如何到達

氮氧化鋁(AlON)透明陶瓷具有強度高、硬度大、耐腐蝕、熱震性好等優點,同時透波範圍大、直線透過率大,因此在國防和民用衆多領域具有廣泛的應用前景,被美國軍方評為“21世紀最重要的國防材料之一”。



AlON、藍寶石(sapphire)和尖晶石(MgAl2O4)三種常用的中紅外材料的性能對比如表1所示,可以看出,AlON陶瓷的光學性能與藍寶石、尖晶石、氧化钇相當(中紅外透光率>80%),而抗彎強度與藍寶石接近(300MPa),明顯高于尖晶石(190MPa)和氧化钇(160MPa)。由于藍寶石單晶窗口材料的制備成本非常高,且大尺寸很難制備,而AlON陶瓷則可以通過先進陶瓷制備方法實現大尺寸及複雜樣品的制備,并具有光學各向同性的優點,因此AlON陶瓷已成為高性能雙模天線罩和中紅外窗口的首選材料。


表1常用的中紅外材料性能對比



由于受本身的強共價鍵結構和低自擴散系數影響,AlON在無外場輔助情況下通常需要在2000℃以上長時間燒結,否則很難使其達到完全緻密。目前,研究者主要從3個方面入手解決這一問題:①合成納米AlON粉體,提高燒結活性;②在無壓燒結的基礎上,借助摻雜燒結助劑,通過液相或半液相燒結促進氣孔排除,實現燒結體的緻密化;③在壓力輔助下進行燒結,如采用熱壓、熱等靜壓燒結技術。


粉體合成方法


AlON粉末及AlON陶瓷的合成方法主要有高溫固相反應、氧化鋁還原氮化兩種方法。


①高溫固相反應法


高溫固相反應法一般是将一定配比的AlN、Al2O3粉混合,在高于1650℃溫度及氮氣氣氛保護下,保溫一定時間制備AlON粉末或陶瓷,其反應式如式下所示:



高溫固相反應法的最大優點是原料容易獲得,工藝簡單易行,适于規模生産。


②氧化鋁還原氮化法


氧化鋁還原氮化制備γ-AlON粉末及AlON陶瓷的還原劑通常有C、Al、NH3和H2,而Al2O3碳熱還原氮化法制備AlON粉末是一種最常用方法,其化學反應式如式下所示:



氧化鋁還原氮化法制備AlON陶瓷的原料成本低,适合工業化生産,制備工藝較複雜,但制備的陶瓷透光率較好。


AlON陶瓷的制備工藝進展


AlON陶瓷主要有無壓燒結法、熱壓法以及最新出現的放電等離子燒結法、微波燒結法等。


①無壓燒結


無壓燒結是制備透明陶瓷的傳統方法,可以低成本大量生産各種尺寸和形狀的産品,是目前AlON陶瓷研究最多的制備方法。


②熱壓燒結


熱壓燒結是指在燒結過程中施加一定的壓力,使材料緻密化的燒結工藝,适合制備簡單形狀的産品。


③微波燒結


微波燒結(Microwave Sintering)是一種材料燒結工藝的新方法,可以實現材料整體加熱來實現陶瓷的燒結。


④放電等離子燒結


放電等離子燒結方法(SPS,Spark Plasma Sintering)采用脈沖電流加熱,可以實現快速升溫和陶瓷短時間燒結。


綜上所述,無壓燒結可實現複雜形狀和高透光性陶瓷的制備,是實現AlON透明陶瓷應用的重要制備方法。熱壓燒結制備的陶瓷可獲得較高透光性,但是由于工藝特點的限制難以制備複雜形狀的樣品,而微波燒結和等離子體快速燒結難以制備高透光性的AlON陶瓷。


AlON透明陶瓷具有優異的光學特性和機械性能,使其不僅在軍事領域有重要作用,而且在商業領域内也有廣闊的市場前景,這從根本上推動了AlON透明陶瓷的研究。但是我國目前的研究水平和市場開發與國外還有較大差距,未來在整個制備工藝的改進和提高上,特别是加大對複雜形狀制品的研制方面,還需要繼續探索,以形成成熟穩定的制備工藝。