氮氧化鋁（Al(64+x)/3O32-xNx通稱AlON）透明陶瓷在可見(jiàn)和中紅外波段擁有良好的透過(guò)率，且具有高強(qiáng)度、高硬度的顯著優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于紅外光學(xué)窗口、安防裝備、深水潛望鏡等領(lǐng)域，還有望用作電子消費(fèi)品的窗口。自本世紀(jì)初以來(lái)，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所持續(xù)致力于AlON透明陶瓷的研究，近年來(lái)取得了系列原創(chuàng)性成果。近日，上海硅酸鹽所王士維研究員帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊(duì)在?AlON透明陶瓷的粉體合成、微結(jié)構(gòu)調(diào)控、致密化機(jī)理、光學(xué)窗口研制以及應(yīng)用考核等方面取得系列進(jìn)展。

AlON透明陶瓷頭罩和安防裝備部件

團(tuán)隊(duì)發(fā)展了高純度AlON粉體的兩步合成技術(shù)，提出了流態(tài)化合成方法及裝置，解決了碳熱還原反應(yīng)波動(dòng)、產(chǎn)物組分偏差的關(guān)鍵問(wèn)題，有力保障了透明陶瓷研究所需的高純AlON粉體。基于此，團(tuán)隊(duì)合成了不同N/O比的AlON粉體，并研究了AlON陶瓷性能隨組分的變化規(guī)律，獲得不同特性的系列化AlON透明陶瓷【Ceram. Int.?46 (2020) 16677】。在AlON透明陶瓷微結(jié)構(gòu)調(diào)控方面，團(tuán)隊(duì)研究了組合燒結(jié)助劑對(duì)致密化和透明化的作用及其機(jī)理，發(fā)現(xiàn)通過(guò)控制Y2O3添加量，能夠在AlON晶粒內(nèi)形成(111)孿晶界的插層結(jié)構(gòu)，這種孿晶界能夠阻止位錯(cuò)的遷移，進(jìn)而改變裂紋擴(kuò)展方向，提高了AlON透明陶瓷的力學(xué)性能【J. Euro. Ceram. Soc.?38 (2018) 3235】。在AlON透明陶瓷光學(xué)性能優(yōu)化方面，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)AlON透明陶瓷特有的晶粒內(nèi)雙折射現(xiàn)象，證實(shí)了AlON透明陶瓷的致密化是以氣相傳輸主導(dǎo)的燒結(jié)機(jī)制。基于上述發(fā)現(xiàn)，提出了氣-固轉(zhuǎn)變的熱等靜壓致密化新機(jī)制【J. Euro. Ceram. Soc.?41 (2021) 4327】，研制的AlON透明陶瓷光學(xué)質(zhì)量得到顯著提升。

不同N/O比AlON的(a)XRD圖譜及(b)透明陶瓷樣品

團(tuán)隊(duì)開展了AlON透明陶瓷窗口和頭罩樣件的研制工作，解決了大尺寸透明陶瓷成型、燒結(jié)等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，通過(guò)了有關(guān)抗彈性能和高溫紅外性能的初步驗(yàn)證試驗(yàn)，為后期應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

AlON的孿晶界、裂紋擴(kuò)展及位錯(cuò)遷移