美国海军研究实验室(NRL)正在制造一种被称为尖晶石的透明陶瓷，这种陶瓷有一天可能会取代军事成像系统中的玻璃。(图片来源:美国海军/大众传播二级专家迈克尔·拉塞尔)
哈斯·桑赫拉博士领导的研究小组美国海军研究实验室他参与了一项长达10年的研究，旨在制造透明尖晶石，一种像盔甲一样坚韧、防刮、牢不可破的特殊陶瓷。
尖晶石实际上是一种矿物，它是铝酸镁。它的优点是比玻璃更硬，更强，更硬。它能在更恶劣的环境中提供更好的保护，所以它能承受风沙侵蚀。
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尖晶石的高耐久性确保了即使是一层薄层也能提供比玻璃更高的性能。
对于重量敏感的平台，如无人机(无人驾驶车辆)、头戴式面罩，这是一项改变游戏规则的技术。
NRL使用烧结技术制造透明尖晶石。烧结是一种低温方法，尖晶石片的大小取决于压机的大小。
Sanghera说:“最终，我们将把它交给工业界，所以它必须是一个可扩展的过程。”在实验室里，该团队制作了直径为8英寸的碎片。“然后我们将这项技术授权给一家公司，这家公司随后能够将其扩大到更大的板，大约30英寸宽。”NRL还使用烧结方法来制造多种形状的光学元件，根据压力机的形状，“与飞机或无人机机翼的表面保持一致”。
除了更加坚硬，桑赫拉说尖晶石还有“独特的光学特性;你不仅可以看到它，还可以让红外线穿过它。”这意味着军事成像系统“可以使用尖晶石作为窗户，因为它允许红外光通过。”
NRL还计划在海上和其他恶劣环境中使用尖晶石作为激光器的窗口。“我得担心海浪拍打、海水和类似的东西，还有枪声——它必须能抵抗所有这些。这就是尖晶石的优势所在。”Sanghera说。
Sanghera说:“我们所做的每一件事，都是为了推进任务。它的设计目的要么是支持一个新的应用程序，一个新的功能，要么是增强现有的功能。”
开采尖晶石作为宝石是可能的。比如著名的“黑王子红宝石”，其实就是尖晶石的颜色掺杂剂。NRL团队甚至设法合成了一种超高纯度的尖晶石粉，其他人造版本也已在市场上上市。Sanghera说:“在地球上，所有的前体都是丰富的，所以可以以合理的低成本获得。”
由NRL制造的尖晶石是一种多晶材料，即大量的晶体颗粒压在一起。yabo214而玻璃,“在表面形成的裂缝会一直贯穿，”尖晶石可能会碎裂，但不会开裂。“这就像在小行星带导航，你创造了一条曲折的路径:如果我把所有这些晶体聚集在一起，裂纹在硬晶体处发生偏转:你消散了裂纹能量。”
最初，当科学家们开始尝试制造玻璃尖晶石时，他们使用的不是压力机，而是坩埚。“晶体生长的一个大问题是，你必须在超过2000摄氏度的高温下熔化初始粉末，”Sanghera说。将材料加热到如此高的温度是非常昂贵的，此外，“熔化的材料会与坩埚发生反应，所以如果你试图制造非常高质量的晶体，你最终会产生大量的缺陷。”
因此，Sanghera和他的团队转向烧结。“你把粉末放在(热压机)里，在真空下挤压，把粉末压在一起——如果你做得对，你就能把所有夹带的空气清除掉，突然之间，它就会清晰地出来。”
如果压片是平的，尖晶石也会是平的。“但如果我有一个球窝关节，把粉末放在那里，我就会得到一个圆顶的形状，”Sanghera说，“所以我们可以用这种方式生产接近净形状的产品。”
NRL并不是第一个使用烧结技术的实验室。然而，之前的尝试都失败了“在这扇窗户里，大部分地方看起来都是多云的，而且会有一个奇怪的区域——大约一英寸左右——是干净的，而且会被钻出岩心。”
随后，他们注意到在尖晶石粉中加入烧结助剂的另一个问题。
这大约是一种不同粉末的1%，在这种情况下是氟化锂，”Sanghera说。这种“金粉”是用来熔化和润滑粉末颗粒的，这样就减少了摩擦，这样它们就可以在烧结过程中一起移动。yabo214他们在一夜之间把粉末放在搅拌器里，但是，“问题是，在粉末的比例上，它从来不是均匀混合的。
通过理解这个问题，团队能够找到一种创新的解决方案来实现均匀混合。现在，“只有一种致密化途径”，经过处理的尖晶石将清晰地出现在媒体上。
为了进一步提高光学质量，“你可以像打磨宝石一样打磨它，”Sanghera说。这个过程是最昂贵的步骤。“我们正在考虑的一件事是，我们如何降低加工成本?”印刷机的表面被印在玻璃上。他说道:“如果我们能够在此基础上进行改进，即完成这面镜子，那么这便是我们涉及知识产权的地方，那么最好的方法是什么呢?”
“成本是一个很大的驱动因素，所以对我们来说，制造负担得起的产品很重要”，尤其是对国防部(DoD)和私营部门来说。
“有很多应用，”Sanghera说。他列举了智能手机和手表等消费电子产品作为例子。尖晶石将在军队中作为面盾和车辆的透明装甲使用。
例如，目前使用的“防弹”窗户由许多塑料和玻璃层组成，厚度约为5英寸。Sanghera说:“如果你用尖晶石代替它，你的体重会减少两倍或更多。”
军方还将采用尖晶石来加强对飞机和其他平台上的可见光和红外摄像机的保护。
图片来源:美国海军/大众传播二级专家迈克尔·拉塞尔
玻璃不传输红外线，因此目前的光学系统是由“非常柔软和脆弱的奇异材料”制成的，并由几层材料组成，以弥补颜色变形。亚博网站下载
“这就是我们现在正在做的事情，开发新的光学材料，”Sanghera说。亚博网站下载尖晶石窗也有能力保护太空卫星上的传感器，这是Sanghera正在研究的。
他说:“你可以把这些设备放在那里很长一段时间，进入比现在更严酷的环境，然后让它们具备更多的能力。”
NRL还将为下一代(NEXTGEN)激光器采用尖晶石。“激光可以被认为是一个光学组成的盒子，”他说。“既有被动成分，也有主动成分:被动只是一扇保护窗;激活是我们改变另一端发出的光的颜色。”
在无源激光应用的情况下，如出口孔径或窗口，高质量是至关重要的。
“那扇窗户，如果有任何杂质或垃圾，它可以吸收激光，”Sanghera说。"当它吸收物质时，物质就会升温"窗户就会破裂。Sanghera的团队已经清楚地说明了超高纯度尖晶石粉的功能，这是他们在NRL洁净室中创造的。他们还说明了烧结如何用于创建高质量的激光器，甚至与其他材料的主动激光应用。亚博网站下载其他可以代替尖晶石的亚博网站下载材料是掺杂稀土离子的氧化钇或镥。NRL已经设法改变了这两种类型的激光材料和应用，以适应工业用途。亚博网站下载
Sanghera在伦敦帝国理工学院获得材料科学博士学位后，于1988年加入NRL。亚博网站下载亚博老虎机网登录他说:“一点一点地与人交谈，问问题，参加会议，你会发现，让这个地方运转的是解决问题。”“没有两天是相同的，这非常令人兴奋。”
起初，他对玻璃进行了实验，专注于玻璃的光纤。他目前在尖晶石上的成功可以归因于对纯度和质量的坚持。“一根光纤很长:它可以从1米到100公里。纯度非常重要，因为如果里面有垃圾，光线要么被吸收，要么被散射。”
他的实验室还参与制造轻型、经济的纤维，可用于直升机和其他平台上的红外对抗应用。通过把它穿过平台，“这种光纤可以将平台内部激光器的能量远程传输到外部的一个设备上，该设备可以跟踪激光束，然后将其发射出去，从而迷惑导弹。”
他承认:“在国防部，我们是发展光纤激光器的首要场所。这是我们高度参与的事情，所有不同类型的光纤、配置和材料需要使这些眼睛安全和NEXTGEN激光器。”亚博网站下载
Sanghera解释说，这种转变正在发生，例如，通过增加尺寸、重量和性能/功率(SWAP)，当前的能力得到了改善;“但革命是当你想出一些新想法时，你就能实现全新的能力。”他把这一切归功于NRL闻名的各个学科。“我们有很多聪明的人，我们有很多我称之为‘撞头会议’的会议，在那里我们讨论新的想法和机会。如果你不问问题，你就不会得到答案，也不会激发新的想法。”
他还将其归功于与工业界和NRL服务机构的密切关系。”我们与战争中心、系统人员进行对话，这样你所做的才会真正有价值。已经有应用了，我们只是想解决这个问题;所以在这个意义上它非常专注。”
参考文献