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)出了一種能達到類似強度的透明鋁基材料。這貨就叫氮氧化鋁（AlON），其硬度是石英玻璃的4倍，是藍寶石的85%；厚度約4cm的AlON足以阻擋點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，使用爆炸燃燒彈可對1500米距離的雷達，飛機等目標較大的高價值目標進行破壞。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、制備工藝進展和應(yīng)用等方面做一個簡單的闡述。
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)，同時氮氧化鋁也具有良好的物理、機械和化學(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 藍寶石 尖晶石 密度 (g/cm3) 3.7 3.98 3.59 彎曲強度 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)性能與藍寶石、尖晶石相當，抗彎強度接近藍寶石，明顯高于尖晶石。由藍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陶瓷制備方法實現(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溫度及氮氣氣氛保護下．保溫一定時間制備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，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．可以實現(xiàn)材料整體加熱來實現(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，可以實現(xiàn)快速升溫和陶瓷短時間燒結(jié)。
舉例：Sahin等人報道了以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)可實現(xiàn)復(fù)雜形狀和高透光性陶瓷的制備，是實現(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)透明陶瓷具有強度高、硬度大、耐腐蝕、熱震性好等優(yōu)點，同時透波范圍大、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)的熱點之一。
氮氧化鋁透明陶瓷材料因造價昂貴，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、直升飛機的防彈窗口。
AlON透明裝甲比傳統(tǒng)的防彈玻璃薄、輕且更堅固，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，風沙、刮蹭等都不會影響它的透明度，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、藍熒光粉。
4、防彈轎車 防彈車的重量遠超一般汽車，但對于操控靈活性的要求，越來越多具備防彈性同時重量又輕的材料被應(yīng)用到防彈汽車的防護裝甲中來。氮氧化鋁可以以更薄厚度及更小重量來達到車輛防彈的要求。
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，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
因為具有突出的抗化學(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。