市场的最坚实一步。

十六年磨一剑，今朝试锋芒。这片透明陶瓷映照的，是一位科学家坐稳“冷板凳”的执着，是一个团队挑战世界级难题的勇毅，更是在关键核心技术领域，中国科研与产业力量不甘人后、砥砺前行的缩影。炉火，依然旺盛。故事，正在写下新的篇章。

（半岛全媒体首席记者 尹彦鑫 刘文）