A lON透明陶瓷研究進展

石堅波

（上海玻璃鋼研究院有限公司陶瓷研究室，上海201404）

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0.2～6.0μm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。

2 A lON陶瓷的制備工藝進展

AlON陶瓷制備方法可以分為一步法和兩步法兩種。一步法一般是將原料粉末混合后經成型、燒結得到AlON陶瓷。而兩步法制備高透光率AlON陶瓷需經粉體合成和陶瓷制備兩步。首先制備高純、單相的AlON粉末，然后通過成型和燒結得到AlON陶瓷。兩步法制備透明AlON陶瓷，制備工藝相對復雜，成本相對較高，但最大的優點是制備的陶瓷致密度較高，是目前透明AlON陶瓷研究和應用的主要制備方法。

2.1 粉體合成方法

AlON粉末及AlON陶瓷的合成方法主要有高溫固相反應、氧化鋁還原氮化兩種方法[4]。

2.1.1高溫固相反應法

高溫固相反應法一般是將一定配比的AlN、Al2O3粉混合，在高于1 650℃溫度及氮氣氣氛保護下，保溫一定時間制備AlON粉末或陶瓷，其反應式如式（1）所示：

Siddhartha Bandyopadhyay等[5]研究了Al2O3-AlN體系反應參數對合成γ-AlON的影響，結果表明，超過1 670℃，γ-AlON相大量出現，在大于1 800℃，完全轉變成γ-AlON。反應過程中先形成富氧的AlON，隨著溫度升高，富氧的AlON與AlN反應，形成富氮的AlON。

2.1.2氧化鋁還原氮化法

氧化鋁還原氮化制備γ-AlON粉末及AlON陶瓷的還原劑通常有 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：

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）。

圖1 AlON陶瓷樣品（1mm厚）

圖1 A lON陶瓷光學直線透過率曲線

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%（0.6mm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。

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