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.
[3] 孔凡茂,杨秋菊. 透明AlON陶瓷材料的研究现状及进展[J].硅酸盐通报,2007,26 (4): 784-788.
[4]云斯宁,蒋明学,李勇等. AlON陶瓷材料的结构、性质及应用[J]. 耐火材料, 2007,37(3): 173-176
[5]Siddhartha Bandyopadhyay. Rixecker, G; Aldinger, F, et al. Effect of reaction parameters on gamma-AlON formation from Al2O3 and AlN[J]. J Am Ceram Soc,2002,85(4): 1010-1012.
[6]Zheng J and Forslund B. Carbonthermal Synthesis of Aluminum Oxynitride (AlON)powder: Influence of Starting Materials and Synthesis Parameters. J. Eur. Ceram. Soc. 1995,15:1087-1100.
[7] Edward A. Maguire, Thomas M. Hartnett, Richard L. Gentilman. Method of Producing Aluminum Oxynitride Having Improved Optical Characteristics[P]. U S Patent. No.4,686,070 ,1987.
[8]LI Ya-wei, LI Nan and YUAN Run-zhang. The formation and stability of aluminum oxynitride spinel by carbonthermal reduction and reaction sintering processes[J]. J. Mater. Sci. 1997,32: 979-982.
[9] Hartnett T M, Gentilman R L, Maguire E A. Aluminum Oxynitride Having Improved Optical Characteristics and Method of Manufacture [P] . U S Patent: 4481300,1984.
[10]Jin XH, Gao L, Sun J, Liu YQ, Gui LH. Highly transparent AlON pressurelessly sintered from powder synthesized by a novel carbothermal nitridation method. J Am Ceram Soc 2012;95:2801-7.
[11]Wang Jun, Zhang Fang, Chen Feng etc. Effect of Y2O3 and La2O3 on the sinterability of γ–AlON transparent ceramics. J. Eur. Ceram. Soc. 2015,35: 23~28.
[12]雷景轩,施鹰,谢建军,石坚波,邬浩,赵中坚,胡伟. 碳源对AlON粉体合成及其透明陶瓷制备的影响[J]. 材料工程(已录用)。

[13]Hartnett, T M, and Wahl,J M. Method of making aluminium oxynitride and aluminium oxynitride prepared by the method[P]. Raytheon Company, 2002, WO 02/06156 A1.
[14]王习东,李文超.热压合成AlON陶瓷的研究[J].硅酸盐学报, Vol. 29, No. 1, 2001,pp. 31~34
[15]田庭燕,杜洪兵,姜华伟等. AlON 透明陶瓷的制备与性能[J]硅酸盐学报, 2010,38(8): 1455-1458.
[16] Cheng J, Agrawal D, Roy R. Microwave synthesis of aluminum oxynitride (AlON). J Mater Sci Lett 1999, 18: 1989-1990.
[17] Cheng JP, Agrawal D, Zhang Y, Roy R. Microwave reactive sintering to fully transparent aluminum oxynitride (AlON) ceramics. Journal of Materials Science Letters, 2001,20:77–79
[18] Sahin FC, Kanbur HE, Apak B. Preparation of AlON ceramics via reactive spark plasma sintering[J]. Journal of the European Ceramic Society, Vol. 32, No. 4, 2012, pp. 925-9
[19]魏巍,傅正义,王皓,王为民. 放电等离子烧结氮氧化铝透明陶瓷的研究[J]. 武汉理工大学学报, 2009,31(15):55-59.
[20] Warner C T, Hartnett T M, Fisher D, etc. Characterization of AlONTM Optical Ceramic. Proceedings of SPIE, 2005, 5786: 95–110.。

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