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AlON的由來很有意思
1986年，美國(guó)曾上映了一部電影《星際旅行4：搶救未來》，電影中來自23世紀(jì)的人為運(yùn)送2條鯨魚，他們打算利用23世紀(jì)的技術(shù)知識(shí)制備出名為“透明鋁”的東西，雖名為“透明鋁”，但從劇情截圖可以看出，該材料有氮原子、鋁原子、及另外一種原子，從它的物質(zhì)組成可判斷出它和我們今天要講到的AlON透明陶瓷非常相似。
巧合的是，現(xiàn)實(shí)中氮氧化鋁也是在電影上映的十年前剛被制備出來（1976年，美國(guó)陸軍材料與力學(xué)研究中心的Mccauley和Corbin等以γ－Al2O3和AlN為原料，在1950～2100℃范圍內(nèi)采用反應(yīng)燒結(jié)的方法，制備出第1塊半透明的AlON陶瓷。），以至于自電影誕生以后，人們就認(rèn)為電影中的“透明鋁”就是AlON透明陶瓷。
電影《星際旅行4：搶救未來》劇照
當(dāng)然，在實(shí)際中氮氧化鋁的出現(xiàn)肯定雖不像電影中那么“玄幻”，但也是非常有意思的。
AlON陶瓷性能及應(yīng)用
AlON同時(shí)具有優(yōu)良的光學(xué)、力學(xué)及熱物理性能，目前被廣泛應(yīng)用于透紅外材料。AlON和單晶藍(lán)寶石及多晶尖晶石被公認(rèn)為可適用于3Ma以上導(dǎo)彈紅外窗口的三種理想候選材料。相比較而言，單晶藍(lán)寶石的光學(xué)、力學(xué)及熱物理性能等綜合性能最好，但成本最高。
透明多晶尖晶石也具有優(yōu)異的光學(xué)性能且成本也較低，但力學(xué)性能不理想；而AlON與其它兩種主要的耐高溫透紅外材料相比性能/價(jià)格比是最高的，因而它是高馬赫數(shù)導(dǎo)彈的優(yōu)選材料，此外，AlON透明陶瓷的最大潛在應(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。相比于傳統(tǒng)的防彈玻璃，其具有輕薄且更堅(jiān)固的優(yōu)點(diǎn)，不僅可明顯降低裝甲整體的質(zhì)量和厚度，還可提升其防彈性能。美國(guó)已將該材料列為21世紀(jì)國(guó)防重點(diǎn)發(fā)展材料。
另外，在民用方面，AlON透明陶瓷目前主要應(yīng)用于制備POS機(jī)的窗口材料，也可用于精密儀器儀表的殼體、高檔手表、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粉末制備方法
1、固相反應(yīng)法
固相反應(yīng)法一般是直接將氧化鋁和氮化鋁粉體按一定比例混合，然后在高溫及氮?dú)鈿夥毡Ｗo(hù)下燒結(jié)制成，固相反應(yīng)法合成AlON粉末的影響因素包括反應(yīng)溫度和保溫時(shí)間。這種方法雖然簡(jiǎn)單，但要求所用氮化鋁粉體原料必須超細(xì)、高純，明顯增加了生產(chǎn)成本。
2、氧化鋁還原氮化法
該方法制備AlON粉末的基本原料為氧化鋁粉，還原劑通常采用氫氣、碳、氨氣和鋁粉，主要包括碳熱還原氮化法和鋁熱還原氮化法。其中，碳熱還原氮化法最為常用，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)下加熱到一定的溫度，來制備所需γ-AlON產(chǎn)物。這種方法的原料價(jià)格低，制得的粉體粒度均勻、顆粒細(xì)小，純度高，適合于工業(yè)化生產(chǎn)。但原料氧化鋁和碳的混合比例不易控制，碳含量過高時(shí)殘留的碳會(huì)與γ-AlON發(fā)生還原反應(yīng)；而碳含量不足時(shí)則無法得到高純的γ-AlON相，從而大大增加了透明陶瓷燒結(jié)的難度。
3、自蔓延法
自蔓延高溫合成又稱為燃燒合成，其原理是基于不同反應(yīng)物之間具有高的化學(xué)反應(yīng)熱特點(diǎn)，利用其自加熱和自傳導(dǎo)作用來反應(yīng)合成材料。自蔓延法制備氧氮化鋁是利用空氣中的氮?dú)饪焖俚�原氧化鋁的方法。它的優(yōu)點(diǎn)是速度快、成本低，但AlON能否合成受空氣濃度的影響較大，反應(yīng)有時(shí)進(jìn)行不完全，雜質(zhì)含量較高。此外，該方法的工藝參數(shù)不易控制、重復(fù)性較差。
AlON陶瓷的制備
AlON陶瓷的制備方法有很多，主要分為一步法和兩步法。一步法是指以Al2O3和AlN等粉末為原料，直接反應(yīng)燒結(jié)成AlON陶瓷。
一步法的優(yōu)點(diǎn)是：由于不需要經(jīng)過AlON原料粉體制備和處理的過程，所以制備工藝較為簡(jiǎn)單。
缺點(diǎn)是：此法中的固相反應(yīng)在制備過程中難以控制，Al2O3和AlN的局部成分不均勻會(huì)導(dǎo)致AlON晶粒在成型過程中形貌不均以及阻礙燒結(jié)體致密化等現(xiàn)象，從而使得AlON陶瓷的致密度低，光學(xué)性能差。
而兩步法是指以Al2O3和AlN等粉末為原料，先合成出AlON粉末，再將其燒結(jié)成AlON陶瓷。
兩步法的優(yōu)點(diǎn)是：首先，采用合成的高純AlON粉體與直接用Al2O3和AlN混合的粉體燒結(jié)相比，可以有效降低燒結(jié)溫度和減少燒結(jié)時(shí)間，并有利于形成均勻的AlON晶粒，提高陶瓷的透過率；其次，還利于燒結(jié)助劑的均勻有效加入，降低燒結(jié)溫度和減少燒結(jié)時(shí)間，進(jìn)一步提高陶瓷的密度和光學(xué)性能。其缺點(diǎn)是工藝復(fù)雜，提高了AlON陶瓷的制備成本。
目前，制備AlON陶瓷的方法主要包括無壓燒結(jié)、熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)、放電等離子燒結(jié)和微波燒結(jié)等。
國(guó)內(nèi)發(fā)展方向
國(guó)內(nèi)研究水平和市場(chǎng)開發(fā)與國(guó)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(zhēng)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)。未來的發(fā)展將集中于以下方面：
（1）AlON粉體是制備AlON陶瓷的基礎(chǔ)。因此需要開發(fā)出制備超細(xì)、高純、高燒結(jié)活性單相AlON粉體的高效、實(shí)用新方法。
（2）探索多元燒結(jié)助劑體系，優(yōu)化燒結(jié)過程，并采用先進(jìn)的燒結(jié)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)陶瓷完全致密，提高透過率。
（3）在注重研究單相AlON的同時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)研究第二相(如BN、SiC等)對(duì)AlON的作用及AlON復(fù)合相組織及性能的影響。這些研究將會(huì)給AlON陶瓷帶來新的應(yīng)用前景。
參考來源：
[1]武琪等.耐高溫透明AlON陶瓷的研究進(jìn)展與展望
[2]陳小明等.AlON陶瓷的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)
[3]陳鳳.AlON透明陶瓷的研究進(jìn)展
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
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