تحقیقات اخیر در زمینه ی سرامیک های آلونی (ALON)
آلومینیوم اکسی نیترید (ALON) یک ماده ی سرامیکی شفاف می باشد که علاوه بر شفافیت در ناحیه ی فرابنفش (UV) تا فروسرخ میانی (MWIR) دارای خواص مکانیکی استثنایی می باشد. خواص نوری و مکانیکی آلون ها به دلیل داشتن
مترجم: حبیب الله علیخانی
منبع:راسخون
منبع:راسخون
چکیده
آلومینیوم اکسی نیترید (ALON) یک ماده ی سرامیکی شفاف می باشد که علاوه بر شفافیت در ناحیه ی فرابنفش (UV) تا فروسرخ میانی (MWIR) دارای خواص مکانیکی استثنایی می باشد. خواص نوری و مکانیکی آلون ها به دلیل داشتن ساختار کریستالی مکعبی در این سرامیک ها، ایزوتروپ می باشد. در نتیجه، آلون ها در شکل کریستالی خود، شفاف هستند و می توان آنها را از روش های متداولی مانند پرس پودر، تولید کرد. این خواص ترکیبی و همچنین قابلیت ساختار ساده ی آنها موجب شده است تا این ماده برای ساخت پنجره های فروسرخ، گنبد سونار، لنزها و زره های شفاف، مورد استفاده قرار گیرد.روش مورد استفاده در تولید آلون های شفاف، بوسیله ی Raytheon توسعه یافت و به شرکت Surmet انتقال یافت. هم اکنون این سرامیک در این شرکت، تولید می شود. Surmet هم اکنون برخی اقلام نظامی (مانند پنجره ها و گنبدهای سونار) و تجاری (مانند پنجره های اسکنرهای سوپرمارکت ها) را به بازار عرضه کرده است.
ظرفیت تولید قابل توجه آلون های شفاف برای ساخت پنجره های سنسور و کاربردهای زرهی است. پنجره های آلونی تا اندازه ی 20 در 30 اینچ، نیز تولید شده اند. علاوه بر این، ظرفیت شکل دهی و پولیش این پنجره های خمیده ی در شرکت Surmet در حال انجام می باشد.
مقدمه
سیستم های الکترو-اپتیکی پیشرفته به طور روزافزون به سمت سیستم های دیافراگمی حرکت کرده اند که یکی از الزامات آنها شفافیت در برابر پرتوهای MWIR و RF می باشد. برخی از سیستم های جدید نیز نیازمند دیافراگم ها و یا شکاف های بزرگتری هستند. علاوه بر الزامات نوری مورد نیاز، این مواد شفاف باید همچنین قابلیت دوام بالایی داشته باشند و تولید و استفاده از آنها مقرون به صرفه باشد.برای بسیاری از این کاربردها، یاقوت کبود یک ماده مناسب می باشد که از آن در تولید پنجره ها و کلاهک رادارها استفاده می شود. در این کاربردها، این پنجره ها باید در گستره ی نور مرئی تا فروسرخ با طول موج متوسط (MWIR) شفافیت داشته باشند. همچنین این بخش ها، باید در شرایط فیزیکی و محیطی، دوام داشته باشند. هزینه های بالای تولید یاقوت کبود یکی از محدودیت های استفاده از این ماده می باشد. همچنین به دلیل وجود خاصیت آن- ایزوتروپ در این ماده، تولید آن نیز مشکل می باشد. علاوه بر این، در برخی کاربردها، نیازمند ساخت پنجره هایی هستییم که بسیار بزرگ می باشند و یا دارای شکلی پیچیده هستندو و از این رو، نمی توان این قطعات را با استفاده از یاقوت کبود تک کریستال، تولید نمود.
آلومینیوم اکسی نیترید (ALON) که به طور خلاصه سرامیک های نوری ALON نامیده می شوند، و همچنین اسپینل آلومینات منیزیم از جمله موادی هستند که دارای خواص فیزیکی و مکانیکی مشابه با یاقوت کبود هستند. ساختار کریستالی این مواد، مکعبی است و بنابراین، این مواد در حالت پلی کریستال، شفاف هستند. این شفافیت حتی در اندازه ی دانه بزرگ و همچنین پنجره های با شکل پیچیده، مشاهده می شود. همچنین این مواد را می توان با روش های شکل دهی متداول، تولید کرد. علاوه بر این، خواص مکانیزیکی ایزوتروپ در این مواد موجب می شود تا بتوان قطعات تولید از این مواد را با هزینه هایی بسیار کمتر از هزینه ی تولید یاقوت کبود، تولید نمود.
ALON بوسیله ی محققینی در Rayrheon و در دهه ی 1980 ساخته شد. این ماده برای ساخت پنجره ها و کلاهک های مورد استفاده در موشک های مادون قرمز، توسعه یافت. هدف در اینجا، تولید ماده ای بود که دارای خواص نوری و مکانیکی مشابه با الماس کبود داشته باشد و بتوان آنها را با روش های متداول فرآوری تولید کرد. حتی برای تولید کلاهک های کوچک نیز یاقوت کبود اغلب و برای بسیاری از سیستم ها، مقرون به صرفه نمی باشد. نمونه هایی از کلاهک های موشک و پنجره های لوله ی پرتاب تولید شده در شکل 1 آورده شده است.
افزودن مقادیر اندک از گاز نیتروژن موجب می شود تا ساختار کریستالی رمبوهدرال آلومینا، به ساختار اسپینلی مکعبی ALON تبدیل شود. این ساختار مکعبی ALON است که موجب ایجاد خواص نوری ایزوتروپ می شود. این مهم است که این مسئله بدین معناست که ALON در شکل پلی کریستالی خود، شفاف می باشد و می توان آن را با روش های متداول شکل دهی، تولید کرد. همچنین می توان قطعات بزرگتری را از این جنس تولید کرد. علاوه بر این، خواص مکانیکی ایزوتروپیک این ماده، بدین معناست که سایش و پولیش قطعات تولیدی از این ماده، آسان تر و ارزان تر از قطعات تولیدی با یاقوت کبود می باشد.
ALON با روش های پودری متداول، تولید می شود. این فرایندها، با سنتز پودر اولیه ی ALON شروع می شود. پودر تولیدی سپس به صورت قطعه ی خام شکل دهی می شود. این کار با استفاده از یکی از روش های شکل دهی متداول مانند پرس ایزواستاتیک سرد، ریخته گری دوغابی و یا قالب گیری تزریقی، انجام می شود. قطعه ی خام سپس عملیات حرارتی می شود تا به دانسیته ی نوری کامل برسد و در نهایت، عملیات های برش، سایش و پولیش کاری بر روی محصول انجام می شود. شماتیکی از این فرایند تولید در شکل 2 آورده شده است.
ترکیب و خواص
آلومینیوم اکسی نیترید (ALON) دارای یک ساختار اسپینلی مکعبی معیوب ات که فرمول شیمیایی آن به صورت 〖Al〗_((64+x)/3) O_(32-x) N_x (2≤x≤5) می باشد. نیتروژن موجب تثبیت ساختار کریستالی در یک گستره از ترکیب شیمیایی می شود. برخی از خواص فیزیکی و مکانیکی ALON در جدول 1 آورده شده است.کاربردهای ALON
به دلیل شفافیت نوری مناسب، استحکام و همچنین سختی مطلوب این ماده، از آن در برخی کاربردهای نظامی و تجاری، استفاده می شود. این کاربردها، عبارتند از:پنجره ها و کلاهک ها (طیف فرابنفش، مرئی، فروسرخ و طول موج های میلیمتری)
زره های شفاف
پنجره های اسکنترهای بخش فروش
سرامیک های مورد استفاده در تولید ادوات نیمه رسانا
یک ماده ی جایگزین برای یاقوت کبود
یک ماده ی جایگزین برای آلومینا
یک ماده ی جایگزین برای کوارتز در کاربردهای مربوط به اچ کردن
Surmet هم اکنون تولید کننده ی کلاهک ها، پنجره ها و لنزهای مورد استفاده در کاربردهایی است که اکثراً مرتبط با کارهای دفاعی است. اجزای تولید شده از ALON به عنوان پنجره ی لیزرهای مورد استفاده در زیر آب، لنزها، کلاهک های رادار و پنجره های یا کلاهک های IR کاربرد دارند. مثال هایی از این اجزا در شکل 4 قابل مشاهده می باشند. چند نمونه از کلاهک های تولیدی از ALON تولید شده است.
بزرگترین چالشی که در زمینه ی تولید سرامیک های نوری پلی کریستال، با آن رو برو هستیم، ایجاد اجزای بزرگ با خاصیت نوری یکنواخت و با کیفیت بالا می باشد. فرایند پودری در اصل، تنها بوسیله ی اندازه ی ادوات موجود، تحت تأثیر قرار می گیرد. نمی توان گفت که هیچ چالشی در زمینه ی تولید سرامیک های نوری شفاف، وجود ندارد. پنجره های بزرگ از جنس ZnS و ZnSe با استفاده از روش CVD تولید می شوند. گزارشی تاکنون در مورد تولید پنجره های سرامیکی نوری بزرگ (بزرگتر از 15 اینچ) و یکپارچه با روش های ذوبی یا پودری، ارائه نشده است. اندازه ی بزرگ، موجب می شود تا مسائلی در زمینه ی فرآوری پودری این قطعات ایجاد شود. این مسائل به دلیل انقباض قابل توجه این قطعات در کوره و همچنین عدم یکنواختی خواص نوری، ایجاد می شود. Surmet پنجره های نوری تولید کرده است که خواص قابل توجهی دارند. یک مثال از یک پنجره ی نوری بزرگ در شکل 4 قابل مشاهده می باشد.
زره های شفاف
از لحاظ حجمی، بزرگترین بازار بالقوه برای ALON ها، در تولید زره های شفاف می باشد. این قطعات در تولید وسایل هوایی مانند هواپیماها و شناورهای دریایی و خودروها، مورد استفاده قرار می گیرند. شکل 5 صفحات ALON را نشان می دهد که هم به صورت مسطح و هم خمیده، تولید می شوند.کاربردهای تجاری
محصولات ALON ی برای استفاده و ارزیابی یک تعداد از کاربردهای تجاری، تولید می شوند. سختی و دوام بالای این محصولات موجب می شود تا استفاده از آنها در پنجره های اسکنر فروش، متداول شود. در اینجا، این محصولات نیازمند مقاومت به خراش و مقاومت به ضربه هستند. همچنین باید هزینه ی تولید آنها نیز پایین باشد. ALON ها به طور پیوسته جایگاه خود را در زمینه ی ادوات مورد استفاده در صنعت نیمه رسانا باز کرده است. علت این مسئله، مقاومت بالا در برابر عوامل شیمیایی و پایداری آنها می باشد. این مواد در زمان برخورد با بسیاری از عوامل و فرایندهای شیمیایی، پایدار هستند و از این رو، از آنها می توان در صنعت الکترونیک، استفاده کرد. ALON ها نه تنها هزینه ی تولید کمتری نسبت به یاقوت دارند، همچنین می توان از آنها به عنوان جایگزینی برای کوارتز در کاربردهای اچ، استفاده کرد. این بدین معناست که در حالی که هزینه های دسترسی به ALON ها ممکن است بالا باشد، اما هزینه های کل مربوط به این مواد، کاهش می یابد (شکل 9).توسعه های مربوط به ساخت
شرکت Surmet در طی چند سال گذشته، بررسی های ارزشمندی را بر روی فرایند تولید محصولاتی از جمله ALON، یاقوت کبود و اسپینل انجام داده است. این مورد نه تنها شامل مراحل تولید بوده است بلکه همچنین مربوط به ادوات مناسب برای تولید این محصولات نیز می باشد.پیکربندی مربوط به اجزای نوری (خمیده یا صفحه ای) در فرایند ارزیابی، در نظر گرفته شده است. بسیاری از گزینه های فرآوری متداول، قابلیت تولید پیکربندی صفحه ای این مواد سخت را دارند. به هر حال، تفاوت های قابل توجهی در این فرایند وجود دارد. وقتی یک پیکربندی طویل مانند یک کلاهک در نظر گرفته شود، فرایندهای تولید متداول نامناسب می باشند که علت آن، زمان فرآوری طولانی و مشکل در زمینه ی استحکام مکانیکی می باشد.
وقتی اپتیک مربوط به سطوح خمیده در نظر گرفته شود، گزینه های مربوط به تولید نمود می یابند. در بین این روش ها، روش های پولیش کاری متداول، روش پرداخت مگنتورئولوژی، سایش با بخش های سایشی و موارد دیگری، مورد استفاده قرار گرفته اند. این فرایندها در شکل 10 آورده شده است.
نتیجه گیری
Surmet تکنولوژی ALON را از شرکت Raytheon خریداری کرد و موجب شد تا این ماده وارد بازار تجاری شود. پودر این ماده، با روش های متداول تولید می شود و ساختار پلی کریستال از ALON در این پودر ایجاد می شود. بعد از آن، پودر با روش های متداول شکل دهی، شکل دهی می شود و بعد از عملیات حرارتی و پرداخت نهایی، قطعه ی حاصله برای استفاده در کاربردهای نظامی و غیر نظامی، آماده می شود.
مقالات مرتبط
تازه های مقالات
ارسال نظر
در ارسال نظر شما خطایی رخ داده است
کاربر گرامی، ضمن تشکر از شما نظر شما با موفقیت ثبت گردید. و پس از تائید در فهرست نظرات نمایش داده می شود
نام :
ایمیل :
نظرات کاربران
{{Fullname}} {{Creationdate}}
{{Body}}