中國粉體網訊 氮氧化鋁(AlON)透明陶瓷具有強度高、硬度大、耐腐蝕、熱震性好等優點，同時透波范圍大、直線透過率大，因此在國防和民用眾多領域具有廣泛的應用前景，被美國軍方評為“21世紀最重要的國防材料之一”。
與玻璃不同，AlON的主要原材料并不是二氧化硅，也不是高分子化合物，而是鋁、氧和氮，它的制作方法有多種，將氮氧化鋁粉末在高溫下燒制，最后再拋光打磨就可以得到透明的AlON了，它的硬度是石英玻璃的四倍，可以承受2150℃的高溫，比防彈玻璃還要強大。在電影《侏羅紀世界》中，出現的球形游覽車就是用AlON制造的。
影片《侏羅紀世界》中的球形游覽車外殼就是ALON材料
AlON陶瓷的性能及應用
1、AlON陶瓷透明的原因
很多人疑問，為什么普通陶瓷都有顏色，而AlON卻能做到渾身透明？首先，物體之所以看起來透明，是因為光線能夠穿透它，且不會發生強烈的反射和散射。對于普通陶瓷來說，它的內部有很多的微氣孔，這會使光線反射和折射到四面八方，陶瓷內部的雜質也會散射光線，降低它的透光性。普通陶瓷的構成不是單相，而是多相組成結構，也就是說，光線會在不同的晶相界面上發生散射；同時，它的晶體結構為“各向異性”，這使光線從一個晶粒向鄰近的晶粒入射時，發生雙射現象，進而產生散射，造成不透光性。最后陶瓷的表面也不夠光滑，這同樣會散射光線。
而AlON作為一種新型材料，它的組成結構為單向，且晶體結構是“各向同性”的立方晶系。可以理解為，材料內部的晶粒排列整齊，再加上表面經過機械拋光，自然就不會散射了。
拋光的AlON板
2、AlON陶瓷的硬度
在實驗中，將一顆25克的黃崗巖扔在1.27㎝的普通硼硅酸鹽玻璃上，玻璃會瞬間破碎；而將它扔到一塊AlON上，透明陶瓷會毫發無傷，反倒是石頭粉身碎骨了，這實驗結果有點“雞蛋碰石頭”的感覺。那么拿AlON與防彈玻璃的對決會是一個什么局面？
我們可以把防彈玻璃想象成一個“漢堡”，即在兩層玻璃中間夾了一層“PVB樹脂”，它擁有極強的柔韌性和粘性，所以，當子彈射中玻璃后，中間的夾層會將玻璃碎片粘合在一起，并將子彈的大部分動能轉化為熱能，而夾的PVB層數越多，防彈玻璃的抗擊能力就越強。實驗中，AlON防彈鎧甲和防彈玻璃使用了同樣的夾層，但是二者的厚度明顯不同，因相同口徑的北約彈進行射擊，結果顯示，子彈可以輕松穿過9.4厘米厚的防彈玻璃，而4厘米的AlON防彈鎧甲卻抵擋了子彈的襲擊。顯而易見，AlON硬度趕超防彈玻璃。
AlON陶瓷綜合性能優異，具備許多其他陶瓷材料不可比擬的優良性質。其在紫外、可見光和近紅外波段均具有良好的直線透過率，是目前應用較為廣泛的紅外透明材料，也是紅外窗口的優選材料。
另外，AlON陶瓷的最大潛在應用領域是透明裝甲，其可以用作裝甲車、直升飛機的防彈窗口；AlON陶瓷由于具有寬的能帶間隙、低的光子能量以及高溫穩定性，適合用作發光材料基質，可用于如激光器件、光纖通訊技術、光信息存儲等方面。除去軍事領域，其因具有高硬度和耐久性的優點，以及突出的抗化學腐蝕特性，可用于制備POS機窗口材料，也可用于精密儀器儀表的殼體、高端手表、棱鏡、各種防護目鏡片、高溫高壓設備的觀察窗口以及擋風玻璃等。
AlON陶瓷的制備工藝
目前AlON陶瓷的制備方法主要劃分為兩類：反應燒結和兩步制備法。
1、反應燒結法
反應燒結一步制備法，即以商業化的高純Al2O3和AlN為原料，按照一定的比例混合均勻，加入適量的燒結助劑，球磨、烘干的粉體直接用來固相燒結合成AlON陶瓷。反應燒結一步制備法工藝步驟簡單，能夠避免原料粉體制備的繁雜，成本相對較低。
2、兩步燒結法
兩步燒結制備法最關鍵的是合成γ-Al2O3高純粉體，目前主流的粉體合成方法主要有以下幾種：
（1）碳熱還原氮化法
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N2氣氛保護下加熱到一定溫度，來制備所需γ-AlON產物。這種方法成本低，制備的粉體活性高，適合大規模生產AlON陶瓷，但工藝較為復雜，合成的粉體會有波動，也不適合制備大尺寸AlON陶瓷。
（2）高溫固相反應法
該方法要在溫度高于1650℃時利用混合均勻的Al2O3和AlN粉的化學反應生成AlON粉，其中高溫燒結時要不斷的通入氮氣。高溫固相反應法制備AlON粉體流程簡單，而且可以避免長時間燒結帶來粉體顆粒化以及團聚等問題，但缺點是需要采用高純、超細的AlN原料粉體來確保較高的反應活性，生產成本高。
AlON陶瓷的展望
可能又有人要問AlON陶瓷如此的優秀，為什么幾乎沒有應用？其實，早在2005年，美國軍方就想將其安裝在悍馬汽車上，奈何AlON的價格太過昂貴。當時，每平方英寸的防彈玻璃價格約為3.25美金，而AlON的價格在10到15美金，直到2009年美國Surmet公司獲得相關專利，才在2013年與美國國防部合作時供應了一款AlON陶瓷玻璃窗，同樣礙于價格因素，AlON也遲遲沒有進入民用領域，2018年曾有消息稱：蔡司要推出首款AlON制造的鏡頭，不過至今也沒有后續。
近半個世紀來，對氮氧化鋁組成、晶體結構、相關系及其性能方面進行大量的研究，使得人們對這種材料有了系統的認識。國內研究水平和市場開發與國外存在較大的差距，迫切需要在基礎理論、制備方法和工藝等方面加強研究，特別是需要加大對大尺寸、復雜形狀制品的研制，探索出成熟穩定的制備工藝，爭取早日掌握產業化自主技術并實現大規模生產。
參考來源：
陳小明等人：AlON陶瓷的研究現狀與發展趨勢
朱克武等人：AlON陶瓷材料的研究進展
云斯寧等人：AlON陶瓷材料的結構、性質及應用
李建民：AlON透明陶瓷的光學性能優化研究
（中國粉體網編輯整理/空青）
注：圖片非商業用途，存在侵權請告知刪除！
