A lON透明陶瓷研究进展

石坚波

（上海玻璃钢研究院有限公司陶瓷研究室，上海201404）

0 引言

氮氧化铝（γ-AlON，简称AlON）是一种透明多晶陶瓷，它是一种全新的多晶红外材料，在可见光至中红外具有高的光学透过性能[1]。它最大的优点是具有光学各向同性，且在中红外波段具有良好的透光率（在波长0.2～6.0μm范围内透光率80%以上），且具有良好的物理、机械和化学性质，因而透明AlON陶瓷是导弹整流罩、红外窗口材料和防弹装甲材料的优选材料[2-3]。基于AlON陶瓷在军事领域及商业领域中巨大的应用前景，AlON陶瓷材料开发研究已成为透明陶瓷材料研究开发的热点之一，美国已将AlON多晶陶瓷列为二十一世纪重点发展的光功能透明材料之一。

1 AlON陶瓷的性能

AlON、蓝宝石（sapphire）和尖晶石（MgAl2O4）三种常用的中红外材料的性能对比如表1所示，可以看出，AlON陶瓷的光学性能与蓝宝石、尖晶石、氧化钇相当 （中红外透光率＞80%），而抗弯强度与蓝宝石接近（300MPa），明显高于尖晶石（190MPa）和氧化钇（160MPa）。由于蓝宝石单晶窗口材料的制备成本非常高，且大尺寸很难制备，而AlON陶瓷则可以通过先进陶瓷制备方法实现大尺寸及复杂样品的制备，并具有光学各向同性的优点，因此AlON陶瓷已成为高性能双模天线罩和中红外窗口的首选材料。

2 A lON陶瓷的制备工艺进展

AlON陶瓷制备方法可以分为一步法和两步法两种。一步法一般是将原料粉末混合后经成型、烧结得到AlON陶瓷。而两步法制备高透光率AlON陶瓷需经粉体合成和陶瓷制备两步。首先制备高纯、单相的AlON粉末，然后通过成型和烧结得到AlON陶瓷。两步法制备透明AlON陶瓷，制备工艺相对复杂，成本相对较高，但最大的优点是制备的陶瓷致密度较高，是目前透明AlON陶瓷研究和应用的主要制备方法。

2.1 粉体合成方法

AlON粉末及AlON陶瓷的合成方法主要有高温固相反应、氧化铝还原氮化两种方法[4]。

2.1.1高温固相反应法

高温固相反应法一般是将一定配比的AlN、Al2O3粉混合，在高于1 650℃温度及氮气气氛保护下，保温一定时间制备AlON粉末或陶瓷，其反应式如式（1）所示：

Siddhartha Bandyopadhyay等[5]研究了Al2O3-AlN体系反应参数对合成γ-AlON的影响，结果表明，超过1 670℃，γ-AlON相大量出现，在大于1 800℃，完全转变成γ-AlON。反应过程中先形成富氧的AlON，随着温度升高，富氧的AlON与AlN反应，形成富氮的AlON。

2.1.2氧化铝还原氮化法

氧化铝还原氮化制备γ-AlON粉末及AlON陶瓷的还原剂通常有 C、Al、NH3和 H2， 而 Al2O3碳热还原氮化法制备AlON粉末是一种最常用方法，其化学反应式如式（2）所示：

Zheng J[6]和Maguire[7]选用合适的氧化铝与碳的配比，通过两步法升温合成了纯相AlON粉体。李亚伟等人[8]采用不同类型的铝源和同一种炭黑进行碳热还原反应，实验表明其他不同铝源的反应活性均比α-Al2O3高，原因是这些铝源先转化为反应活性较高的γ-Al2O3，与Zheng J.等人得出相同的结论。

高温固相反应法的最大优点是原料容易获得，工艺简单易行，适于规模生产。氧化铝还原氮化法制备AlON陶瓷的原料成本低，适合工业化生产，制备工艺较复杂，但制备的陶瓷透光率较好。

2.2 AlON陶瓷的制备工艺进展

AlON陶瓷主要有无压烧结法、热压法以及最新出现的放电等离子烧结法、微波烧结法等。

2.2.1无压烧结

无压烧结是制备透明陶瓷的传统方法，可以低成本大量生产各种尺寸和形状的产品，是目前AlON陶瓷研究最多的制备方法。美国Raytheon公司的Hartnett等人[9]首先在1 900～2 140℃无压烧结24～48h后得到了理论密度为99%、在4μm波长处光学透过率达80%（1.45mm厚）的透明AlON陶瓷。上海硅酸盐研究所的JIN[10]等人以氧化铝和尿素甲醛树脂为原料，采用碳热还原工艺和无压烧结，制备了平均透光率大于 80%（1mm）的 AlON 陶瓷。 WANG[11]研究了 Y2O3、La2O3共掺对无压烧结制备AlON透明陶瓷的影响，制备了透光率80.3%的AlON透明陶瓷。上海玻璃钢研究院有限公司与上海大学开展合作研究[12]，通过碳热还原法合成AlON粉体，经1 875℃×24h条件下无压烧结制备了在1 000～5 000nm波长范围内的直线透过率在80%左右，在3.93μm波长处光学透过率最高可达83.7%的AlON陶瓷（图1）。

图1 AlON陶瓷样品（1mm厚）

图1 A lON陶瓷光学直线透过率曲线

2.2.2热压烧结

热压烧结是指在烧结过程中施加一定的压力，使材料致密化的烧结工艺，适合制备简单形状的产品。Hartnett[13]、王习东[14]、田庭燕[15]等人利用热压烧结工艺，制备了AlON陶瓷。其中田庭燕等人以碳热还原法制得的氮氧化铝粉体为原料，采用热压烧结法在 1 850～1 950℃和 15～25MPa下制备了 3mm厚AlON透明陶瓷样品的红外透过率达81.3%。

2.2.3微波烧结

微波烧结（Microwave Sintering）是一种材料烧结工艺的新方法，可以实现材料整体加热来实现陶瓷的烧结。Cheng等人[16,17]以高纯A12O3和AlN粉为原料，利用微波烧结在1 800℃保温60min烧结得到了99.4%理论密度的AlON透明陶瓷，其最高透光率达到60%（0.6mm厚）。

2.2.4放电等离子烧结

放电等离子烧结方法（SPS,Spark Plasma Sintering）采用脉冲电流加热，可以实现快速升温和陶瓷短时间烧结。Sahin等人[18]报道了以Al2O3和AlN的混合粉为前驱体粉，通过在1 650℃和40MPa下SPS烧结30min合成了AlON陶瓷。武汉理工大学的魏巍[19]采用Al2O3和AlN按一定比例球磨混合，在1 700℃下保温一定时间，制备了最高透过为75.2%的透明AlON陶瓷样品。

综上所述，可以看出，热压烧结制备的陶瓷可获得较高透光性，但是由于工艺特点的限制难以制备复杂形状的样品，而微波烧结和等离子体快速烧结难以制备高透光性的AlON陶瓷。无压烧结可实现复杂形状和高透光性陶瓷的制备，是实现AlON透明陶瓷应用的重要制备方法。

3 AlON陶瓷的发展及我国急需取得的突破

美国Raytheon公司从20世纪70年代就开始透明AlON材料的研究，80年代初至90年代中期，通过对制粉、成型、烧结等工艺的不断研究，取得了重大突破，其材料及罩体的制备工艺技术已经基本成熟。2002年Raytheon公司授权Surmet公司生产透明AlON陶瓷产品（牌号为ALON），用于国防和商业用途[20]。美国在透明AlON陶瓷材料的制备上现在已具有很高的水平。

国内从事AlON陶瓷研究的单位较少，起步也比较晚，研究仍然处于较低的水平，目前主要停留在实验室阶段，在进行推向实用化的尝试。总体而言，与国外AlON陶瓷的研究和应用水平相比，我国尚存在较大的差距。国内急需解决低成本、高透光性能、大尺寸AlON陶瓷材料和红外/毫米波天线罩头罩的研发，满足国防现代化建设和商业应用的需要。所以，我国急需在以下几个方面开展AlON陶瓷制备的深入研究并取得突破，以实现AlON陶瓷的工业化制备。

（1）高纯、超细、单相的γ-AlON粉体是制备具有良好透光性的AlON透明陶瓷的基础，因此，需开发出高纯、超细、单相的γ-AlON粉体的合成制备方法；

（2）研究AlON陶瓷合成的热力学条件、烧结机理，为高性价比的透明AlON陶瓷的制备提供理论支持和指导；

（3）研究低成本、高性能的AlON粉体的制备工艺，降低透明AlON陶瓷烧结温度，实现AlON陶瓷的低成本工业化制备技术。

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[20]Warner C T,Hartnett T M,Fisher D,etc.Characterization of AlONTM Optical Ceramic.Proceedings of SPIE,2005,5786：95-110.