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聊聊镁铝尖晶石透明陶瓷

发布时间:2025/5/4 11:55:11   
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#三分钟讲科普#在近年出现的新型透明陶瓷中,镁铝尖晶石是很受人瞩目的一种。

镁铝尖晶石是氧化铝和氧化镁所形成的唯一一种化合物,其最大的特点就是耐火度高,因此被广泛用作窑炉的耐火材料,应用于钢铁、水泥、玻璃等基础材料的生产上。而镁铝尖晶石透明陶瓷的异军突起,则不仅仅是由于其耐火度出色,而是有更多其它性能上的优点。

最重要的一个优点自然就是透明。这看上去象是一句废话,但其实并不能说完全是废话。因为透明也是有讲究的,不同的透明陶瓷,其透明度也不一样。比如氧化铝透明陶瓷,虽然也叫透明陶瓷,但其实直线透过率很低,看上去更象是“半透明”的毛玻璃。而镁铝尖晶石却是象窗玻璃一样,真的是“透明”。最有意思的是,镁铝尖晶石的这种“透明”,不仅仅限于可见光,而是涵盖了从紫外、可见、中波红外到微波的很宽范围,尤其在中红外波段,透过率更为突出。这里要说一句,材料中这种透明波段很宽的还有不少,比如蓝宝石晶体、氮氧化铝透明陶瓷等,但它们大都比镁铝尖晶石透明陶瓷更贵。

镁铝尖晶石透明陶瓷另一个比较突出优点是防弹性能,也就是抵抗子弹穿透的能力。镁铝尖晶石透明陶瓷的防弹性能远优于防弹玻璃,也优于蓝宝石晶体。防弹性能的优劣和材料的强度、断裂韧性、弹性模量特别是硬度等很有关系。有人发现,在常温下,镁铝尖晶石硬度与蓝宝石差不多,但当温度升高到几百度时,却还能保持相当高的硬度,而蓝宝石的硬度则下降过半。

除此之外,镁铝尖晶石透明陶瓷的优点还很多,包括抗辐照、耐高温、耐腐蚀、抗热冲击等等。

有了那么多优异性能的加持,镁铝尖晶石透明陶瓷的用途就不是区区一种窑炉用耐火材料所能限定的了,而是成为了一种在多个高技术领域都有潜在用途的材料。

在这些潜在用途中,人们最看好的是其军事用途。

一是透明装甲,比如坦克、装甲车的窗口,单兵的防护面罩。坦克窗口和防护面罩传统上使用的材料是防弹玻璃。但是近年来随着子弹火力的不断提高,防弹玻璃越来越显得力不从心。虽然通过增加玻璃的厚度可以提高其防弹水平,但玻璃太厚不仅过重,透明度也会下降。因此,在同样重量下防弹能力更强的镁铝尖晶石透明陶瓷就成为一种极具吸引力和性价比的替代材料。目前,世界上的军事大国如美国、中国都在积极地开展这方面的研究和开发。

二是导弹红外窗口。导弹红外窗口整流罩材料的主要要求包括:透波性能好,能在较宽的频段(特别是中红外波段)让电磁波通过;机械强度和硬度高,不容易破碎;抗热震性能,能承受温度的急剧变化;抗冲击力强,能对抗高速雨水或砂粒的浸蚀等等。显然,镁铝尖晶石透明陶瓷是能很好地满足这些要求的,特别是中红外波段透明性优于蓝宝石和氮氧化铝。因此,也是极有可能获得大规模应用的一个领域。

除了以上两种如今特别被人看好的方向,镁铝尖晶石透明陶瓷潜在的应用领域还包括:

1、照明灯具。现在市场上的气体放电灯灯壳主要是采用石英玻璃和透明氧化铝陶瓷,但石英玻璃的耐高温性能不足,而透明氧化铝陶瓷的透光性能存在缺陷,因此,兼具高透光和高耐温性能的镁铝尖晶石透明陶瓷很有可能成为二者的替代材料。

2、特种设备的观察和探测窗口,各种护目镜片,

3、穿戴电子设备,如高档手表的镜面、手机背壳等……

不过,虽然镁铝尖晶石透明陶瓷性能优异、潜在应用领域广泛,但除了最早发展的美国有一些应用于装甲车和驱逐舰上的报道之外,真正实现大规模应用的案例还很少见。这是因为依然有一些问题需要解决。其中一个重要的问题是如何实现镁铝尖晶石透明陶瓷的批量化生产。现在镁铝尖晶石透明陶瓷一般是先合成高纯镁铝尖晶石粉体,添加少量氟化锂作为烧结助剂后,采用热压、热等静压、放电等离子烧结等特种烧结工艺制成,生产效率低、成本高不说,生产出来的样品尺寸也受限。如果采用简单的无压烧结工艺,则很难获得高透明度的产品。从经济的角度看,这显然还有待于进一步突破。(个人认为,无压烧结加热等静压后处理可能是一条比较可靠的路径)。另外一个比较让人困惑的问题则是在理论方面。比如,镁铝尖晶石透明陶瓷的微观结构、力学性能和装甲抗弹性能之间到底存在着怎样的对应关系?其实到目前为止还不是十分清楚,还有待于进一步的研究。也许,当这些问题特别是生产上的瓶颈突破之后,就是镁铝尖晶石透明陶瓷大放异彩的时候吧?



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