在1986年上映的科幻电影《星际迷航4：抢救未来》中，科学家提出过用透明铝分子制作一种抗高压储水箱的设想。在电影剧情中那种技术属于未来的23世纪，但在21世纪的今天这种材料其实已经有了非常接近的版本——即“透明铝”，主要成分是氮氧化铝（Al_(64+x)/3O_32-xN_x，通称AlON），不仅在可见和中红外波段拥有良好的透过率（80%以上），光学性能与蓝宝石、尖晶石相当，而且抗弯强度接近蓝宝石，明显高于尖晶石。

三种材料性能对比

虽说AlON透明陶瓷更为人知的应用基本集中在军工航天等高端领域，但不要觉得AlON材料只能用于高端领域，它同时有潜力用作电子消费品的窗口材料，如2018年时曾有新闻报道，知名光学设备制造商蔡司欲推出全球首款以AlON材料制造的透明陶瓷镜头，不过截至目前这款镜头还未真正上市。但无论如何，由于AION透明陶瓷作为玻璃、金属和塑料的替代品，具有广泛适用性，因此在要求更为苛刻的场景中使用率正迅速增加中，其相关研究已成为透明陶瓷材料研究开发的热点之一。

北京中材人工晶体研究院和中科院光电研究所研制出的AlON透明陶瓷

AlON粉体的制备

制备AlON透明陶瓷主要包含三个步骤：高纯 AlON 粉体的制备，AlON粉体的成型工艺和透明化烧结。其中最主要也是最关键的部分是高纯粉体制备，因为陶瓷能否透明的关键在于粉体的纯度是否达标。

由于受本身的强共价键结构和低自扩散系数的影响，AlON 在没有外场辅助的情况下通常需要在 1900℃以上长时间烧结才能够使AlON透明陶瓷完全致密，研究者们通常也从 AlON 制备的步骤出发，解决这一问题。其中对于制备 AlON 透明陶瓷而言，性能优良的粉末是致密化烧结的关键一步，粉体的优劣直接决定了烧结后陶瓷的整体性能。

AlON 晶体结构示意图

γ-AlON 从被发现到如今已有几十年的发展历程，有多种制备技术被用于合成 AlON粉体。值得一提的是，目前AlON合成的最主要两条路径——碳热还原氮化反应以及直接高温固相反应，都有氧化铝（Al₂O₃）的参与。下面将对这两者进行具体的讲解。

1、高温固相合成

高温固相合成是指利用高纯氧化铝和氮化铝在氮气气氛下合成得到AlON粉体的制备方法，在1600℃以下，Al₂O₃和AIN之间不发生化学反应；在1650℃时，二者开始发生高温固相化学反应并生成富氧(O—rich)的AlON相；在1750℃时，形成O-rich-AION的高温同相化学反应基本完成；随着反应温度的进一步升高，产物中少量残余的AIN进一步固溶进入O-rich-AlON晶格形成富氮(N-rich)的AION相(N-rich-AlON)。

此种制备方式相对简单，被用于制备大批量粉体，反应公式如下：

但AlN 粉体价格昂贵，同时在混合的过程中不易与氧化铝粉均匀混合，会使合成的 AlON 粉体发生团聚，最终导致AlON 透明陶瓷内气孔大量存在，严重影响 AlON 的透过率。

例：Li等以150 nm的α-Al₂O₃和价格较低的3μmAlN粉体作为原始材料，通过高温固相反应合成制备得到D50=320nm的AlON粉体，在粉体制备的过程中，通过球磨控制初始原料(α-Al₂O₃/AlN)的混合均匀程度、粒径大小，将合成的温度降低至1680℃，烧结保温时间降至20 min，大大降低烧结成本，同时也降低了AlON粉体的团聚程度，更易粉碎。

2、碳热还原

以碳粉为还原剂与高纯氧化铝混合，在高温氮气气氛下烧结得到AlON粉体的方式称为碳热还原反应，反应过程中发生如下所述的反应。

碳热还原碳热还原反应过程中，AlN大部分是原位生成在Al₂O₃颗粒的表面，相较于高温固相反应更完全，合成的产物粒径更小。在碳热还原合成过程中，工艺参数，原料的状态是影响产物性能的重要因素。例如原料中碳源的量、种类以及颗粒尺寸形态等都会影响最终 AlON粉体的状态。

另外为了比较不同晶型氧化铝对合成AlON纯度等的影响，也有研究者以不同晶型的两种氧化铝（α-Al₂O₃和γ-Al₂O₃）为原料进行了反应比较。在只改变Al₂O₃晶型的情况下，得到了不同温度下的XRD图谱如下图所示。

γ-Al₂O₃在1900℃下煅烧保温2 h可以得到纯度较高的AlON粉体，无其它杂相存在。以α-Al₂O₃为原料时，在相同的温度下煅烧，得到的产物中除了AlON相外，还存在少量Al2O3和AlN未反应，分析原因可能与α-Al2O3的活性较差有关，α-Al2O3为高温稳定相；γ-Al2O3多孔结构，高温稳定性差，活性高，当以α-Al2O3为原料时，相比γ-Al2O3将需要更高的温度，当继续提高煅烧温度到1940℃，只有极其微量的AlN相存在，得到了纯度较高的AlON粉体。

总结

高温固相反应法虽然简单，但Al₂O₃和AlN混合时会形成Al₂O₃和AlN的局部不均匀而导致γ-AlON晶粒形貌不均匀，从而导致烧结体致密度低，光学性能差。而碳热还原法有较多的优势，如成本较低。但由于引入了碳，碳含量和氮气的量对反应的结果有较大的影响，另外使用γ-Al₂O₃比α-Al₂O₃具有更高的反应活性。

资料来源：

魏光平. 透明陶瓷用氮氧化铝粉体材料的制备研究[D]. 四川:西华大学,2021.

刘学建,李会利,黄政仁,等. 高温固相反应工艺制备AlON粉体[J]. 无机材料学报,2009,24(6):1159-1162. DOI:10.3724/SP.J.1077.2009.01159.

邓启煌,沈祥风,韩斌,等. 高温碳热还原氮化工艺对合成AlON粉体的影响[J]. 陶瓷学报,2016,37(6):682-685. DOI:10.13957/j.cnki.tcxb.2016.06.018.

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