AlON透明陶瓷研究進展

摘 要 透明氮氧化鋁（AlON）陶瓷具有優異的光學、力學、熱學綜合性能，在國防和商業眾多領域內具有廣闊的應用前景。本文對AlON陶瓷的性能、合成方法和制備工藝、應用等方面的研究進展進行了綜述，并對其未來的研究發展方向進行了展望。

關鍵詞 氮氧化鋁（AlON）；透明陶瓷；制備進展；

0 引 言

氮氧化鋁（γ-AlON，簡稱AlON）是一種透明多晶陶瓷，它是一種全新的多晶紅外材料，在可見光至中紅外具有高的光學透過性能[1]。它最大的優點是具有光學各向同性，且在中紅外波段具有良好的透光率（在波長0.2 ～6.0 μm范圍內透光率80%以上），且具有良好的物理、機械和化學性質，因而透明AlON陶瓷是導彈整流罩、紅外窗口材料和防彈裝甲材料的優選材料[2-3]。基于AlON陶瓷在軍事領域及商業領域中巨大的應用前景，AlON陶瓷材料開發研究已成為透明陶瓷材料研究開發的熱點之一，美國已將AlON多晶陶瓷列為二十一世紀重點發展的光功能透明材料之一。

1 AlON陶瓷的性能

AlON、藍寶石（sapphire）和尖晶石（MgAl2O4）三種常用的中紅外材料的性能對比如表1所示，可以看出，AlON陶瓷的光學性能與藍寶石、尖晶石、氧化釔相當（中紅外透光率>80%），而抗彎強度與藍寶石接近（300MPa），明顯高于尖晶石（190MPa）和氧化釔（160MPa）。由于藍寶石單晶窗口材料的制備成本非常高，且大尺寸很難制備，而AlON陶瓷則可以通過先進陶瓷制備方法實現大尺寸及復雜樣品的制備，并具有光學各向同性的優點，因此AlON陶瓷已成為高性能雙模天線罩和中紅外窗口的首選材料。

劑通常有C、Al、NH3和H2，而Al2O3碳熱還原氮化法制備AlON粉末是一種最常用方法，其化學反應式如式（2）所示：

Al2O3（s）+C（s）+N2→AlON（s）+CO （2）

Zheng J[6]和Maguire[7]選用合適的氧化鋁與碳的配比，通過兩步法升溫合成了純相AlON粉體。李亞偉等人[8]采用不同類型的鋁源和同一種炭黑進行碳熱還原反應，實驗表明其他不同鋁源的反應活性均比α-Al2O3高，原因是這些鋁源先轉化為反應活性較高的γ-Al2O3，與Zheng J.等人得出相同的結論。

高溫固相反應法的最大優點是原料容易獲得，工藝簡單易行，適于規模生產。氧化鋁還原氮化法制備AlON陶瓷的原料成本低，適合工業化生產，制備工藝較復雜，但制備的陶瓷透光率較好。

2.2 AlON陶瓷的制備工藝進展

AlON陶瓷主要有無壓燒結法、熱壓法以及最新出現的放電等離子燒結法、微波燒結法等。

2.2.1 無壓燒結

無壓燒結是制備透明陶瓷的傳統方法，可以低成本大量生產各種尺寸和形狀的產品，是目前AlON陶瓷研究最多的制備方法。美國Raytheon公司的Hartnett等人[9]首先在1 900～2 140 ℃無壓燒結24～48h后得到了理論密度為99%、在4μm波長處光學透過率達80%（1.45mm厚）的透明AlON陶瓷。上海硅酸鹽研究所的JIN[10]等人以氧化鋁和尿素甲醛樹脂為原料，采用碳熱還原工藝和無壓燒結，制備了平均透光率大于80%（1mm）的AlON陶瓷。WANG[11]研究了Y2O3、La2O3共摻對無壓燒結制備AlON透明陶瓷的影響，制備了透光率80.3%的AlON透明陶瓷。上海玻璃鋼研究院有限公司與上海大學開展合作研究[12]，通過碳熱還原法合成AlON粉體，經1 875 ℃×24h條件下無壓燒結制備了在1 000～5 000nm波長范圍內的直線透過率在80%左右，在3.93μm波長處光學透過率最高可達83.7%的AlON陶瓷（圖1）。

2.2.2 熱壓燒結

熱壓燒結是指在燒結過程中施加一定的壓力，使材料致密化的燒結工藝，適合制備簡單形狀的產品。Hartnett[13]、王習東[14]、田庭燕[15]等人利用熱壓燒結工藝，制備了AlON陶瓷。其中田庭燕等人以碳熱還原法制得的氮氧化鋁粉體為原料，采用熱壓燒結法在1 850～1 950℃和15～25MPa下制備了3mm 厚AlON透明陶瓷樣品的紅外透過率達81.3%。

2.2.3 微波燒結

微波燒結（Microwave Sintering）是一種材料燒結工藝的新方法，可以實現材料整體加熱來實現陶瓷的燒結。Cheng等人[16， 17]以高純A12O3和AlN粉為原料，利用微波燒結在1 800℃保溫60min燒結得到了99.4%理論密度的AlON透明陶瓷，其最高透光率達到60%（0.6 mm厚）。

2.2.4放電等離子燒結

放電等離子燒結方法（SPS， Spark Plasma Sintering）采用脈沖電流加熱，可以實現快速升溫和陶瓷短時間燒結。Sahin等人[18]報道了以Al2O3和AlN的混合粉為前驅體粉，通過在1 650 ℃和40MPa下SPS燒結30min合成了AlON陶瓷。武漢理工大學的魏巍[19]采用Al2O3和AlN按一定比例球磨混合，在1 700 ℃下保溫一定時間，制備了最高透過為75.2%的透明AlON陶瓷樣品。

綜上所述，可以看出，熱壓燒結制備的陶瓷可獲得較高透光性，但是由于工藝特點的限制難以制備復雜形狀的樣品，而微波燒結和等離子體快速燒結難以制備高透光性的AlON陶瓷。無壓燒結可實現復雜形狀和高透光性陶瓷的制備，是實現AlON透明陶瓷應用的重要制備方法。

3 AlON陶瓷的發展及我國急需取得的突破

美國Raytheon公司從20世紀70年代就開始透明AlON材料的研究，80年代初至90年代中期，通過對制粉、成型、燒結等工藝的不斷研究，取得了重大突破，其材料及罩體的制備工藝技術已經基本成熟。2002年Raytheon公司授權Surmet公司生產透明AlON陶瓷產品（牌號為ALON），用于國防和商業用途[20]。美國在透明AlON陶瓷材料的制備上現在已具有很高的水平。

國內從事AlON陶瓷研究的單位較少，起步也比較晚，研究仍然處于較低的水平，目前主要停留在實驗室階段，在進行推向實用化的嘗試。總體而言，與國外AlON陶瓷的研究和應用水平相比，我國尚存在較大的差距。國內急需解決低成本、高透光性能、大尺寸AlON陶瓷材料和紅外/毫米波天線罩頭罩的研發，滿足國防現代化建設和商業應用的需要。所以，我國急需在以下幾個方面開展AlON陶瓷制備的深入研究并取得突破，以實現AlON陶瓷的工業化制備。

（1）高純、超細、單相的γ-AlON粉體是制備具有良好透光性的AlON透明陶瓷的基礎，因此，需開發出高純、超細、單相的γ-AlON粉體的合成制備方法；

（2）研究AlON陶瓷合成的熱力學條件、燒結機理，為高性價比的透明AlON陶瓷的制備提供理論支持和指導；

（3）研究低成本、高性能的AlON粉體的制備工藝，降低透明AlON陶瓷燒結溫度，實現AlON陶瓷的低成本工業化制備技術。

參 考 文 獻

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