氮氧化铝:一种可以防弹的透明陶瓷

2020-03-27 dpeng 117

引言:科学家们没有找到让金属铝透明的办法,但是却开发出了一种能达到类似强度的透明铝基材料。这货就叫氮氧化铝(AlON),其硬度是石英玻璃的4倍,是蓝宝石的85%;厚度约4cmAlON足以阻挡点50口径的子弹,这是传统的夹层防弹玻璃做不到的。除具有很强的硬度外,它还拥有良好的弹性,这些特性使氮氧化铝在国防、航天等领域具有很广阔的应用前景。

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1 猎豹M6狙击步枪,杀伤力非凡 口径为.50BMG12.7X107毫米) 

备注:使用钢芯穿甲弹可在1000米内对付装甲厚度在20毫米以内的轻型装甲目标,使用爆炸燃烧弹可对1500米距离的雷达,飞机等目标较大的高价值目标进行破坏。采用氮氧化铝防弹陶瓷替换防弹玻璃可以在更小厚度及更低重量时候,可靠地抵御狙击枪或破坏物体对军事或其他重要设备的破坏行为。   下文将对AION陶瓷的基本性能、制备工艺进展和应用等方面做一个简单的阐述。   一、氮氧化铝陶瓷的性能 1、氮氧化铝的基本特性 氮氧化铝(γ-AlON,简称AION)是一种透明多晶陶瓷,它是一种全新的多晶红外材料,在可见光至中红外具有高的光学透过性能。它最大的优点是具有光学各向同性,且在中红外波段具有良好的透光率(在波长0.26.0μm范围内透光率80%以上),同时氮氧化铝也具有良好的物理、机械和化学性质。因而透明AION陶瓷是导弹整流罩、红外窗口材料和防弹装甲材料的优选材料。 

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2 抛光的AlON 

2、三种常用中红外材料的性能对比 氮氧化铝(AlON)、蓝宝石(sapphire)和尖晶石(MgAl204)三种常用的中红外材料的性能对比如表1所示。

1常用的中红外材料性能对比

材料 AlON 蓝宝石 尖晶石 密度 (g/cm3) 3.7 3.98 3.59 弯曲强度 300 400 184 硬度 (GPa) 185 220 152 光学透过率 3-5μm 85% 85% 85% 介电常数 9.3 9.4 9.2 介电损耗 0.0022 0.0005 0.0027

3、氮化铝材料的优势所在 AlON透明陶瓷的光学性能与蓝宝石、尖晶石相当,抗弯强度接近蓝宝石,明显高于尖晶石。由蓝宝石单晶制备的窗口材料的加工成本非常高,且难以获得大尺寸的产品,而AlON陶瓷则可以通过先进陶瓷制备方法实现大尺寸及复杂形状的产品的制备。 

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3 大尺寸的氮氧化铝透明陶瓷


二、AION陶瓷的制备工艺进展 AION陶瓷制备方法可以分为一步法和两步法两种。一步法一般是将原料粉末混合后经成型、烧结得到AION陶瓷。而两步法制备高透光率AION陶瓷需经粉体合成和陶瓷制备两步。首先制备高纯、单相的AION粉末,然后通过成型和烧结得到AION陶瓷。 两步法制备透明AION陶瓷,制备工艺相对复杂,成本相对较高,但最大的优点是制备的陶瓷致密度较高,是目前透明AION陶瓷研究和应用的主要制备方法。 1AION陶瓷粉体合成方法 目前,γ-AlON粉末及AlON陶瓷的合成方法主要有高温固相反应、氧化铝还原氮化、高温自蔓延、化学气相沉积、溶胶-凝胶等方法,研究最多的是高温固相反应法、碳热还原氮化法和直接氮化法, 其涉及的反应式和合成温度列于表2 

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这些方法中高温固相反应、氧化铝还原氮化两种方法较为常用,下文将对这两种方法做简单阐述。

 

   a、高温固相反应法

将一定配比的AlNAl2O3粉混合,在高于1923.15K温度及氮气气氛保护下.保温一定时间制备AION粉末或陶瓷,其发生的反应如下式所示:

Al2O3(s)+AlN→AlON(s)

 

有学者研究了Al2O3-AlN体系反应参数对合成γ-AlON的影响,结果表明,超过1923.15Kγ-AlON相大量出现,在大于2073.15K时,完全转变成γ-AlON。反应过程中先形成富氧的AION。随着温度升高,富氧的AIONAlN反应。形成富氮的AION 

 

b、氧化铝还原氮化法

氧化铝还原氮化制备γ-AlON粉末及AION陶瓷的还原剂通常有CAlNH3H2,而Al203碳热还原氮化法制备AION粉末是一种最常用方法,其化学反应如下式所示: 

Al203(s)+c(s)+N2→AlON(s)+CO

 

两种工艺对比:高温固相反应法的最大优点是原料容易获得,工艺简单易行.适于规模生产。氧化铝还原氮化法制备AION陶瓷的原料成本低,适合工业化生产,制备工艺较复杂,但制备的陶瓷透光率较好。 

 

2、Al0N陶瓷的烧结工艺进展

AION陶瓷主要有无压烧结法、热压法以及最新出现的放电等离子烧结法、微波烧结法等。 

 

a、无压烧结

无压烧结是制备透明陶瓷的传统方法.可以低成本大量生产各种尺寸和形状的产品。是目前AION陶瓷研究最多的制备方法。 

 

举例:上海硅酸盐研究所的JIN等人以氧化铝和尿素甲醛树脂为原料。采用碳热还原工艺和无压烧结,制备了平均透光率大于80(1mm)AION陶瓷。 

 

WANGl研究了Y203La203共掺对无压烧结制备AION透明陶瓷的影响,制备了透光率80.3%的AION透明陶瓷。

 

上海玻璃钢研究院有限公司与上海大学开展合作研究。通过碳热还原法合成AION粉体,经1875℃x24h条件下无压烧结制备了在10005000nm波长范围内的直线透过率在80%左右。在3.93μm波长处光学透过率最高可达83.7%的AION陶瓷。

 

b、热压烧结 热压烧结是指在烧结过程中施加一定的压力。使材料致密化的烧结工艺,适合制备简单形状的产品。 

 

举例:田庭燕等人以碳热还原法制得的氮氧化铝粉体为原料。采用热压烧结法在18501950℃15-25MPa条件下制备了3mmAION透明陶瓷样品的红外透过率达81.3%。 

 

c、微波烧结 微波烧结是一种较新的材料烧结工艺方法.可以实现材料整体加热来实现陶瓷的烧结。

举例:Cheng等人以高纯Al2O3AlN粉为原料,利用微波烧结在1800℃下保温60min烧结得到了99.4%理论密度的AION透明陶瓷。其最高透光率达到60(0.6mm) 

 

d、放电等离子烧结 放电等离子烧结方法采用脉冲电流加热,可以实现快速升温和陶瓷短时间烧结。

举例:Sahin等人报道了以Al2O3AlN的混合粉为前驱体粉,通过在1650℃40MPaSPS烧结30min合成了AION陶瓷。

武汉理工大学的魏巍采用Al2O3AlN按一定比例球磨混合,在1700℃下保温一定时间。制备了最高透过为75.2%的透明AION陶瓷样品。 

 

各种烧结工艺对比

热压烧结制备的陶瓷可获得较高透光性,但是由于工艺特点的限制难以制备复杂形状的样品,而微波烧结和等离子体快速烧结难以制备高透光性的AION陶瓷。无压烧结可实现复杂形状和高透光性陶瓷的制备,是实现AION透明陶瓷应用的重要制备方法。 

 

二、AlON透明陶瓷的应用

氮氧化铝(AlON)透明陶瓷具有强度高、硬度大、耐腐蚀、热震性好等优点,同时透波范围大、直线透过率大,因此在国防军事领域和商业领域中巨大的应用前景。氮氧化铝被美国军方评为“21世纪最重要的国防材料之一AION透明陶瓷材料开发研究已成为透明陶瓷材料研究开发的热点之一。

   氮氧化铝透明陶瓷材料因造价昂贵,目前多用于军事用途及一些高端商业领域中。下文为氮氧化铝透明陶瓷的一些应用领域介绍。 

 

1、红外窗口

AlON透明陶瓷表现出优异的光学性能和机械性能,综合性能突出(见表1),其在紫外、可见光、和近红外波段具有良好直线透过率(超过80%),此外还具有良好的光学和机械性能各向同性,为目前制备工艺成熟并被广泛应用的红外透明材料。 

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4 透明陶瓷可用于红外导引头最前面的透明罩子,激光近炸引信的窗口

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5 红外成像导弹头及导弹引头氮氧化铝透明罩子

 

2、透明装甲

AlON透明陶瓷最大潜在应用市场是透明装甲。AlON透明陶瓷可以用作装甲车、直升飞机的防弹窗口。

   AlON透明装甲比传统的防弹玻璃薄、轻且更坚固,不仅可以显著降低装甲整体的重量和装甲厚度,还可以提高防弹特性;另外AlON透明陶瓷具有出色的耐磨性、抗划伤性,风沙、刮蹭等都不会影响它的透明度,与传统防弹玻璃相比具有明显优势。 

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6氮氧化铝透明陶瓷可用作装甲车窗口材料

 

3、发光介质

 AlON陶瓷由于拥有宽的能带间隙、低的光子能量以及高温稳定性,适合用作发光材料基质。上转换发光材料在许多领域得到应用,如全固态紧凑型激光器件、上转换荧光粉、三维立体显示、光纤通讯技术、光信息存储和显示方面等。

   举例:张芳等人发现AlONEu2+350nm~410nm波段间有高吸收率和高量子效率,这和InGaN的发光很吻合。一些研究也已经分别在AlON:Er3+AlON:Yb3+AlON:Tm3+等体系中发现了红、绿、蓝荧光粉。

4、防弹轿车 防弹车的重量远超一般汽车,但对于操控灵活性的要求,越来越多具备防弹性同时重量又轻的材料被应用到防弹汽车的防护装甲中来。氮氧化铝可以以更薄厚度及更小重量来达到车辆防弹的要求。 

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9搭载氮氧化铝可以使车身轻量化得以发展 厚度1.6英尺的氮氧化铝的防弹能力可以优于厚度3.7英寸的防弹玻璃


5、电子设备新型材

电子设备作为一种消费品,其取材需得更新换代才能吸引吃瓜群众的注意,单单军工专用的氮氧化铝材料就是一大噱头。摒弃其噱头不说,氮氧化铝透明陶瓷优异机械性能及光学性能,也很适合用作智能电子设备的配件。例如,智能手表的表盘,手机触摸屏等。如果智能穿戴设备搭载上了可以防爆的的氮氧化铝,路边的专业换屏三十年的师傅是不是要失业了呢。 

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11 未来智能设备再也不担心爆屏

6、其他用途

AlON综合性能优异,还被广泛用在很多其他领域。由于AlON拥有高硬度和耐久度的优点,它适合在超市和其他零售商店的POS扫描器中使用。 

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11 POS扫描器

因为具有突出的抗化学腐蚀特性,AlON还可以用于半导体生产设备,器件包括等离子体输送管、晶片载体、工艺外壳等。AlON不仅是蓝宝石的低成本替代品,也是抗腐蚀石英的替代品,虽然AlON的购置成本可能比石英高,但由于它在腐蚀环境具有更长的使用年限,因此平均成本相对更低。 




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