中国粉体网讯 自本世纪初以来，中国科学院上海硅酸盐研究所持续致力于AlON透明陶瓷的研究，近年来取得了系列原创性成果。近日，上海硅酸盐所王士维研究员带领的研究团队在 AlON透明陶瓷的粉体合成、微结构调控、致密化机理、光学窗口研制以及应用考核等方面取得系列进展。
AlON透明陶瓷头罩和安防装备部件
AlON同时具有优良的光学、力学及热物理性能，目前被广泛应用于透红外材料。AlON和单晶蓝宝石及多晶尖晶石被公认为可适用于3Ma以上导弹红外窗口的三种理想候选材料。相比较而言，单晶蓝宝石的光学、力学及热物理性能等综合性能最好，但成本最高。透明多晶尖晶石也具有优异的光学性能且成本也较低，但力学性能不理想。
而AlON与其它两种主要的耐高温透红外材料相比性能/价格比是最高的，因而它是高马赫数导弹的优选材料，此外，AlON透明陶瓷的最大潜在应用领域是透明装甲，其可以用作装甲车、直升飞机的防弹窗口。相比于传统的防弹玻璃，其具有轻薄且更坚固的优点，不仅可明显降低装甲整体的质量和厚度，还可提升其防弹性能。美国已将该材料列为21世纪国防重点发展材料。
制备出性能优良的原料粉末是制备氮氧化铝透明陶瓷的先决条件，相对普通陶瓷粉体其对工艺要求更为严格。氮氧化铝透明陶瓷粉末需要满足以下条件：（1）粉末纯度高、超细和易分散；（2）较好的烧结活性；（3）粉末颗粒均匀且呈球状。
王士维研究员团队发展了高纯度AlON粉体的两步合成技术，提出了流态化合成方法及装置，解决了碳热还原反应波动、产物组分偏差的关键问题，有力保障了透明陶瓷研究所需的高纯AlON粉体。基于此，团队合成了不同N/O比的AlON粉体，并研究了AlON陶瓷性能随组分的变化规律，获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图谱及(b)透明陶瓷样品
在AlON透明陶瓷微结构调控方面，团队研究了组合烧结助剂对致密化和透明化的作用及其机理，发现通过控制Y2O3添加量，能够在AlON晶粒内形成(111)孪晶界的插层结构，这种孪晶界能够阻止位错的迁移，进而改变裂纹扩展方向，提高了AlON透明陶瓷的力学性能【J. Euro. Ceram. Soc. 38 (2018) 3235】。在AlON透明陶瓷光学性能优化方面，团队发现AlON透明陶瓷特有的晶粒内双折射现象，证实了AlON透明陶瓷的致密化是以气相传输主导的烧结机制。基于上述发现，提出了气-固转变的热等静压致密化新机制【J. Euro. Ceram. Soc. 41 (2021) 4327】，研制的AlON透明陶瓷光学质量得到显著提升。
AlON的孪晶界、裂纹扩展及位错迁移
团队还开展了AlON透明陶瓷窗口和头罩样件的研制工作，解决了大尺寸透明陶瓷成型、烧结等关键技术问题，通过了有关抗弹性能和高温红外性能的初步验证试验，为后期应用奠定了基础。
信息来源:上海硅酸盐所
（中国粉体网编辑整理/山川）
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