中國粉體網訊 自本世紀初以來，中國科學院上海硅酸鹽研究所持續致力于AlON透明陶瓷的研究，近年來取得了系列原創性成果。近日，上海硅酸鹽所王士維研究員帶領的研究團隊在 AlON透明陶瓷的粉體合成、微結構調控、致密化機理、光學窗口研制以及應用考核等方面取得系列進展。
AlON透明陶瓷頭罩和安防裝備部件
AlON同時具有優良的光學、力學及熱物理性能，目前被廣泛應用于透紅外材料。AlON和單晶藍寶石及多晶尖晶石被公認為可適用于3Ma以上導彈紅外窗口的三種理想候選材料。相比較而言，單晶藍寶石的光學、力學及熱物理性能等綜合性能最好，但成本最高。透明多晶尖晶石也具有優異的光學性能且成本也較低，但力學性能不理想。
而AlON與其它兩種主要的耐高溫透紅外材料相比性能/價格比是最高的，因而它是高馬赫數導彈的優選材料，此外，AlON透明陶瓷的最大潛在應用領域是透明裝甲，其可以用作裝甲車、直升飛機的防彈窗口。相比于傳統的防彈玻璃，其具有輕薄且更堅固的優點，不僅可明顯降低裝甲整體的質量和厚度，還可提升其防彈性能。美國已將該材料列為21世紀國防重點發展材料。
制備出性能優良的原料粉末是制備氮氧化鋁透明陶瓷的先決條件，相對普通陶瓷粉體其對工藝要求更為嚴格。氮氧化鋁透明陶瓷粉末需要滿足以下條件：（1）粉末純度高、超細和易分散；（2）較好的燒結活性；（3）粉末顆粒均勻且呈球狀。
王士維研究員團隊發展了高純度AlON粉體的兩步合成技術，提出了流態化合成方法及裝置，解決了碳熱還原反應波動、產物組分偏差的關鍵問題，有力保障了透明陶瓷研究所需的高純AlON粉體。基于此，團隊合成了不同N/O比的AlON粉體，并研究了AlON陶瓷性能隨組分的變化規律，獲得不同特性的系列化AlON透明陶瓷【Ceram. Int. 46 (2020) 16677】。
不同N/O比AlON的(a)XRD圖譜及(b)透明陶瓷樣品
在AlON透明陶瓷微結構調控方面，團隊研究了組合燒結助劑對致密化和透明化的作用及其機理，發現通過控制Y2O3添加量，能夠在AlON晶粒內形成(111)孿晶界的插層結構，這種孿晶界能夠阻止位錯的遷移，進而改變裂紋擴展方向，提高了AlON透明陶瓷的力學性能【J. Euro. Ceram. Soc. 38 (2018) 3235】。在AlON透明陶瓷光學性能優化方面，團隊發現AlON透明陶瓷特有的晶粒內雙折射現象，證實了AlON透明陶瓷的致密化是以氣相傳輸主導的燒結機制。基于上述發現，提出了氣-固轉變的熱等靜壓致密化新機制【J. Euro. Ceram. Soc. 41 (2021) 4327】，研制的AlON透明陶瓷光學質量得到顯著提升。
AlON的孿晶界、裂紋擴展及位錯遷移
團隊還開展了AlON透明陶瓷窗口和頭罩樣件的研制工作，解決了大尺寸透明陶瓷成型、燒結等關鍵技術問題，通過了有關抗彈性能和高溫紅外性能的初步驗證試驗，為后期應用奠定了基礎。
信息來源:上海硅酸鹽所
（中國粉體網編輯整理/山川）
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