AlON透明陶瓷研究进展
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AlON透明陶瓷研究进展
作者:石坚波
来源:《江苏陶瓷》2015年第02期
摘要透明氮氧化铝(AlON)陶瓷具有优异的光学、力学、热学综合性能,在国防和商业众多领域内具有广阔的应用前景。本文对AlON陶瓷的性能、合成方法和制备工艺、应用等方面的研究进展进行了综述,并对其未来的研究发展方向进行了展望。
关键词氮氧化铝(AlON);透明陶瓷;制备进展;
0 引言
氮氧化铝(γ-AlON,简称AlON)是一种透明多晶陶瓷,它是一种全新的多晶红外材料,在可见光至中红外具有高的光学透过性能[1]。它最大的优点是具有光学各向同性,且在中红外波段具有良好的透光率(在波长0.2 ~6.0 μm范围内透光率80%以上),且具有良好的物理、机械和化学性质,因而透明AlON陶瓷是导弹整流罩、红外窗口材料和防弹装甲材料的优选材料[2-3]。基于AlON陶瓷在军事领域及商业领域中巨大的应用前景,AlON陶瓷材料开发研究已成为透明陶瓷材料研究开发的热点之一,美国已将AlON多晶陶瓷列为二十一世纪重点发展的光功能透明材料之一。
1 AlON陶瓷的性能
AlON、蓝宝石(sapphire)和尖晶石(MgAl2O4)三种常用的中红外材料的性能对比如表1所示,可以看出,AlON陶瓷的光学性能与蓝宝石、尖晶石、氧化钇相当(中红外透光
率>80%),而抗弯强度与蓝宝石接近(300MPa),明显高于尖晶石(190MPa)和氧化钇(160MPa)。由于蓝宝石单晶窗口材料的制备成本非常高,且大尺寸很难制备,而AlON陶瓷则可以通过先进陶瓷制备方法实现大尺寸及复杂样品的制备,并具有光学各向同性的优点,因此AlON陶瓷已成为高性能双模天线罩和中红外窗口的首选材料。
剂通常有C、Al、NH3和H2,而Al2O3碳热还原氮化法制备AlON粉末是一种最常用方法,其化学反应式如式(2)所示:
Al2O3(s)+C(s)+N2→AlON(s)+CO (2)
Zheng J[6]和Maguire[7]选用合适的氧化铝与碳的配比,通过两步法升温合成了纯相AlON 粉体。李亚伟等人[8]采用不同类型的铝源和同一种炭黑进行碳热还原反应,实验表明其他不同铝源的反应活性均比α-Al2O3高,原因是这些铝源先转化为反应活性较高的γ-Al2O3,与Zheng J.等人得出相同的结论。
高温固相反应法的最大优点是原料容易获得,工艺简单易行,适于规模生产。氧化铝还原氮化法制备AlON陶瓷的原料成本低,适合工业化生产,制备工艺较复杂,但制备的陶瓷透光率较好。
2.2 AlON陶瓷的制备工艺进展
AlON陶瓷主要有无压烧结法、热压法以及最新出现的放电等离子烧结法、微波烧结法等。
2.2.1 无压烧结
无压烧结是制备透明陶瓷的传统方法,可以低成本大量生产各种尺寸和形状的产品,是目前AlON陶瓷研究最多的制备方法。美国Raytheon公司的Hartnett等人[9]首先在1 900~2 140 ℃无压烧结24~48h后得到了理论密度为99%、在4μm波长处光学透过率达80%
(1.45mm厚)的透明AlON陶瓷。上海硅酸盐研究所的JIN[10]等人以氧化铝和尿素甲醛树脂为原料,采用碳热还原工艺和无压烧结,制备了平均透光率大于80%(1mm)的AlON陶瓷。WANG[11]研究了Y2O3、La2O3共掺对无压烧结制备AlON透明陶瓷的影响,制备了透光率80.3%的AlON透明陶瓷。上海玻璃钢研究院有限公司与上海大学开展合作研究[12],通过碳热还原法合成AlON粉体,经1 875 ℃×24h条件下无压烧结制备了在1 000~5 000nm波长范围内的直线透过率在80%左右,在3.93μm波长处光学透过率最高可达83.7%的AlON陶瓷(图1)。
2.2.2 热压烧结
热压烧结是指在烧结过程中施加一定的压力,使材料致密化的烧结工艺,适合制备简单形状的产品。Hartnett[13]、王习东[14]、田庭燕[15]等人利用热压烧结工艺,制备了AlON陶瓷。其中田庭燕等人以碳热还原法制得的氮氧化铝粉体为原料,采用热压烧结法在1 850~1 950℃和15~25MPa下制备了3mm 厚AlON透明陶瓷样品的红外透过率达81.3%。
2.2.3 微波烧结
微波烧结(Microwave Sintering)是一种材料烧结工艺的新方法,可以实现材料整体加热来实现陶瓷的烧结。Cheng等人[16, 17]以高纯A12O3和AlN粉为原料,利用微波烧结在1 800℃保温60min烧结得到了99.4%理论密度的AlON透明陶瓷,其最高透光率达到60%(0.6 mm厚)。
2.2.4放电等离子烧结
放电等离子烧结方法(SPS, Spark Plasma Sintering)采用脉冲电流加热,可以实现快速升温和陶瓷短时间烧结。Sahin等人[18]报道了以Al2O3和AlN的混合粉为前驱体粉,通过在1 650 ℃和40MPa下SPS烧结30min合成了AlON陶瓷。武汉理工大学的魏巍[19]采用Al2O3
和AlN按一定比例球磨混合,在1 700 ℃下保温一定时间,制备了最高透过为75.2%的透明AlON陶瓷样品。
综上所述,可以看出,热压烧结制备的陶瓷可获得较高透光性,但是由于工艺特点的限制难以制备复杂形状的样品,而微波烧结和等离子体快速烧结难以制备高透光性的AlON陶瓷。无压烧结可实现复杂形状和高透光性陶瓷的制备,是实现AlON透明陶瓷应用的重要制备方法。
3 AlON陶瓷的发展及我国急需取得的突破
美国Raytheon公司从20世纪70年代就开始透明AlON材料的研究,80年代初至90年代中期,通过对制粉、成型、烧结等工艺的不断研究,取得了重大突破,其材料及罩体的制备工艺技术已经基本成熟。2002年Raytheon公司授权Surmet公司生产透明AlON陶瓷产品(牌号为ALON),用于国防和商业用途[20]。美国在透明AlON陶瓷材料的制备上现在已具有很高的水平。
国内从事AlON陶瓷研究的单位较少,起步也比较晚,研究仍然处于较低的水平,目前主要停留在实验室阶段,在进行推向实用化的尝试。总体而言,与国外AlON陶瓷的研究和应用水平相比,我国尚存在较大的差距。国内急需解决低成本、高透光性能、大尺寸AlON陶瓷材料和红外/毫米波天线罩头罩的研发,满足国防现代化建设和商业应用的需要。所以,我国急需在以下几个方面开展AlON陶瓷制备的深入研究并取得突破,以实现AlON陶瓷的工业化制备。
(1)高纯、超细、单相的γ-AlON粉体是制备具有良好透光性的AlON透明陶瓷的基础,因此,需开发出高纯、超细、单相的γ-AlON粉体的合成制备方法;
(2)研究AlON陶瓷合成的热力学条件、烧结机理,为高性价比的透明AlON陶瓷的制备提供理论支持和指导;
(3)研究低成本、高性能的AlON粉体的制备工艺,降低透明AlON陶瓷烧结温度,实现AlON陶瓷的低成本工业化制备技术。
参考文献
[1] Corbin N D. Aluminium Oxynitride Spinel: a Review. J. Eur. Ceram. Soc. 1989,(5):143-154.
[2] Hartnett T M. Optical properties of AlON[J]. Proc SPIE-Int Soc Opt Eng,1997,3060:284-289.