Прозрачный алюминий заменит бронестекло

Оксинитрид алюминия (или AlON) представляет собой керамику, состоящую из алюминия, кислорода и азота. Материал является оптически прозрачным (> 80%) в ультрафиолетовом, видимом и полуволновом диапазонах электромагнитного спектра. За рубежом изготавливается корпорацией Surmet под брендом ALON. Недавно российские ученые разработали технологию получения прозрачного алюминия, несколько отличающуюся от импортных аналогов.

Описание

Разработка уникального сплава открыла новые перспективы в оборонной промышленности, науке и строительстве. Согласно официальным данным, ALON:

• в 4 раза прочнее, чем закаленное кварцевое стекло;
• на 85% тверже сапфира;
• почти на 15% надежнее шпинели, изготавливаемой из алюмината магния.

Кстати, минерал шпинель – прямой конкурент прозрачного алюминия и уступает оксинитриду по ряду параметров.

ALON является самым твердым доступным в продаже представителем поликристаллической прозрачной керамики. Сочетание оптических и механических свойств делает этот материал ведущим кандидатом на легкие высокоэффективные бронированные изделия, такие как пуленепробиваемые и взрывозащищенные стекла, элементы для инфракрасных оптических систем. Также из оксинитрида алюминия получают прозрачные ударопрочные окна, иллюминаторы, плиты, купола, стержни, трубки и другие изделия с использованием традиционных технологий обработки керамических порошков.

Механические свойства

Оксинитрид алюминия обладает выдающимися характеристиками:

• Модуль упругости: 334 ГПа.
• Модуль сдвига: 135 ГПа.
• Коэффициент Пуассона: 0,24.
• Твердость по методу Кнупа: 1800 кг/мм² при нагрузке 0,2 кг.
• Сопротивление разрушению: 2 МПа·м^1/2.
• Прочность на изгиб: 0,38-0,7 ГПа.
• Прочность на сжатие: 2,68 ГПа.

Оптические и тепловые свойства

При тестировании прозрачного алюминия получены следующие показатели:

• Теплоемкость: 0,781 Дж/К.
• Теплопроводность: 12,3 Вт/(м·K).
• Коэффициент теплового расширения: 4,7×10^-6/°С.
• Диапазон прозрачности: 200-5000 нм.

ALON также устойчив к радиации и повреждениям различными кислотами, щелочами и водой.

Получение

Прозрачный оксинитрид алюминия изготавливают методом порошкового спекания наподобие других керамических материалов. В то время как ВМС США заняты разработкой нового пуленепробиваемого материала под названием искусственный шпинель, компания Surmet Corporation уже выпускает собственную версию «бронестекла» под названием ALON.

Разработанный в лабораториях фирмы Raytheon специальный порошок закладывают в формы и выдерживают при очень высоких температурах. Состав смеси может незначительно варьироваться: содержание алюминия составляет примерно от 30% до 36%, что незначительно влияет на характеристики (расхождение составляет всего 1-2%).

Процесс нагревания вызывает быстрое разжижение и охлаждение порошка, оставляя молекулы свободно расположенными, как будто они все еще находятся в жидкой форме. Именно эта кристаллическая структура обеспечивает прозрачному алюминию уровень прочности и стойкости к царапинам, сравнимый с сапфиром.

Изготовленные изделия подвергаются термической обработке (уплотнению) при повышенных температурах с последующим шлифованием и полировкой до достижения прозрачности. Материал может выдерживать температуры до 2100 °С в инертных газах. Шлифовка и полировка существенно улучшают ударопрочность и другие механические свойства.

Отечественный аналог

Российские ученые создали прозрачный алюминий в 2017 году. По заверению специалистов из НИЯУ «МИФИ», технология производства была значительно улучшена. При изготовлении компактов применяется методика спарк-плазменного спекания.

В отличие от зарубежных коллег, отечественные разработчики пропускают электроразряд не через внешний нагревательный элемент, а непосредственно через пресс-форму. Ученые заявляют, что отечественная прозрачная броня по прочностным характеристикам сравнима с фианитом, но при этом обладает высокой ударной вязкостью.

Сравнение алюминиевой брони с пуленепробиваемым стеклом

Традиционное пуленепробиваемое стекло состоит из нескольких слоев поликарбоната, зажатых между двумя слоями стекла. Аналогично прозрачная алюминиевая броня состоит из трех слоев:

• наружного слоя – оксинитрида алюминия;
• среднего слоя – стекла;
• заднего слоя – полимерной подложки.

Однако сходство на этом заканчивается. Алюминиевая броня может остановить те же самые пули от малокалиберного оружия, что и традиционное пуленепробиваемое стекло, но она будет все еще прозрачной даже после выстрела без характерных трещин. Кроме того, прочность ALON гораздо выше.

Броня из оксинитрида алюминия может быть изготовлена практически любой формы. Она не боится ни песка, ни гравия, ни пыли. Стойкость к абразивным материалам очень высокая. Несмотря на великолепные свойства прозрачного алюминия, этот материал не получил широкого использования. Самый большой сдерживающий фактор – стоимость (в 3-5 раз дороже традиционного пуленепробиваемого стекла). ALON в настоящее время используется главным образом для линз наблюдательных приборов и датчиков ракет.