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上海硅酸盐所在氮氧化铝(AlON)透明陶瓷领域取得系列进展

日期: 2022-04-06
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氮氧化铝(Al(64+x)/3O32-xNx通称AlON)透明陶瓷在可见和中红外波段拥有良好的透过率,且具有高强度、高硬度的显著优点,可应用于红外光学窗口、安防装备、深水潜望镜等领域,还有望用作电子消费品的窗口。自本世纪初以来,中国科学院上海硅酸盐研究所持续致力于AlON透明陶瓷的研究,近年来取得了系列原创性成果。近日,上海硅酸盐所王士维研究员带领的研究团队在 AlON透明陶瓷的粉体合成、微结构调控、致密化机理、光学窗口研制以及应用考核等方面取得系列进展。

团队发展了高纯度AlON粉体的两步合成技术,提出了流态化合成方法及装置,解决了碳热还原反应波动、产物组分偏差的关键问题,有力保障了透明陶瓷研究所需的高纯AlON粉体。基于此,团队合成了不同N/O比的AlON粉体,并研究了AlON陶瓷性能随组分的变化规律,获得不同特性的系列化AlON透明陶瓷【Ceram. Int. 46 (2020) 16677】。在AlON透明陶瓷微结构调控方面,团队研究了组合烧结助剂对致密化和透明化的作用及其机理,发现通过控制Y2O3添加量,能够在AlON晶粒内形成(111)孪晶界的插层结构,这种孪晶界能够阻止位错的迁移,进而改变裂纹扩展方向,提高了AlON透明陶瓷的力学性能【J. Euro. Ceram. Soc. 38 (2018) 3235】。在AlON透明陶瓷光学性能优化方面,团队发现AlON透明陶瓷特有的晶粒内双折射现象,证实了AlON透明陶瓷的致密化是以气相传输主导的烧结机制。基于上述发现,提出了气-固转变的热等静压致密化新机制【J. Euro. Ceram. Soc. 41 (2021) 4327】,研制的AlON透明陶瓷光学质量得到显著提升。

团队开展了AlON透明陶瓷窗口和头罩样件的研制工作,解决了大尺寸透明陶瓷成型、烧结等关键技术问题,通过了有关抗弹性能和高温红外性能的初步验证试验,为后期应用奠定了基础。

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不同N/OAlON(a)XRD图谱及(b)透明陶瓷样品

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AlON的孪晶界、裂纹扩展及位错迁移

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AlON透明陶瓷头罩和安防装备部件

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