تحقیقات اخیر در زمینه ی سرامیک های آلونی (ALON)

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.
ALON راه خود در زمینه ی استفاده در این کاربردها را باز نکرده است. این مسئله تا حدی به دلیل فقدان سرمایه گذاری و بازار تجاری مناسب برای این قطعات بوده است. البته این مسئله تا حدی به دلیل این است که سایر شرکت های مشغول در زمینه ی مسائل تجاری، متمایل به تکیه کردن به Raytheon نبودند. در سال 2002، Surmet Corp فرایند تولید ALON را از Raytheon خریداری کرد. از زمان دسترسی این شرکت به تکنولوژی ALON، Surmet این موضوعات را با استفاده از تبدیل شدن به یک فروشنده ی مهم از این مواد، آدرس دهی کرد. همچنین این شرکت سرمایه گذاری زیادی را در زمینه ی افزایش ظرفیت تولید انجام دادند. Surmet یک ظرفیت تولید مجتمع را برای تولید سرامیک های نوری ALON با استفاده از روش پودری و پولیش کاری اشکال پیچیده و هندسه های بزرگ، ایجاد کرد.
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.
ALON دارای شفافیت فوق العاده ای است و میزان شفافیت آن بیشتر از 80 % می باشد. گستره ی شفافیت این ماده از گستره ی فرابنفش نزدیک تا فروسرخ با طول موج متوسط (MWIR) می باشد. این مورد در شکل 3 نشان داده شده است. ضریب شکست مربوط به این ماده در طول موج های بین 0.2 تا 5.0 میکرومتر، بین 1.81 تا 1.66 می باشد.

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.
بخش قابل توجه از هزینه ی این اجزا، مربوط به فرایند تولید می باشد. به حداقل رساندن اندازه ی بخش توخالی کلاهک ها، همواره موجب کاهش هزینه ها نمی شود. بخش توخالی در واقع باید در محاسبات در نظر گرفته شود. این پوسته می تواند به سختی و با دقت پایینی تولید شود. نه تنها باید تغییر شکل موجود در کوره در نظر گرفته شود، بلکه باید مسائل مربوط به تغییر ابعادی در کوره نیز در نظر گرفته شود. مواد به سهولت می توانند در طی فرایند تولید، جداسازی شوند. مسائل مربوط به نحوه ی قرارگیری، می تواند در زمان تولید کلاهک های نازک، مهم باشند. صرفه جویی در هزینه های تولید این سرامیک ها، نشاندهنده ی کاهش قابل توجه در هزینه های تولید این سرامیک ها نسبت به یاقوت می باشد.
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.
وقتی لایه های پلاستیکی یا شیشه ای متداول مورد استفاده در تولید رزه ها را با صفحات ALON مقایسه کنیم، این فهمیده می شود که رزه های ALON شفاف، محافظت معادلی را در وزن و ضخامتی نصف ایجاد می کنند. برخی از نتایج مقایسه ای، در شکل 6 آورده شده است. این نتایج نشاندهنده ی قابلیت بالقوه ی کاهش صدها پوندی در وزن وسایل پرتابی، با استفاده از این ماده می باشد. علاوه بر این، زره های شفاف ALON در سال 2004 در Fort Drum مورد استفاده قرار گرفته است. آزمون های زرهی انجام شده بر روی صفحات ALON، نشاندهنده ی اثر بخشی قابل توجه این صفحات می باشد. شکل 7 نشاندهنده ی این محافظت می باشد.
هم اکنون نیاز قابل توجهی برای زره های شفاف وجود دارد. این قطعات در وسایل نقلیه ی زمینی، هوایی و دریایی، مورد استفاده قرار می گیرد. Surmet هم اکنون این تکنولوژی را به صورت خوبی توسعه داده است. فرایند اولیه توسعه یافته برای تولید پنجره های مسطح مورد استفاده قرار گرفته است. بررسی ها بر روی صرفه جویی در هزینه های مربوط به شکل دهی و فرآوری قطعات منحنی نیز در حال انجام می باشد. این مسئله موجب می شود تا میزان اتلاف ماده کاهش یابد. همچنین استفاده از این ماده، موجب کاهش در هزینه های تولید و زمان مربوط به فرایند تولید می شود. بخش های توخالی خام با وزن 45 و 70 کیلوگرم، نیز تولید شده اند. بخش های توخالی تقریباً دارای ابعادی معادل 46 در 24 در 1.25 اینچ دارند. شکل 8 یک بخش توخالی را نشان می دهد که وزنی معادل با 45 کیلوگرم دارد. این قطعات هم اکنون در این شرکت، تولید می شوند. اندازه ی برخی از پنجره های وسایل، به دلیل محدودیت از دو بخش تشکیل شده اند. تمام این پنجره ها، دارای انحرای استوانه ای منفرد هستند. Surmet روش های تولید را برای تولید و سایش پنجره های یکپارچه و چند قسمتی، ارائه کرده است. شکل 5 (بالا سمت راست)، نشاندهنده ی یک پنجره ی منحنی چند قسمتی در فرایند پولیش می باشد.

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.
همانگونه که قبلا گفته شد، اگر چه روش های فرآوری متداول، می توانند برای تولید سطوح اپتیکی خمیده استفاده شوند، این روش ها، آهسته و هزینه بر هستند. استفاده از چرخ های ساینده، در سایش سرامیک های سخت، مؤثر نمی باشد زیرا سری سایش دهنده، به سرعت از بین می رود. البته روش استفاده از ساینده های الماسی خاص، قادر است تا به صورت موفقیت آمیز مواد را از سطح کلاهک سرامیکی، بزداید اما موجب ایجاد خش های متعدد بر روی این سطوح می شود. فرایندهای همزمان برای فرآوری این قطعات مناسب ترند. در شکل 11 فرایندهای مناسب برای هر بخش، آورده شده است.
ایجاد یک سطح منحنی یا مدور در تولید کلاهک ها، یک فرایند معمولی نیست. در فرایند معمولی، با استفاده از ابزارهای الماسه، مواد اضافی زدوده می شود و در نهایت، سطح منحنی، ایجاد می شود. به هرحال، روش های ترکیبی یا همزمان، برای ایجاد این سطوح، مورد استفاده قرار می گیرد. بیشتر سیستم های همزمان امروزی، مجهز به سیستم های CNC می باشند و بدین صورت کنترل مناسبی بر روی میزان براده برداری و شیب سطوح، انجام می شود. ادوات مورد استفاده در این فرایند در شکل 12 آورده شده است. همچنین در شکل 13 فرایندهای هم زمان مورد استفاده در تولید یک قطعه ی نوری، نشان داده شده است.
فرایند پولیش کاری، یک فرایند ترکیبی است که در آن از بخش های ثابت کننده و ابزارهایی استفاده می شود که موجب ایجاد چرخش در نمونه می شود. این حرکت به گونه ای است که در آن، نمونه و پدهای ساینده به صورت سایشی بر روی هم عبور می کنند.

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.
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.