氮氧化鋁：一種可以防彈的透明陶瓷
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防、航天等領(lǐng)域具有很廣闊的應(yīng)用前景。
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軍事或其他重要設(shè)備的破壞行為。 下文將對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。
圖2 拋光的AlON板
2、三種常用中紅外材料的性能對比 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比如表1所示。
表1常用的中紅外材料性能對比
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。
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，制備工藝相對復(fù)雜，成本相對較高，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。
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，下文將對這兩種方法做簡單闡述。
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波長范圍內(nèi)的直線透過率在80％左右。在3.93μm波長處光學(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。氮氧化鋁被美國軍方評為“21世紀(jì)最重要的國防材料之一”，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。
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
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。
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。
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。
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。
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的購置成本可能比石英高，但由于它在腐蝕環(huán)境具有更長的使用年限，因此平均成本相對更低。