王士维研究员在氮氧化铝(AlON)透明陶瓷领域取得系列进展

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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。

不同N/O比AlON的(a)XRD图谱及(b)透明陶瓷样品

AlON的孪晶界、裂纹扩展及位错迁移

AlON透明陶瓷头罩和安防装备部件

　　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。
      
       文章来源：上海硅酸盐所
      王士维，男，1964年11月生。工学博士。中国科学院上海硅酸盐研究所研究员，博士生导师，所学术委员会委员。中国科学院透明光功能无机材料重点实验室主任。主持承担多项国家重大项目和前沿课题的研究，例如：碳石英复合材料及部件，民口配套项目。国家自然科学基金项目“稀土离子掺杂氧化物陶瓷的上转换发光研究”, 国际合作项目“一体化半透明氧化铝管”和“氧化钇透明陶瓷的制备”, 上海光科技项目“透明氧化物陶瓷的上转换研究”、“一体化陶瓷高强度气体放电灯管的制备”, 科技部863项目“陶瓷金卤灯用高强耐高温腐蚀亚微米透明氧化铝陶瓷管的制备研究”，“光轴择优取向的透明氧化铝陶瓷及其制备技术”等。科技部中小企业创新基金“一体化透明氧化铝陶瓷管”。浙江省新材料重大专项“细晶、高强、耐高温、耐腐蚀透明氧化铝陶瓷材料”。带领团队自主开发了陶瓷金卤灯用透明氧化铝陶瓷管的挤出成型和注浆成型技术以及国产高纯度氧化铝粉体的改性处理技术；同时，采用新型凝胶固化体系结合发泡工艺制备了低热导、高强度的泡沫氧化铝陶瓷隔热材料。透明氧化铝陶瓷管和泡沫氧化铝陶瓷项目已成功实现转移转化。发表学术论文200余篇，申请专利80余项，其中49项获得授权。制定国家建材行业标准和上海市企业标准各1项。