中國粉體網(wǎng)訊 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，因此在國防和民用眾多領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景,，被美國軍方評(píng)為“21世紀(jì)最重要的國防材料之一”,。
與玻璃不同，AlON的主要原材料并不是二氧化硅,，也不是高分子化合物,，而是鋁、氧和氮,，它的制作方法有多種,，將氮氧化鋁粉末在高溫下燒制，最后再拋光打磨就可以得到透明的AlON了,，它的硬度是石英玻璃的四倍,，可以承受2150℃的高溫，比防彈玻璃還要強(qiáng)大,。在電影《侏羅紀(jì)世界》中,，出現(xiàn)的球形游覽車就是用AlON制造的。
影片《侏羅紀(jì)世界》中的球形游覽車外殼就是ALON材料
AlON陶瓷的性能及應(yīng)用
1,、AlON陶瓷透明的原因
很多人疑問,，為什么普通陶瓷都有顏色，而AlON卻能做到渾身透明,？首先,，物體之所以看起來透明，是因?yàn)楣饩�能夠穿透它,，且不會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的反射和散射,。對(duì)于普通陶瓷來說，它的內(nèi)部有很多的微氣孔,，這會(huì)使光線反射和折射到四面八方,，陶瓷內(nèi)部的雜質(zhì)也會(huì)散射光線,，降低它的透光性。普通陶瓷的構(gòu)成不是單相,，而是多相組成結(jié)構(gòu),，也就是說,，光線會(huì)在不同的晶相界面上發(fā)生散射,；同時(shí)，它的晶體結(jié)構(gòu)為“各向異性”,，這使光線從一個(gè)晶粒向鄰近的晶粒入射時(shí),，發(fā)生雙射現(xiàn)象，進(jìn)而產(chǎn)生散射,，造成不透光性,。最后陶瓷的表面也不夠光滑，這同樣會(huì)散射光線,。
而AlON作為一種新型材料,，它的組成結(jié)構(gòu)為單向，且晶體結(jié)構(gòu)是“各向同性”的立方晶系,�,？梢岳斫鉃椋牧蟽�(nèi)部的晶粒排列整齊,，再加上表面經(jīng)過機(jī)械拋光,，自然就不會(huì)散射了。
拋光的AlON板
2,、AlON陶瓷的硬度
在實(shí)驗(yàn)中,，將一顆25克的黃崗巖扔在1.27㎝的普通硼硅酸鹽玻璃上，玻璃會(huì)瞬間破碎,；而將它扔到一塊AlON上,，透明陶瓷會(huì)毫發(fā)無傷，反倒是石頭粉身碎骨了,，這實(shí)驗(yàn)結(jié)果有點(diǎn)“雞蛋碰石頭”的感覺,。那么拿AlON與防彈玻璃的對(duì)決會(huì)是一個(gè)什么局面？
我們可以把防彈玻璃想象成一個(gè)“漢堡”,，即在兩層玻璃中間夾了一層“PVB樹脂”,，它擁有極強(qiáng)的柔韌性和粘性，所以,，當(dāng)子彈射中玻璃后,，中間的夾層會(huì)將玻璃碎片粘合在一起，并將子彈的大部分動(dòng)能轉(zhuǎn)化為熱能,，而夾的PVB層數(shù)越多,，防彈玻璃的抗擊能力就越強(qiáng),。實(shí)驗(yàn)中，AlON防彈鎧甲和防彈玻璃使用了同樣的夾層,，但是二者的厚度明顯不同,，因相同口徑的北約彈進(jìn)行射擊，結(jié)果顯示,，子彈可以輕松穿過9.4厘米厚的防彈玻璃,，而4厘米的AlON防彈鎧甲卻抵擋了子彈的襲擊。顯而易見,，AlON硬度趕超防彈玻璃,。
AlON陶瓷綜合性能優(yōu)異，具備許多其他陶瓷材料不可比擬的優(yōu)良性質(zhì),。其在紫外,、可見光和近紅外波段均具有良好的直線透過率，是目前應(yīng)用較為廣泛的紅外透明材料,，也是紅外窗口的優(yōu)選材料,。
另外，AlON陶瓷的最大潛在應(yīng)用領(lǐng)域是透明裝甲,，其可以用作裝甲車,、直升飛機(jī)的防彈窗口；AlON陶瓷由于具有寬的能帶間隙,、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)，可用于如激光器件,、光纖通訊技術(shù),、光信息存儲(chǔ)等方面。除去軍事領(lǐng)域,，其因具有高硬度和耐久性的優(yōu)點(diǎn),，以及突出的抗化學(xué)腐蝕特性，可用于制備POS機(jī)窗口材料,，也可用于精密儀器儀表的殼體,、高端手表、棱鏡,、各種防護(hù)目鏡片,、高溫高壓設(shè)備的觀察窗口以及擋風(fēng)玻璃等。
AlON陶瓷的制備工藝
目前AlON陶瓷的制備方法主要?jiǎng)澐譃閮深悾悍磻?yīng)燒結(jié)和兩步制備法,。
1,、反應(yīng)燒結(jié)法
反應(yīng)燒結(jié)一步制備法，即以商業(yè)化的高純Al2O3和AlN為原料，按照一定的比例混合均勻,，加入適量的燒結(jié)助劑,，球磨、烘干的粉體直接用來固相燒結(jié)合成AlON陶瓷,。反應(yīng)燒結(jié)一步制備法工藝步驟簡單,，能夠避免原料粉體制備的繁雜，成本相對(duì)較低,。
2,、兩步燒結(jié)法
兩步燒結(jié)制備法最關(guān)鍵的是合成γ-Al2O3高純粉體，目前主流的粉體合成方法主要有以下幾種：
（1）碳熱還原氮化法
該法將原料氧化鋁粉和還原劑碳粉按一定比例混合,，在流動(dòng)N2氣氛保護(hù)下加熱到一定溫度,，來制備所需γ-AlON產(chǎn)物。這種方法成本低,，制備的粉體活性高，適合大規(guī)模生產(chǎn)AlON陶瓷,，但工藝較為復(fù)雜,，合成的粉體會(huì)有波動(dòng)，也不適合制備大尺寸AlON陶瓷,。
（2）高溫固相反應(yīng)法
該方法要在溫度高于1650℃時(shí)利用混合均勻的Al2O3和AlN粉的化學(xué)反應(yīng)生成AlON粉,，其中高溫?zé)Y(jié)時(shí)要不斷的通入氮?dú)狻８邷毓滔喾磻?yīng)法制備AlON粉體流程簡單,，而且可以避免長時(shí)間燒結(jié)帶來粉體顆�,；约皥F(tuán)聚等問題，但缺點(diǎn)是需要采用高純,、超細(xì)的AlN原料粉體來確保較高的反應(yīng)活性,，生產(chǎn)成本高。
AlON陶瓷的展望
可能又有人要問AlON陶瓷如此的優(yōu)秀,，為什么幾乎沒有應(yīng)用,？其實(shí)，早在2005年,，美國軍方就想將其安裝在悍馬汽車上,，奈何AlON的價(jià)格太過昂貴。當(dāng)時(shí),，每平方英寸的防彈玻璃價(jià)格約為3.25美金,，而AlON的價(jià)格在10到15美金，直到2009年美國Surmet公司獲得相關(guān)專利,，才在2013年與美國國防部合作時(shí)供應(yīng)了一款A(yù)lON陶瓷玻璃窗,，同樣礙于價(jià)格因素，AlON也遲遲沒有進(jìn)入民用領(lǐng)域,，2018年曾有消息稱：蔡司要推出首款A(yù)lON制造的鏡頭,，不過至今也沒有后續(xù),。
近半個(gè)世紀(jì)來，對(duì)氮氧化鋁組成,、晶體結(jié)構(gòu),、相關(guān)系及其性能方面進(jìn)行大量的研究，使得人們對(duì)這種材料有了系統(tǒng)的認(rèn)識(shí),。國內(nèi)研究水平和市場開發(fā)與國外存在較大的差距,，迫切需要在基礎(chǔ)理論、制備方法和工藝等方面加強(qiáng)研究,，特別是需要加大對(duì)大尺寸,、復(fù)雜形狀制品的研制，探索出成熟穩(wěn)定的制備工藝,，爭取早日掌握產(chǎn)業(yè)化自主技術(shù)并實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn),。
參考來源：
陳小明等人：AlON陶瓷的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)
朱克武等人：AlON陶瓷材料的研究進(jìn)展
云斯寧等人：AlON陶瓷材料的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)及應(yīng)用
李建民：AlON透明陶瓷的光學(xué)性能優(yōu)化研究
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/空青）
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