【原创】氮氧化铝,一种来自23世纪的材料?


来源:中国粉体网   山川

[导读]  氮氧化铝,一种理想的透明陶瓷材料!

中国粉体网讯


AlON的由来很有意思


1986年,美国曾上映了一部电影《星际旅行4:抢救未来》,电影中来自23世纪的人为运送2条鲸鱼,他们打算利用23世纪的技术知识制备出名为“透明铝”的东西,虽名为“透明铝”,但从剧情截图可以看出,该材料有氮原子、铝原子、及另外一种原子,从它的物质组成可判断出它和我们今天要讲到的AlON透明陶瓷非常相似。


巧合的是,现实中氮氧化铝也是在电影上映的十年前刚被制备出来(1976年,美国陆军材料与力学研究中心的Mccauley和Corbin等以γ-Al2O3和AlN为原料,在1950~2100℃范围内采用反应烧结的方法,制备出第1块半透明的AlON陶瓷。),以至于自电影诞生以后,人们就认为电影中的“透明铝”就是AlON透明陶瓷。



电影《星际旅行4:抢救未来》剧照




当然,在实际中氮氧化铝的出现肯定虽不像电影中那么“玄幻”,但也是非常有意思的。




AlON陶瓷性能及应用


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。


另外,在民用方面,AlON透明陶瓷目前主要应用于制备POS机的窗口材料,也可用于精密仪器仪表的壳体、高档手表、棱镜、各种防护目镜片、高温高压设备的观察窗口以及挡风玻璃等。


AlON粉末制备方法



1、固相反应法


固相反应法一般是直接将氧化铝和氮化铝粉体按一定比例混合,然后在高温及氮气气氛保护下烧结制成,固相反应法合成AlON粉末的影响因素包括反应温度和保温时间。这种方法虽然简单,但要求所用氮化铝粉体原料必须超细、高纯,明显增加了生产成本。




2、氧化铝还原氮化法


该方法制备AlON粉末的基本原料为氧化铝粉,还原剂通常采用氢气、碳、氨气和铝粉,主要包括碳热还原氮化法和铝热还原氮化法。其中,碳热还原氮化法最为常用,该法将原料氧化铝粉和还原剂碳粉按一定比例混合,在流动N2气氛保护下加热到一定的温度,来制备所需γ-AlON产物。这种方法的原料价格低,制得的粉体粒度均匀、颗粒细小,纯度高,适合于工业化生产。但原料氧化铝和碳的混合比例不易控制,碳含量过高时残留的碳会与γ-AlON发生还原反应;而碳含量不足时则无法得到高纯的γ-AlON相,从而大大增加了透明陶瓷烧结的难度。




3、自蔓延法


自蔓延高温合成又称为燃烧合成,其原理是基于不同反应物之间具有高的化学反应热特点,利用其自加热和自传导作用来反应合成材料。自蔓延法制备氧氮化铝是利用空气中的氮气快速氮化还原氧化铝的方法。它的优点是速度快、成本低,但AlON能否合成受空气浓度的影响较大,反应有时进行不完全,杂质含量较高。此外,该方法的工艺参数不易控制、重复性较差。



AlON陶瓷的制备


AlON陶瓷的制备方法有很多,主要分为一步法和两步法。一步法是指以Al2O3和AlN等粉末为原料,直接反应烧结成AlON陶瓷。


一步法的优点是:由于不需要经过AlON原料粉体制备和处理的过程,所以制备工艺较为简单。


缺点是:此法中的固相反应在制备过程中难以控制,Al2O3和AlN的局部成分不均匀会导致AlON晶粒在成型过程中形貌不均以及阻碍烧结体致密化等现象,从而使得AlON陶瓷的致密度低,光学性能差。


而两步法是指以Al2O3和AlN等粉末为原料,先合成出AlON粉末,再将其烧结成AlON陶瓷。


两步法的优点是:首先,采用合成的高纯AlON粉体与直接用Al2O3和AlN混合的粉体烧结相比,可以有效降低烧结温度和减少烧结时间,并有利于形成均匀的AlON晶粒,提高陶瓷的透过率;其次,还利于烧结助剂的均匀有效加入,降低烧结温度和减少烧结时间,进一步提高陶瓷的密度和光学性能。其缺点是工艺复杂,提高了AlON陶瓷的制备成本。


目前,制备AlON陶瓷的方法主要包括无压烧结、热压烧结、热等静压烧结、放电等离子烧结和微波烧结等。


国内发展方向


国内研究水平和市场开发与国外存在较大的差距,迫切需要在基础理论、制备方法和工艺等方面加强研究,特别是需要加大对大尺寸、复杂形状制品的研制,探索出成熟稳定的制备工艺,争取早日掌握产业化自主技术并实现大规模生产。未来的发展将集中于以下方面:


(1)AlON粉体是制备AlON陶瓷的基础。因此需要开发出制备超细、高纯、高烧结活性单相AlON粉体的高效、实用新方法。


(2)探索多元烧结助剂体系,优化烧结过程,并采用先进的烧结技术,实现陶瓷完全致密,提高透过率。


(3)在注重研究单相AlON的同时,应加强研究第二相(如BN、SiC等)对AlON的作用及AlON复合相组织及性能的影响。这些研究将会给AlON陶瓷带来新的应用前景。


参考来源:

[1]武琪等.耐高温透明AlON陶瓷的研究进展与展望

[2]陈小明等.AlON陶瓷的研究现状与发展趋势

[3]陈凤.AlON透明陶瓷的研究进展


(中国粉体网编辑整理/山川)

注:图片非商业用途,存在侵权告知删除

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作者:山川

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