Forskere udvikler hårdere keramik til panservinduer

Forsvarsministeriet har brug for materialer til panservinduer, der giver væsentlig beskyttelse til både personel og udstyr, mens de stadig har en høj grad af gennemsigtighed. For at imødekomme det behov, forskere ved Naval Research Laboratory (NRL) har udviklet en metode til at fremstille nanokrystallinsk spinel, der er 50% hårdere end de nuværende spinelpansermaterialer, der bruges i militærkøretøjer. Med den højeste rapporterede hårdhed for spinel, NRL's nanokrystallinske spinel demonstrerer, at hårdheden af ​​transparent keramik kan øges blot ved at reducere kornstørrelsen til 28 nanometer. Denne hårdere spinel giver mulighed for bedre panserruder i militærkøretøjer, som ville give personale og udstyr, såsom sensorer, forbedret beskyttelse, sammen med andre fordele.

Denne undersøgelse blev rapporteret den 30. januar, 2014, udgave af tidsskriftet Acta Materialia .

For at skabe den hårdere spinel, NRL-forskerholdet sinter, eller konsoliderer, kommercielle nanopulvere til fuldt tætte nanokrystallinske materialer. Sintring er en almindelig metode, der bruges til at skabe store keramik- og metalkomponenter ud fra pulvere. Imidlertid, NRL-teamet er det første, der har succes med at gøre denne hårdere spinel gennem deres udvikling af Enhanced High Pressure Sintering (EHPS) tilgangen, forklarer Dr. James Wollmershauser, en ledende efterforsker i forskningen. EHPS-tilgangen bruger høje tryk (op til 6 GPa) til at forsinke bulkdiffusionshastigheder, bryde pulveragglomerater, og repositioner nanopartikler meget tæt på hinanden for at hjælpe med at eliminere porøsitet i den sintrede keramik. NRL-forskere kan derefter udnytte det øgede overfladepotentiale af nanopartikler til overfladeenergi-drevet fortætning uden at blive groft.

Ved at bruge denne EHPS-tilgang til at skabe den nanokrystallinske spinel, NRL-forskerholdet observerede ikke nogen nedgang i tæthed eller brudmodstand på grund af resterende porøsitet. Andre forskere har forsøgt at lave nanokrystallinsk spinel, men de har alle haft problemer med det endelige produkt, såsom, en reduceret tæthed, nedsat brudmodstand, eller reduceret gennemsigtighed. Den reducerede tæthed i andre forskeres arbejde er forårsaget af hulrum, der ikke kan fjernes under behandlingen, som kan reducere hårdheden, brudmodstand og gennemsigtighed. NRL's Wollmershauser bemærker, at nogle teorier tyder på, at brudmodstanden bør falde, når du laver et keramisk materiale nanokrystallinsk. Imidlertid, i deres arbejde, NRL-forskerne har vist, at brudmodstanden ikke ændres, hvilket tyder på, at nanokrystallinsk keramik kan have en tilsvarende sejhed som mikrokrystallinsk keramik, hvilket er vigtigt for høje vindueslevetider.

Hall-Petch-forholdet er blevet brugt til at beskrive det fænomen, hvor et materiales styrke og hårdhed kan øges ved at reducere den gennemsnitlige krystallitkornstørrelse. Imidlertid, tidligere eksperimentelt arbejde havde vist et sammenbrud i dette forhold (hvor hårdheden begynder at reducere med faldende kornstørrelse) for visse keramik ved ~130 nanometer. Bemærkelsesværdigt, NRL-forskerne har modbevist, at der eksisterer et sammenbrud i Hall-Perch-effekten ved disse nanoskala-kornstørrelser ved at måle en stigende hårdhed ned til mindst en 28 nanometer krystallitkornstørrelse. Den nye, høje hårdhedsværdier blev målt på prøver med disse ekstremt små gennemsnitlige kornstørrelser.

I nuværende applikationer, spinel og safir (som også er meget hårdt), bruges til at skabe materialer til militære panservinduer. En ulempe ved safir er, at det er dyrt at lave om til vinduer. Ved at øge hårdheden af ​​spinel endnu mere, NRL-forskere kan gøre et materiale hårdere end safir og muligvis erstatte safirvinduer med vinduer lavet af nanokrystallinsk spinel. Også, hårdere nanokrystallinske spinelvinduer kan gøres tyndere og stadig opfylde de nuværende militære specifikationer. Denne tyndhed oversættes til vægtbesparelser på køretøjet. Så den NRL-udviklede nanokrystallinske spinel bringer forbedringer i hårdhed, vinduets tykkelse og vægt, og omkostninger.

En sidste fordel er, at den NRL-udviklede nanokrystallinske spinel er meget gennemsigtig, gør det nyttigt i UV, synlig og infrarød optik. Det rustningsmateriale, som militæret bruger, skal være gennemsigtigt, så både udstyr og personel kan se. Forskellige sensorer "ser" forskellige bølgelængder af lys. Infrarød er vigtig for varmesøgningsevner. UV-billeddannelse kan bruges til at opdage trusler, der ikke ses i det synlige spektrum. UV-detektorer har også anvendelse i rumbårne astronomimissioner. Et enkelt vindue, der kunne fremstilles ved hjælp af den NRL-udviklede nanokrystallinske spinel, ville være gennemsigtig på tværs af mange teknologisk vigtige bølgelængder, lette krav til design og vægt.

Ud over brugen af ​​en hårdere spinel i panservinduer, der kunne være andre potentielle DoD og civile applikationer i bedre/stærkere kontorvinduer, smartphones og tablets skærme, militære/civile køretøjer, rumfartøjer, og endda udenjordiske rovere.