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透明陶瓷材料(透明陶瓷种类)

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

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