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文
摘
要
中国粉体网讯 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，因此在国防和民用众多领域具有广泛的应用前景，被美国军方评为“21世纪最重要的国防材料之一”。
与玻璃不同，AlON的主要原材料并不是二氧化硅，也不是高分子化合物，而是铝、氧和氮，它的制作方法有多种，将氮氧化铝粉末在高温下烧制，最后再抛光打磨就可以得到透明的AlON了，它的硬度是石英玻璃的四倍，可以承受2150℃的高温，比防弹玻璃还要强大。在电影《侏罗纪世界》中，出现的球形游览车就是用AlON制造的。
影片《侏罗纪世界》中的球形游览车外壳就是ALON材料
AlON陶瓷的性能及应用
1、AlON陶瓷透明的原因
很多人疑问，为什么普通陶瓷都有颜色，而AlON却能做到浑身透明？首先，物体之所以看起来透明，是因为光线能够穿透它，且不会发生强烈的反射和散射。对于普通陶瓷来说，它的内部有很多的微气孔，这会使光线反射和折射到四面八方，陶瓷内部的杂质也会散射光线，降低它的透光性。普通陶瓷的构成不是单相，而是多相组成结构，也就是说，光线会在不同的晶相界面上发生散射；同时，它的晶体结构为“各向异性”，这使光线从一个晶粒向邻近的晶粒入射时，发生双射现象，进而产生散射，造成不透光性。最后陶瓷的表面也不够光滑，这同样会散射光线。
而AlON作为一种新型材料，它的组成结构为单向，且晶体结构是“各向同性”的立方晶系。可以理解为，材料内部的晶粒排列整齐，再加上表面经过机械抛光，自然就不会散射了。
抛光的AlON板
2、AlON陶瓷的硬度
在实验中，将一颗25克的黄岗岩扔在1.27㎝的普通硼硅酸盐玻璃上，玻璃会瞬间破碎；而将它扔到一块AlON上，透明陶瓷会毫发无伤，反倒是石头粉身碎骨了，这实验结果有点“鸡蛋碰石头”的感觉。那么拿AlON与防弹玻璃的对决会是一个什么局面？
我们可以把防弹玻璃想象成一个“汉堡”，即在两层玻璃中间夹了一层“PVB树脂”，它拥有极强的柔韧性和粘性，所以，当子弹射中玻璃后，中间的夹层会将玻璃碎片粘合在一起，并将子弹的大部分动能转化为热能，而夹的PVB层数越多，防弹玻璃的抗击能力就越强。实验中，AlON防弹铠甲和防弹玻璃使用了同样的夹层，但是二者的厚度明显不同，因相同口径的北约弹进行射击，结果显示，子弹可以轻松穿过9.4厘米厚的防弹玻璃，而4厘米的AlON防弹铠甲却抵挡了子弹的袭击。显而易见，AlON硬度赶超防弹玻璃。
AlON陶瓷综合性能优异，具备许多其他陶瓷材料不可比拟的优良性质。其在紫外、可见光和近红外波段均具有良好的直线透过率，是目前应用较为广泛的红外透明材料，也是红外窗口的优选材料。
另外，AlON陶瓷的最大潜在应用领域是透明装甲，其可以用作装甲车、直升飞机的防弹窗口；AlON陶瓷由于具有宽的能带间隙、低的光子能量以及高温稳定性，适合用作发光材料基质，可用于如激光器件、光纤通讯技术、光信息存储等方面。除去军事领域，其因具有高硬度和耐久性的优点，以及突出的抗化学腐蚀特性，可用于制备POS机窗口材料，也可用于精密仪器仪表的壳体、高端手表、棱镜、各种防护目镜片、高温高压设备的观察窗口以及挡风玻璃等。
AlON陶瓷的制备工艺
目前AlON陶瓷的制备方法主要划分为两类：反应烧结和两步制备法。
1、反应烧结法
反应烧结一步制备法，即以商业化的高纯Al2O3和AlN为原料，按照一定的比例混合均匀，加入适量的烧结助剂，球磨、烘干的粉体直接用来固相烧结合成AlON陶瓷。反应烧结一步制备法工艺步骤简单，能够避免原料粉体制备的繁杂，成本相对较低。
2、两步烧结法
两步烧结制备法最关键的是合成γ-Al2O3高纯粉体，目前主流的粉体合成方法主要有以下几种：
（1）碳热还原氮化法
该法将原料氧化铝粉和还原剂碳粉按一定比例混合，在流动N2气氛保护下加热到一定温度，来制备所需γ-AlON产物。这种方法成本低，制备的粉体活性高，适合大规模生产AlON陶瓷，但工艺较为复杂，合成的粉体会有波动，也不适合制备大尺寸AlON陶瓷。
（2）高温固相反应法
该方法要在温度高于1650℃时利用混合均匀的Al2O3和AlN粉的化学反应生成AlON粉，其中高温烧结时要不断的通入氮气。高温固相反应法制备AlON粉体流程简单，而且可以避免长时间烧结带来粉体颗粒化以及团聚等问题，但缺点是需要采用高纯、超细的AlN原料粉体来确保较高的反应活性，生产成本高。
AlON陶瓷的展望
可能又有人要问AlON陶瓷如此的优秀，为什么几乎没有应用？其实，早在2005年，美国军方就想将其安装在悍马汽车上，奈何AlON的价格太过昂贵。当时，每平方英寸的防弹玻璃价格约为3.25美金，而AlON的价格在10到15美金，直到2009年美国Surmet公司获得相关专利，才在2013年与美国国防部合作时供应了一款AlON陶瓷玻璃窗，同样碍于价格因素，AlON也迟迟没有进入民用领域，2018年曾有消息称：蔡司要推出首款AlON制造的镜头，不过至今也没有后续。
近半个世纪来，对氮氧化铝组成、晶体结构、相关系及其性能方面进行大量的研究，使得人们对这种材料有了系统的认识。国内研究水平和市场开发与国外存在较大的差距，迫切需要在基础理论、制备方法和工艺等方面加强研究，特别是需要加大对大尺寸、复杂形状制品的研制，探索出成熟稳定的制备工艺，争取早日掌握产业化自主技术并实现大规模生产。
参考来源：
陈小明等人：AlON陶瓷的研究现状与发展趋势
朱克武等人：AlON陶瓷材料的研究进展
云斯宁等人：AlON陶瓷材料的结构、性质及应用
李建民：AlON透明陶瓷的光学性能优化研究
