氮氧化鋁:一種可以防彈的透明陶瓷

2020-03-27 dpeng

引言:科學(xué)家們沒有找到讓金屬鋁透明的辦法,但是卻開發(fā)出了一種能達(dá)到類似強(qiáng)度的透明鋁基材料。這貨就叫氮氧化鋁(AlON),其硬度是石英玻璃的4倍,是藍(lán)寶石的85%;厚度約4cm的AlON足以阻擋點(diǎn)50口徑的子彈,這是傳統(tǒng)的夾層防彈玻璃做不到的。除具有很強(qiáng)的硬度外,它還擁有良好的彈性,這些特性使氮氧化鋁在國(guó)防、航天等領(lǐng)域具有很廣闊的應(yīng)用前景。

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圖1 獵豹M6狙擊步槍,殺傷力非凡 口徑為.50BMG(12.7X107毫米) 

備注:使用鋼芯穿甲彈可在1000米內(nèi)對(duì)付裝甲厚度在20毫米以內(nèi)的輕型裝甲目標(biāo),使用爆炸燃燒彈可對(duì)1500米距離的雷達(dá),飛機(jī)等目標(biāo)較大的高價(jià)值目標(biāo)進(jìn)行破壞。采用氮氧化鋁防彈陶瓷替換防彈玻璃可以在更小厚度及更低重量時(shí)候,可靠地抵御狙擊槍或破壞物體對(duì)軍事或其他重要設(shè)備的破壞行為。   下文將對(duì)AION陶瓷的基本性能、制備工藝進(jìn)展和應(yīng)用等方面做一個(gè)簡(jiǎn)單的闡述。  


一、氮氧化鋁陶瓷的性能 

1、氮氧化鋁的基本特性 氮氧化鋁(γ-AlON,簡(jiǎn)稱AION)是一種透明多晶陶瓷,它是一種全新的多晶紅外材料,在可見光至中紅外具有高的光學(xué)透過性能。它最大的優(yōu)點(diǎn)是具有光學(xué)各向同性,且在中紅外波段具有良好的透光率(在波長(zhǎng)0.2~6.0μm范圍內(nèi)透光率80%以上),同時(shí)氮氧化鋁也具有良好的物理、機(jī)械和化學(xué)性質(zhì)。因而透明AION陶瓷是導(dǎo)彈整流罩、紅外窗口材料和防彈裝甲材料的優(yōu)選材料。 

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圖2 拋光的AlON板 

2、三種常用中紅外材料的性能對(duì)比 氮氧化鋁(AlON)、藍(lán)寶石(sapphire)和尖晶石(MgAl204)三種常用的中紅外材料的性能對(duì)比如表1所示。

表1常用的中紅外材料性能對(duì)比

材料 AlON 藍(lán)寶石 尖晶石 密度 (g/cm3) 3.7 3.98 3.59 彎曲強(qiáng)度 300 400 184 硬度 (GPa) 185 220 152 光學(xué)透過率 (3-5μm) 85% 85% 85% 介電常數(shù) 9.3 9.4 9.2 介電損耗 0.0022 0.0005 0.0027


3、氮化鋁材料的優(yōu)勢(shì)所在 AlON透明陶瓷的光學(xué)性能與藍(lán)寶石、尖晶石相當(dāng),抗彎強(qiáng)度接近藍(lán)寶石,明顯高于尖晶石。由藍(lán)寶石單晶制備的窗口材料的加工成本非常高,且難以獲得大尺寸的產(chǎn)品,而AlON陶瓷則可以通過先進(jìn)陶瓷制備方法實(shí)現(xiàn)大尺寸及復(fù)雜形狀的產(chǎn)品的制備。 

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圖3 大尺寸的氮氧化鋁透明陶瓷


二、AION陶瓷的制備工藝進(jìn)展 AION陶瓷制備方法可以分為一步法和兩步法兩種。一步法一般是將原料粉末混合后經(jīng)成型、燒結(jié)得到AION陶瓷。而兩步法制備高透光率AION陶瓷需經(jīng)粉體合成和陶瓷制備兩步。首先制備高純、單相的AION粉末,然后通過成型和燒結(jié)得到AION陶瓷。 兩步法制備透明AION陶瓷,制備工藝相對(duì)復(fù)雜,成本相對(duì)較高,但最大的優(yōu)點(diǎn)是制備的陶瓷致密度較高,是目前透明AION陶瓷研究和應(yīng)用的主要制備方法。 1、AION陶瓷粉體合成方法 目前,γ-AlON粉末及AlON陶瓷的合成方法主要有高溫固相反應(yīng)、氧化鋁還原氮化、高溫自蔓延、化學(xué)氣相沉積、溶膠-凝膠等方法,研究最多的是高溫固相反應(yīng)法、碳熱還原氮化法和直接氮化法, 其涉及的反應(yīng)式和合成溫度列于表2。 

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這些方法中高溫固相反應(yīng)、氧化鋁還原氮化兩種方法較為常用,下文將對(duì)這兩種方法做簡(jiǎn)單闡述。

 

   a、高溫固相反應(yīng)法

將一定配比的AlN、Al2O3粉混合,在高于1923.15K溫度及氮?dú)鈿夥毡Wo(hù)下.保溫一定時(shí)間制備AION粉末或陶瓷,其發(fā)生的反應(yīng)如下式所示:

Al2O3(s)+AlN→AlON(s)

 

有學(xué)者研究了Al2O3-AlN體系反應(yīng)參數(shù)對(duì)合成γ-AlON的影響,結(jié)果表明,超過1923.15K,γ-AlON相大量出現(xiàn),在大于2073.15K時(shí),完全轉(zhuǎn)變成γ-AlON。反應(yīng)過程中先形成富氧的AION。隨著溫度升高,富氧的AION與AlN反應(yīng)。形成富氮的AION。 

 

b、氧化鋁還原氮化法

氧化鋁還原氮化制備γ-AlON粉末及AION陶瓷的還原劑通常有C、Al、NH3和H2,而Al203碳熱還原氮化法制備AION粉末是一種最常用方法,其化學(xué)反應(yīng)如下式所示: 

Al203(s)+c(s)+N2→AlON(s)+CO

 

兩種工藝對(duì)比:高溫固相反應(yīng)法的最大優(yōu)點(diǎn)是原料容易獲得,工藝簡(jiǎn)單易行.適于規(guī)模生產(chǎn)。氧化鋁還原氮化法制備AION陶瓷的原料成本低,適合工業(yè)化生產(chǎn),制備工藝較復(fù)雜,但制備的陶瓷透光率較好。 

 

2、Al0N陶瓷的燒結(jié)工藝進(jìn)展

AION陶瓷主要有無壓燒結(jié)法、熱壓法以及最新出現(xiàn)的放電等離子燒結(jié)法、微波燒結(jié)法等。 

 

a、無壓燒結(jié)

無壓燒結(jié)是制備透明陶瓷的傳統(tǒng)方法.可以低成本大量生產(chǎn)各種尺寸和形狀的產(chǎn)品。是目前AION陶瓷研究最多的制備方法。 

 

舉例:上海硅酸鹽研究所的JIN等人以氧化鋁和尿素甲醛樹脂為原料。采用碳熱還原工藝和無壓燒結(jié),制備了平均透光率大于80%(1mm)的AION陶瓷。 

 

WANGl研究了Y203、La203共摻對(duì)無壓燒結(jié)制備AION透明陶瓷的影響,制備了透光率80.3%的AION透明陶瓷。

 

上海玻璃鋼研究院有限公司與上海大學(xué)開展合作研究。通過碳熱還原法合成AION粉體,經(jīng)1875℃x24h條件下無壓燒結(jié)制備了在1000~5000nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的直線透過率在80%左右。在3.93μm波長(zhǎng)處光學(xué)透過率最高可達(dá)83.7%的AION陶瓷。

 

b、熱壓燒結(jié) 熱壓燒結(jié)是指在燒結(jié)過程中施加一定的壓力。使材料致密化的燒結(jié)工藝,適合制備簡(jiǎn)單形狀的產(chǎn)品。 

 

舉例:田庭燕等人以碳熱還原法制得的氮氧化鋁粉體為原料。采用熱壓燒結(jié)法在1850~1950℃和15-25MPa條件下制備了3mm厚AION透明陶瓷樣品的紅外透過率達(dá)81.3%。 

 

c、微波燒結(jié) 微波燒結(jié)是一種較新的材料燒結(jié)工藝方法.可以實(shí)現(xiàn)材料整體加熱來實(shí)現(xiàn)陶瓷的燒結(jié)。

舉例:Cheng等人以高純Al2O3和AlN粉為原料,利用微波燒結(jié)在1800℃下保溫60min燒結(jié)得到了99.4%理論密度的AION透明陶瓷。其最高透光率達(dá)到60%(0.6mm厚)。 

 

d、放電等離子燒結(jié) 放電等離子燒結(jié)方法采用脈沖電流加熱,可以實(shí)現(xiàn)快速升溫和陶瓷短時(shí)間燒結(jié)。

舉例:Sahin等人報(bào)道了以Al2O3和AlN的混合粉為前驅(qū)體粉,通過在1650℃和40MPa下SPS燒結(jié)30min合成了AION陶瓷。

武漢理工大學(xué)的魏巍采用Al2O3和AlN按一定比例球磨混合,在1700℃下保溫一定時(shí)間。制備了最高透過為75.2%的透明AION陶瓷樣品。 

 

各種燒結(jié)工藝對(duì)比

熱壓燒結(jié)制備的陶瓷可獲得較高透光性,但是由于工藝特點(diǎn)的限制難以制備復(fù)雜形狀的樣品,而微波燒結(jié)和等離子體快速燒結(jié)難以制備高透光性的AION陶瓷。無壓燒結(jié)可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀和高透光性陶瓷的制備,是實(shí)現(xiàn)AION透明陶瓷應(yīng)用的重要制備方法。 

 

二、AlON透明陶瓷的應(yīng)用

氮氧化鋁(AlON)透明陶瓷具有強(qiáng)度高、硬度大、耐腐蝕、熱震性好等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)透波范圍大、直線透過率大,因此在國(guó)防軍事領(lǐng)域和商業(yè)領(lǐng)域中巨大的應(yīng)用前景。氮氧化鋁被美國(guó)軍方評(píng)為“21世紀(jì)最重要的國(guó)防材料之一”,AION透明陶瓷材料開發(fā)研究已成為透明陶瓷材料研究開發(fā)的熱點(diǎn)之一。

   氮氧化鋁透明陶瓷材料因造價(jià)昂貴,目前多用于軍事用途及一些高端商業(yè)領(lǐng)域中。下文為氮氧化鋁透明陶瓷的一些應(yīng)用領(lǐng)域介紹。 

 

1、紅外窗口

AlON透明陶瓷表現(xiàn)出優(yōu)異的光學(xué)性能和機(jī)械性能,綜合性能突出(見表1),其在紫外、可見光、和近紅外波段具有良好直線透過率(超過80%),此外還具有良好的光學(xué)和機(jī)械性能各向同性,為目前制備工藝成熟并被廣泛應(yīng)用的紅外透明材料。 

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圖4 透明陶瓷可用于紅外導(dǎo)引頭最前面的透明罩子,激光近炸引信的窗口

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圖5 紅外成像導(dǎo)彈頭及導(dǎo)彈引頭氮氧化鋁透明罩子

 

2、透明裝甲

AlON透明陶瓷最大潛在應(yīng)用市場(chǎng)是透明裝甲。AlON透明陶瓷可以用作裝甲車、直升飛機(jī)的防彈窗口。

   AlON透明裝甲比傳統(tǒng)的防彈玻璃薄、輕且更堅(jiān)固,不僅可以顯著降低裝甲整體的重量和裝甲厚度,還可以提高防彈特性;另外AlON透明陶瓷具有出色的耐磨性、抗劃傷性,風(fēng)沙、刮蹭等都不會(huì)影響它的透明度,與傳統(tǒng)防彈玻璃相比具有明顯優(yōu)勢(shì)。 

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圖6氮氧化鋁透明陶瓷可用作裝甲車窗口材料

 

3、發(fā)光介質(zhì)

 AlON陶瓷由于擁有寬的能帶間隙、低的光子能量以及高溫穩(wěn)定性,適合用作發(fā)光材料基質(zhì)。上轉(zhuǎn)換發(fā)光材料在許多領(lǐng)域得到應(yīng)用,如全固態(tài)緊湊型激光器件、上轉(zhuǎn)換熒光粉、三維立體顯示、光纖通訊技術(shù)、光信息存儲(chǔ)和顯示方面等。


   舉例:張芳等人發(fā)現(xiàn)AlON:Eu2+在350nm~410nm波段間有高吸收率和高量子效率,這和InGaN的發(fā)光很吻合。一些研究也已經(jīng)分別在AlON:Er3+、AlON:Yb3+、AlON:Tm3+等體系中發(fā)現(xiàn)了紅、綠、藍(lán)熒光粉。


4、防彈轎車 防彈車的重量遠(yuǎn)超一般汽車,但對(duì)于操控靈活性的要求,越來越多具備防彈性同時(shí)重量又輕的材料被應(yīng)用到防彈汽車的防護(hù)裝甲中來。氮氧化鋁可以以更薄厚度及更小重量來達(dá)到車輛防彈的要求。 

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圖9搭載氮氧化鋁可以使車身輕量化得以發(fā)展 厚度1.6英尺的氮氧化鋁的防彈能力可以優(yōu)于厚度3.7英寸的防彈玻璃


5、電子設(shè)備新型材

電子設(shè)備作為一種消費(fèi)品,其取材需得更新?lián)Q代才能吸引吃瓜群眾的注意,單單軍工專用的氮氧化鋁材料就是一大噱頭。摒棄其噱頭不說,氮氧化鋁透明陶瓷優(yōu)異機(jī)械性能及光學(xué)性能,也很適合用作智能電子設(shè)備的配件。例如,智能手表的表盤,手機(jī)觸摸屏等。如果智能穿戴設(shè)備搭載上了可以防爆的的氮氧化鋁,路邊的“專業(yè)換屏三十年”的師傅是不是要失業(yè)了呢。 

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圖11 未來智能設(shè)備再也不擔(dān)心爆屏


6、其他用途

AlON綜合性能優(yōu)異,還被廣泛用在很多其他領(lǐng)域。由于AlON擁有高硬度和耐久度的優(yōu)點(diǎn),它適合在超市和其他零售商店的POS掃描器中使用。 

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圖11 POS掃描器

因?yàn)榫哂型怀龅目够瘜W(xué)腐蝕特性,AlON還可以用于半導(dǎo)體生產(chǎn)設(shè)備,器件包括等離子體輸送管、晶片載體、工藝外殼等。AlON不僅是藍(lán)寶石的低成本替代品,也是抗腐蝕石英的替代品,雖然AlON的購(gòu)置成本可能比石英高,但由于它在腐蝕環(huán)境具有更長(zhǎng)的使用年限,因此平均成本相對(duì)更低。