투명 세라믹스

Transparent ceramics
투명 스피넬(MgAlO24) 세라믹은 가시 파장과 중파장 적외선(0.2~5.0μm)의 우수한 투과성을 위해 전통적으로 고에너지 레이저 창과 같은 응용 분야에 사용됩니다(출처: 미국 해군 연구소[citation needed]).

유리 재료와 결정 재료 모두 많은 세라믹 재료가 벌크 고체 성분에서 박막, 코팅 및 [1]섬유와 같은 높은 표면적 형태에 이르기까지 다양한 형태의 광학 투명 재료로 사용되었습니다.이러한 장치는 유도광파 전송용 광섬유, 광스위치, 레이저 증폭기 및 렌즈, 고체 레이저용 호스트 및 가스 레이저용 광창 재료, 미사일 유도 시스템 및 IR용 적외선(IR) 열 탐색 장치 등 다양한 전기 광학 분야에 널리 사용되고 있다. 야시야시야시야시야시야시야시야시야시야.[2]

단결정 세라믹스는 대체로 결함이 없을 수 있지만(특히 입사광파의 공간적 규모 내), 다결정 재료의 광학 투명도는 미세 구조 특성에 의해 산란되는 빛의 양에 의해 제한됩니다.따라서 빛의 산란량은 입사 방사선 또는 빛의 [3]파장에 따라 달라집니다.

예를 들어 가시광선은 수백 나노미터의 파장 눈금을 가지고 있기 때문에 산란 중심은 비슷한 공간 눈금을 가지고 있을 것이다.알루미나와 그 화합물과 같은 대부분의 세라믹 재료는 미세한 가루로 형성되며 가시광선의 파장에 버금가는 산란 중심으로 채워진 미세한 다결정 미세 구조를 생성합니다.따라서 투명 재료와 달리 일반적으로 불투명합니다.그러나 최근의 나노 기술 덕분에 알루미나 AlO23, 이트리아 알루미나 가넷(YAG), 네오디뮴 도프 Nd:YAG.[4][5][6][7][8][9]

서론

합성 사파이어 – 단결정 산화 알루미늄 (사파이어 – AlO23)는 투명한 세라믹입니다.

투명한 도자기는 최근 높은 관심과 악명을 얻고 있다.레이저와 절삭공구, 투명 갑옷창, 야간투시장치(NVD), 열추적 미사일용 노즈콘 등이 기본 적용 대상이다.현재 사용 가능한 적외선(IR) 투명 재료는 일반적으로 광학 성능과 기계적 강도 사이에서 균형을 유지합니다.예를 들어, 사파이어(결정 알루미나)는 매우 강하지만 3 ~ 5 마이크로미터의 중간 IR 범위에 걸쳐 완전한 투명도가 부족합니다.Yttria는 3~5마이크로미터의 완전 투명하지만 고성능 항공 우주 응용 분야에 적합한 강도, 경도 및 내열 충격성이 부족합니다.이 두 재료를 YAG(Yttria-Alumina garnet) 형태로 조합하여 [2]이 분야에서 최고의 성능을 발휘하는 것으로 입증되었습니다.

1961년 제너럴 일렉트릭은 투명한 알루미나 루칼록스 [10]전구를 판매하기 시작했다.1966년 GE는 이트랄록스라고 불리는 "유리처럼 투명한"[11] 세라믹을 발표했다.2004년 Anatoly Rosenflanz와 3M의 동료들은 광학 특성이 뛰어난 고강도 유리 세라믹을 생산하기 위해 산화 알루미늄(또는 알루미나)과 희토류 금속 산화물을 합금하는 "불꽃 스프레이" 기술을 사용했습니다.이 방법은 기존의 유리 성형에서 발생하는 많은 문제를 방지하고 다른 산화물까지 확장할 수 있습니다.이 목표는 솔-겔 화학 및 나노 [12][13][14][15][16]기술 방법에 포함된 새로운 화학 처리 방법을 사용하여 전 세계 실험실 및 연구 시설에서 쉽게 달성되고 충분히 입증되었다.

유리 재료와 결정 재료 모두 많은 세라믹 재료가 고체 레이저의 숙주 및 가스 레이저의 광학 창 재료로서 사용되었습니다.최초의 레이저 작동은 1960년 말리부에 있는 휴즈 연구소에서 찰스 H가 이끄는 다른 연구팀들보다 우위를 점한 테오도르 H. 마이만이 만들었다. 콜롬비아 대학의 타운즈, 벨 연구소의 아서 숄로우, TRG(Technical Research Group)의 굴드.마이만은 694나노미터(nm) 파장의 적색 레이저광을 내기 위해 고체 광펄프 합성 루비를 사용했다.합성 루비 레이저는 여전히 [17][18]사용되고 있다.사파이어와 루비는 모두 산화 알루미늄(Al2O3)의 결정 형태인 코룬덤입니다.

크리스탈

루비 레이저는 단결정 사파이어 알루미나(AlO23) 로드에 소량의 크롬 Cr(일반적으로 0.05% 범위)을 도핑합니다.단면은 평면 및 병렬 구성으로 고도로 광택이 납니다.네오디뮴 도프 YAG(Nd:YAG)는 최고의 고체 레이저 재료 중 하나입니다.다양한 레이저 애플리케이션에서 이 제품의 확실한 우위는 긴 자연 방출 수명을 가진 높은 방출 단면, 높은 손상 임계값, 기계적 강도, 열전도율 및 낮은 열빔 왜곡의 조합에 의해 결정됩니다.Nd의 Czochralski 결정 성장:YAG는 성숙하고 재현성이 높으며 비교적 단순한 기술적 절차로 재료의 가치를 크게 높입니다.

Nd: YAG 레이저는 다양한 금속 및 플라스틱을 조각, 식각 또는 마킹하기 위해 제조에 사용됩니다.강철 및 다양한 합금의 절단 및 용접 제조에 광범위하게 사용됩니다.자동차 애플리케이션(절삭 및 용접 강철)의 경우 전력 레벨은 일반적으로 1~5kW입니다.[19] 추가로, Nd:YAG 레이저는 안과에서 백내장 수술 후에 발생할 수 있는 증상인 후낭 조영술과 급성 폐쇄성 녹내장 환자의 말초 홍채 절개술을 교정하기 위해 사용되며, 이 경우 홍채 절제술이 외과적 홍채 절제술을 대체하게 됩니다.주파수 배율 Nd:YAG 레이저(파장 532 nm)는 당뇨병 망막증 환자의 망막 광응고에 사용됩니다.종양학에서는 Nd:YAG 레이저는 피부암 [20]제거에 사용할 수 있습니다.이 레이저들은 레이저 제모 및 얼굴과 다리의 거미 정맥 등 경미한 혈관 결손 치료에도 널리 사용된다.최근에는 두피에서 발생하는 희귀 피부병인 봉합염을 해부하는 데 사용됩니다.산부인과 분야에서 히스테리 내시경 검사를 사용하여 Nd:YAG레이저는 [21]자궁내부 자궁중격 제거에 사용되어 왔다.치의학 분야 Nd:YAG 레이저는 구강 내 연조직 수술에 사용된다.

현재 축구장만한 고출력 Nd: 유리레이저는 관성구속융합, 핵무기 연구, 기타 고에너지 밀도 물리학 실험에 사용되고 있다.

안경

유리(비결정 세라믹)는 레이저의 숙주 재료로도 널리 사용됩니다.결정성 레이저에 비해 크기와 형상의 유연성이 향상되어 광학 특성이 뛰어난 크고 균질한 등방성 고체로 쉽게 제조할 수 있습니다.유리 레이저 호스트의 굴절률은 약 1.5~2.0 사이로 변화할 수 있으며, n의 온도계수와 변형률-광학계수 모두 화학조성을 변경하여 조정할 수 있다.그러나 안경은 알루미나 또는 YAG보다 열전도율이 낮기 때문에 연속적이고 높은 반복률의 [19]용도에 사용하는 데 제한이 있습니다.

유리와 결정성 세라믹 레이저 숙주 재료의 주요 차이점은 비정질 고체에서 레이저 이온의 국소 환경에서의 큰 변화와 관련이 있습니다.이것은 안경의 형광 수치의 확대로 이어진다.예를 들어 YAG의 Nd 방출3+ 폭은 약 10 앵스트롬인데 반해 일반적인 산화물 유리에서는 약 300 앵스트롬이다.안경의 형광 라인이 넓어지기 때문에 결정성 고체 레이저 [19]호스트의 동일한 레이싱 이온에 비해 연속파 레이저 작동(CW)을 얻기가 더 어렵습니다.

투명 갑옷에는 일반 판유리(소다 라임 실리카), 붕규산 유리, 융착 실리카 등 여러 가지 유리가 사용된다.판유리는 저렴한 가격 때문에 가장 일반적으로 사용되는 유리입니다.그러나 광학적 특성과 탄도 성능에 대한 더 큰 요구사항으로 인해 새로운 재료의 개발이 필요하게 되었습니다.화학적 또는 열처리는 유리의 강도를 증가시킬 수 있으며, 특정 유리 조성물의 제어된 결정화는 광학 품질의 유리 세라믹스를 생산할 수 있습니다.Alstom Grid Ltd.는 현재 트랜스암으로 알려진 리튬 디실리케이트 기반의 유리 세라믹을 생산하고 있으며, 투명 갑옷 시스템에 사용됩니다.비정질 유리의 모든 가공성을 갖추고 있지만 재결정화 시 결정성 세라믹과 유사한 특성을 보여줍니다.Vycor는 96% 용융 실리카 글라스로 투명하고 가볍고 강도가 높습니다.이러한 유형의 재료의 장점 중 하나는 큰 시트와 다른 [22][23]곡선으로 제작할 수 있다는 것입니다.

나노 물질

고순도 나노 입자와 분말의 저온 소결로 생성되는 미세한 세라믹 나노 물질로 만들어진 레이저 소자(앰프, 스위치, 이온 호스트 등)를 비교적 저렴한 비용으로 생산할 수 있다는 것이 최근에 밝혀졌다.이러한 구성 요소는 내부 응력이나 내재 복굴절 없이 비교적 큰 도핑 수준 또는 최적화된 맞춤형 도핑 프로파일을 가능하게 합니다.이는 세라믹 나노물질의 사용이 고에너지 레이저 소자와 용도에 특히 중요하다는 것을 강조합니다.

고순도 나노 입자와 분말의 소결로 만들어진 다결정 나노 물질의 1차 산란 중심에는 잔류 다공성 및 입자 경계와 같은 미세 구조 결함이 포함됩니다(투명 재료 참조).따라서 불투명도는 부분적으로 내부 표면과 인터페이스에서 일관되지 않은 빛의 산란에서 비롯된다.다공성 외에도 세라믹 나노물질의 대부분의 계면 또는 내부 표면은 결정질서의 나노 크기 영역을 분리하는 입자 경계 형태입니다.또한 산란중심(또는 입자경계)의 크기가 산란되는 빛의 파장 크기보다 훨씬 작아지면 빛의 산란이 유의하게 발생하지 [24]않게 된다.

광기계성이 뛰어난 고성능 세라믹 나노물질을 악조건 하에서 가공할 때 결정립의 크기는 주로 대상물의 합성 또는 형성 시 원료에 존재하는 결정립자의 크기에 따라 결정된다.따라서 원래 입자 크기를 가시광선 파장(~ 0.5μm 또는 500nm)보다 훨씬 낮게 감소시키면 빛의 산란을 대부분 제거하여 반투명하거나 심지어 투명한 물질이 생성됩니다.

또한 소결 세라믹 나노물질의 미세한 기공은 주로 미세결정 입자의 접합부에 갇혀 빛을 산란시켜 진정한 투명성을 저해하는 것으로 나타났다.고품질 광전송을 위해서는 나노스케일 모공(입자간 및 입자내 다공성)의 총 부피율이 1% 미만이어야 한다는 것이 관찰되었다. 즉, 밀도가 이론 결정 [12][25]밀도의 99.99%여야 한다.

레이저

Nd: YAG

예를 들어 1.46kW Nd:YAG레이저는 일본의 코노시마 화학에 의해 실증되었다.또한, 리버모어 연구원들은 이러한 미세한 세라믹 나노 물질이 NIF(National Ignition Facility) 프로그램 디렉터테이트에서 사용되는 고출력 레이저에 큰 도움이 될 수 있다는 것을 깨달았습니다.특히 리버모어 연구팀은 리버모어의 고체 열용량 레이저(SSHCL)에 필요한 광학적 요건을 충족시킬 수 있는지를 결정하기 위해 코노시마로부터 첨단 투명 나노물질을 입수하기 시작했다.리버모어 연구진은 레이저 구동 핵융합 [26]발전소의 고급 드라이버와 같은 응용 분야에 대한 이러한 재료의 응용 테스트도 진행했습니다.

NIF의 여러 작업자의 도움을 받아 Livermore 팀은 투명 Nd: 15mm 직경 샘플을 제작했습니다.나노 크기의 입자와 분말로부터 YAG를 추출하여 품질에 영향을 미치는 가장 중요한 매개변수를 결정하였습니다.이들 물체에서 연구팀은 주로 일본의 생산 및 가공 방법론을 따랐고 나노파우더를 진공 소결하기 위해 내부 난로를 사용했다.그런 다음 모든 검체를 열간 등정압(HIP)을 위해 보냈습니다.마지막으로 코팅 및 테스트를 위해 구성 요소를 Livermore로 반송했으며, 그 결과 탁월한 광학 품질과 특성을 [26]알 수 있었습니다.

한 일본/동인도 컨소시엄은 레이저 응용용 투명 YAG 나노물질에서 Nd의 분광3+ 및 자극 방출 특성에 특히 초점을 맞추고 있다.그들의 재료는 진공 소결 기술을 사용하여 합성되었다.스펙트럼 분석 연구는 흡수 및 방출의 전반적인 개선과 산란 손실의 감소를 제시한다.주사전자현미경 및 투과전자현미경 관찰 결과, 세공용적이 적고 입자 경계폭이 좁은 우수한 광학 품질을 보였습니다.형광 및 라만 측정 결과 Nd 도프 YAG 나노물질은3+ 복사 및 비방사성 특성 모두에서 단결정 물질과 품질이 비슷하다는 것을 알 수 있습니다.개별 스타크 수준은 흡수 및 형광 스펙트럼에서 구하며 물질에서 가능한 자극 방출 채널을 식별하기 위해 분석된다.레이저 성능 연구는 효율적인 마이크로칩 레이저 설계에 높은 도판트 농도를 사용하는 것을 선호합니다.도판트가 4 at%일 때 그룹은 40%의 경사 효율을 얻었습니다.고출력 레이저 실험에서는 Nd(0.6at%) YAG 나노물질의 광-광 변환 효율이 30%인데 비해 Nd(0.6at%) YAG 단결정은 34%입니다.이러한 재료에서 수행된 광학 게인 측정도 단결정과 동등한 값을 나타내며, 이러한 재료는 고체 레이저 애플리케이션에서 [27]단결정 대신 적합할 수 있다는 주장을 뒷받침합니다.

이트리아, YO23

투명한 산화 이트륨 나노물질 개발의 초기 작업은 1960년대에 제너럴 일렉트릭에 의해 수행되었다.

1966년, 투명한 도자기인 이트랄록스가 리차드 C 박사에 의해 발명되었다.제너럴 일렉트릭 리서치 연구소의 Anderson, GE의 Metallurgy and 세라믹스 연구소의 Drs.폴 J. 조겐슨, 조셉 H. 로솔로스키, 더글러스 세인트.피에르.이트랄록스는 "유리처럼 투명하고" 녹는점이 두 배 [11]높으며 가시광선뿐만 아니라 근적외선 [28]대역의 주파수를 전달한다.

IR 100 Award, Yttralox, 1967년
이트랄록스 투명 세라믹스 원석
리처드 C.이트랄록스 샘플을 들고 있는 앤더슨

이트륨 세라믹 나노물질의 추가 개발은 1970년대에 제너럴 일렉트릭(General Electric)이 조명 및 세라믹 레이저 [28]응용을 통해 수행했습니다.산화토륨(ThO2)이 최대 10% 함유된 투명한 산화이트륨23 YO는 그레스코비치(Greskovich)와 우즈가 제작했습니다.[29]이 첨가제는 고밀도화 과정에서 곡물의 성장을 조절하는 역할을 하므로, 다공성이 곡물의 경계에 머무르고 소결 초기 단계에서 제거하기가 매우 어려운 곡물에 갇히지 않습니다.일반적으로 열처리 중에 다결정 세라믹이 밀도가 높아짐에 따라 입자의 크기는 커지고 나머지 다공성은 부피율과 크기 모두에서 감소합니다.광학적으로 투명한 세라믹은 사실상 공극이 없어야 합니다.

GE의 투명한 이트랄록스 다음으로 GTE의 란타나 도프 이트리아가 비슷한 [30]수준의 첨가제를 첨가했다.이 두 재료 모두 2000°C 이상의 온도에서 긴 점화 시간이 필요했습니다.LaO23 – 도프23 YO는 산화물을 전달하는 가장 긴 파장 중 하나이기 때문에 적외선(IR) 응용 분야에서 관심을 끌고 있습니다.녹는점이 2430°C인 내화물이며 열팽창 계수가 중간 수준입니다.내열성 및 내식성은 산화물 중 중간 수준이지만 비산화물 IR 전달 물질에 비해 탁월합니다.주요 고려사항은 가열 시 배경 방사선을 제한하는 yttria의 낮은 방사율이다.또한 물질이 가열됨에 따라 포논 가장자리가 점점 [31]더 짧은 파장으로 이동하는 것으로 알려져 있다.

또한 ytrria 자체에서23 YO는 미래의 고체 레이저 물질로 명확하게 식별되었습니다.특히 이터튬을 도판트로 하는 레이저를 사용하면 cw[32] 작동 [33]및 펄스 작동 모두에서 효율적인 작동이 가능합니다.

고농도 들뜸(1% 정도) 및 냉각 불량 시 레이저 주파수에서의 방출 담금질 및 눈사태 광대역 방출이 발생합니다.[34]

미래.

리버모어 팀은 또한 초기 나노파워를 화학적으로 합성하는 새로운 방법을 모색하고 있다.연구팀은 지난 5년간 CMS에서 개발한 전문 지식을 바탕으로 솔-겔 처리를 기반으로 나노파우더를 합성한 후 그에 따라 소결하여 고체 레이저 성분을 얻고 있다.시험 중인 또 다른 기술은 이트륨, 알루미늄, 네오디뮴을 포함한 유기 고체를 연소시켜 분말을 생성하는 연소 과정을 이용한다.그 다음 연기가 수집되는데, 이것은 구형 나노 [26]입자로 구성되어 있다.

또한 Livermore 팀은 보다 다양하고 복잡한 모양을 만들 수 있는 새로운 성형 기술(예: 압출 성형)을 연구하고 있습니다.여기에는 펌프 조명에 대한 결합을 개선하고 보다 효율적인 열 전달을 위해 셸과 튜브가 포함됩니다.또한 서로 다른 재료를 함께 추출하여 모노리식 투명 고체로 소결할 수 있습니다.증폭 슬래브는 레이저 다이오드로부터의 펌프광을 슬래브 [26]중심 부근에 고농도 도판트 이온을 가진 영역으로 집중시키기 위해 구조의 일부가 유도광파 투과로 작용하도록 형성될 수 있다.

일반적으로 나노물질은 기존의 단일 결정질 세라믹에서 가능한 것보다 훨씬 더 큰 크기의 저비용, 고급 레이저 부품의 가용성을 크게 증가시킬 수 있습니다.레이저 설계의 많은 클래스는 내장 에지 클래딩으로 증폭하는 것과 같은 나노 물질 기반 레이저 구조로부터 이익을 얻을 수 있습니다.나노물질은 또한 비축 관리를 위한 고피크 전력, 핵융합 등급 레이저에 보다 견고하고 콤팩트한 설계를 제공할 수 있을 뿐만 아니라 전지구적 ICBM 미사일 방어 시스템(예: 전략 방어 이니셔티브 SDI 또는 최근에는 미사일 방어국)[26]에 높은 평균 전력 레이저를 제공할 수 있다.

야경

파노라마 나이트 비전 고글 테스트 중.

야간투시장치(NVD)는 완전한 어둠에 가까운 빛의 수준에서 이미지를 생성할 수 있는 광학기기입니다.군과 법 집행 기관에서 가장 자주 사용하지만 민간 사용자도 사용할 수 있습니다.야간투시장치는 [35]제2차 세계 대전 때 처음 사용되었고 베트남 전쟁 때 널리 사용되었습니다.이 기술은 도입 이후 크게 발전하여 성능이 향상되고 가격이 낮아지는 몇 세대에 걸친 야간 투시 장비로 이어졌다.미 공군은 보다 표준적인 [36][37]2개의 18mm 튜브가 아닌 4개의 16mm 이미지 강화 튜브를 사용하여 사용자의 시야를 약 95도로 두 배로 늘리는 파노라마 나이트 비전 고글(PNVG)을 실험 중이다.

열화상은 물체에 의해 방출, 전송 및 반사되는 적외선(IR) 에너지의 양을 시각적으로 표시하는 것입니다.적외선의 에너지원은 여러 개이기 때문에 이 방법으로는 물체의 정확한 온도를 측정하기가 어렵다.서멀 촬상 카메라는, 그 데이터를 해석해 화상을 작성하는 알고리즘을 실행할 수 있습니다.이 이미지는 뷰어에 물체가 작동하는 온도의 근사치를 보여주지만 카메라는 물체를 둘러싼 영역에 따라 여러 데이터 소스를 사용하여 온도를 감지하는 것이 아니라 값을 결정합니다.

야간 투시 적외선 장치는 가시 스펙트럼 바로 너머의 근적외선으로 영상을 촬영하며, 완전한 시각 어둠 속에서 근적외선으로 방출되거나 반사되는 것을 볼 수 있습니다.절대 영점 온도(0K) 이상의 모든 물체는 적외선을 방출합니다.따라서 열변화를 측정하는 가장 좋은 방법은 적외선 비전 장치, 보통 초점면 어레이(FPA) 적외선 카메라를 사용하는 것으로, MWIR 및 LWIR로 표시되는 중간(3~5μm) 및 긴(7~14μm)파 적외선 대역의 방사선을 검출할 수 있다.물체 표면의 비정상적인 온도 프로파일은 잠재적인 [38]문제를 나타냅니다.적외선 서모그래피, 서멀 이미징 및 서멀 비디오는 적외선 이미징 과학의 예입니다.열영상 카메라는 전자파 스펙트럼의 적외선 범위(약 900–14,000 나노미터 또는 0.9–14 μm)의 방사선을 감지하여 온도그램이라고 하는 방사선의 이미지를 생성합니다.

적외선은 실온에 가까운 모든 물체에 의해 방출되기 때문에 흑체방사선법에 따르면 서모그래피는 가시광선이 있든 없든 사람의 환경을 볼 수 있게 해준다.물체에 의해 방출되는 방사선의 양은 온도에 따라 증가한다.따라서 온도조영술은 온도변화를 볼 수 있게 해준다.열화상 카메라를 통해 보면 따뜻한 물체는 차가운 배경에 비해 눈에 잘 띄며, 사람과 그 밖의 온혈동물은 낮이든 밤이든 환경으로부터 쉽게 볼 수 있습니다.그 결과, 서모그래피는 특히 군과 보안 서비스에 유용하다.

사자의 체온도

서모그래피

열영상촬영에서는 8~13마이크로미터의 파장을 가진 적외선 방사선이 검출기 물질에 닿아 가열되어 전기 저항이 변화합니다.이 저항 변화는 이미지를 생성하는 데 사용할 수 있는 온도로 측정 및 처리됩니다.다른 적외선 검출 장비와 달리 투명 세라믹 검출기를 사용하는 마이크로볼로미터는 냉각이 필요하지 않습니다.따라서 마이크로볼로미터는 본질적으로 냉각되지 않은 열 [39]센서입니다.

검출기에 사용되는 물질은 미세한 온도 변화의 결과로 큰 저항 변화를 보여야 한다.재료가 가열되면 들어오는 적외선에 의해 재료의 저항이 감소한다.이는 물질의 저항 온도 계수(TCR) 특히 음의 온도 계수와 관련이 있습니다.업계는 현재 TCR이 -2%[40]에 육박하는 재료를 함유한 마이크로볼로미터를 제조하고 있다.

VO2 및25 VO

적외선 방사 마이크로볼로미터에서 가장 일반적으로 사용되는 세라믹 재료는 바나듐 산화물입니다.바나듐 산화물의 다양한 결정 형태는 VO와25 VO를 포함한다2.고온에서 증착하여 소둔 후 처리를 함으로써 우수한 성질을 가진 결정성 화합물의 박막을 제조할 수 있으며, 이는 제조 프로세스에 쉽게 통합될 수 있다.VO는2 저항이 낮지만 67°C 부근에서 금속 절연체 상변화를 겪고 TCR 값도 낮습니다.한편25, VO는 높은 저항과 [39]높은 TCR을 나타낸다.

조사된 다른 IR 투명 세라믹 재료로는 도프 형태의 CuO, MnO 및 SiO가 있습니다.

미사일

AIM-9 사이드와인더
US Navy 980220-N-0507F-003 U.S. Marine Corps Lance Cpl. Leander Pickens arms an AIM-9 Sidewinder missile on a FA-18C Hornet.jpg
원산지미국

투명 갑옷 용액에 관심이 있는 많은 세라믹 나노 재료는 전자파(EM) 창에도 사용됩니다.이러한 애플리케이션에는 레이돔, IR 돔, 센서 보호 및 멀티 스펙트럼 창이 포함됩니다.전송 윈도우 및 관련 컷오프(UV – IR)가 윈도우가 작동하는 스펙트럼 대역폭을 제어하기 때문에 이러한 애플리케이션에 사용되는 소재의 광학 특성은 매우 중요합니다.이러한 재료는 대부분의 장갑 용도에 공통되는 내마모성과 강도 특성을 가져야 할 뿐만 아니라 군용 항공기 및 비산물의 환경과 관련된 극한의 온도 때문에 우수한 열 [23]안정성을 가져야 한다.

열복사는 물체의 표면에서 방출되는 전자기 방사선으로, 물체의 온도에 기인합니다.적외선 호밍은 스펙트럼의 적외선 부분에 있는 전자파 방사 대상으로부터의 방출을 이용하여 이를 추적하는 수동형 비산물 유도 시스템을 말한다.적외선 탐색을 사용하는 비산물은 종종 "열 시커"라고 불리는데, 이는 적외선이 가시광선 주파수 스펙트럼 바로 아래에 있고 뜨거운 물체에 의해 강하게 방사되기 때문이다.사람, 자동차 엔진, 항공기와 같은 많은 물체는 열을 발생시키고 유지하며,[41][42][43][44] 따라서 특히 배경에 있는 물체에 비해 적외선 파장의 빛에서 볼 수 있다.

사파이어

현재 고속 적외선 유도 미사일 돔의 재료는 단결정 사파이어입니다.사파이어의 광전송은 중적외선 범위 전체(3~5μm)로 확장되지 않고 실온에서 약 4.5μm 이상의 파장에서 감소하기 시작합니다.사파이어의 강도는 실온에서 다른 중거리 적외선 돔 재료보다 우수하지만 최대 600°[45]C 이상에서는 약해집니다.

현재 제작 한계를 초과하기 위해서는 대형 유도로와 고가의 공구 다이가 필요하기 때문에 넓은 면적의 사파이어에 대한 제한은 종종 비즈니스와 관련이 있습니다.그러나, 산업으로서 사파이어 생산자는 코팅 경화 유리와 새로운 세라믹 나노 재료에 직면하여 경쟁력을 유지하고 있으며, 여전히 높은 성능과 확대된 [23]시장을 제공할 수 있었다.

이트리아, YO23

산화 이트륨과 같은 대체 재료는 광학 성능은 높지만 기계적 내구성은 낮습니다.미래의 고속 적외선 유도 미사일은 넓은 파장 범위에서 최대의 투명성을 유지하면서 현재 사용되는 것보다 훨씬 더 내구성이 뛰어난 새로운 돔을 필요로 할 것이다.현재의 단상 적외선 전송 재료 집합 내에서 광학 대역 패스와 기계적 내구성 사이에 오랜 시간 동안 절충이 존재하여 비산물 설계자는 시스템 성능을 타협해야 합니다.광학 나노 컴포지트는 기존의 타협점을 극복하는 새로운 소재를 설계할 기회를 제공할 수 있습니다.

나노 크기의 세라믹 가루로 제조된 투명 이트리아의 첫 번째 실물 크기의 미사일 돔은 1980년대에 해군 자금 지원 하에 개발되었습니다.Raytheon은 도프되지 않은 다결정 이트리아를 완성하고 특징지었으며, Lanthana 도프 이트리아는 GTE Labs에 의해 비슷하게 개발되었습니다.두 버전은 IR 투과율, 파괴 인성 및 열팽창성이 비슷했지만, 비도프 버전은 열 전도율이 두 배였습니다.

이트리아 창문과 돔에 대한 새로운 관심은 아마이크로미터 또는 나노사이즈 입자를 가진 나노스케일 재료를 사용하여 기계적 특성을 강화하려는 노력을 촉진시켰다.한 연구에서는 테스트 및 평가를 위해 나노 크기의 분말을 제공하기 위해 3개의 벤더를 선정했으며, 이들은 투명한 이트리아를 제조하기 위해 이전에 사용되었던 기존(5μm) 이트리아 분말과 비교되었습니다.평가된 나노파워는 모두 불순물 수치가 너무 높아서 완전한 투명성을 발휘할 수 없었지만, 그 중 2개는 이론적인 밀도와 중간 정도의 투명도로 처리되었다.샘플은 1400C의 [46]낮은 온도에서 닫힌 모공 상태로 소결되었습니다.

비교적 짧은 소결기간을 거친 후 열등정압착기(HIP)에 넣어 초기 소결과 비슷한 온도에서 3~10시간 정도 가공한다.적용된 등정압은 원자 확산 계수를 크게 증가시킴으로써 밀도화를 위한 추가적인 추진력을 제공하며, 이는 입자 경계 및 입상 기공 또는 입상 기공 근처에서 추가적인 점성 흐름을 촉진한다.이 방법을 사용하여 열전도율을 [46]저하시키는 추가 첨가제 없이 저온, 저소성 총소성 시간, 투명한 이트리아 나노 물질을 생산하였다.

최근에는 1600°C에서 진공 소결 후 1500°C에서 고온 등압 프레스(HIP)를 통해 고도로 응집된 시판 분말을 결합하는 유리 캡슐화 방법을 사용하는 새로운 방법이 Mouzon에 의해 개발되었습니다.진공 소결 후 열린 다공성을 보이는 검체를 HIP 처리를 위해 진공 유리 캡슐을 사용하여 투명하게 소결할 수 있었습니다.조사된 분말의 소결반응은 반사 및 투과 모두에서 주사전자현미경법과 광학현미경을 이용한 세심한 미세구조관측을 통해 연구되었다.이 방법의 핵심은 소결 전 단계에서 다공성을 입상 간으로 유지하여 HIP 처리를 통해 제거할 수 있도록 하는 것입니다.촘촘하게 채워진 입자의 응집체는 완전히 밀도가 높고 입상 간 [47]다공성만 남기 때문에 이러한 목적에 도달하는 데 도움이 되는 것으로 밝혀졌다.

컴포지트

레이시온에서 작업하기 전에는 나노 복합 세라믹 재료의 광학 성질이 거의 주목을 받지 못했습니다.이들의 연구는 나노 복합 광학 세라믹스에서의 이론적인 전달에 가까운 것을 처음으로 명확히 보여주었다.이트리아/마그네시아 바이너리 시스템은 나노 복합체 형성에 이상적인 모델 시스템입니다.구성상 중 하나에서 고체 용해도가 제한되므로 광범위한 조성물을 조사하고 서로 비교할 수 있습니다.위상도에 따르면 bi-phase mixet는 2100 °C 이하의 모든 온도에서 안정적입니다.또한 이트리아와 마그네시아 모두 EM 스펙트럼의 3~5μm 중간 범위 IR 부분에서 흡수를 보이지 않는다.

광나노복합체에서는 서브마이크로미터 크기의 완전밀도체 내에 2개 이상의 상호투과상이 혼입되어 있다.적외선 산란은 개별 상 입자 크기가 적외선 파장보다 훨씬 작으면 재료 내에서 최소화(또는 제거)될 수 있습니다.실험 데이터에 따르면 나노 복합체의 입자 크기를 빛의 파장의 약 1/15로 제한하는 것은 산란을 제한하기에 충분합니다.

이트리아와 마그네슘의 나노 콤포지트는 입경이 약 200 nm로 생성되었습니다.이 재료들은 3~5μm 범위에서 양호한 투과성을 보이며 단상 개별 [48][49]성분보다 강도가 높다.나노 복합 세라믹 재료의 기계적 특성 향상은 광범위하게 연구되어 왔다.SiC/AlO23, SiC/SiN34, SiC/MgO 및 AlO23/ZrO를2 [50][51][52]포함한 시스템에서 강도(2~5배), 인성(1~4배), 크리프 저항이 크게 증가하였다.

관측된 강화 메커니즘은 재료 시스템에 따라 다르며, 주어진 시스템 내에서도 강화 메커니즘에 대한 일반적인 합의가 없는 것으로 보인다.예를 들어 SiC/AlO23 시스템에서는 AlO23 매트릭스에 SiC 입자를 추가하면 파괴 메커니즘이 입자간(입자간)에서 입자내(입자내)로 변경되는 것으로 널리 알려져 있다.강도 향상에 대한 설명은 다음과 같습니다.

  • 나노 컴포지트 제작 중 가공 결함 농도의 간단한 감소.
  • 재료의 임계 결함 크기 감소 - 홀-페치 관계에 의해 예측된 강도 증가)
  • 가공온도의 냉각에 따른 잔류열응력에 의한 나노상 입자의 균열편향.
  • 매트릭스 [53]재료의 응력 유도 전위를 따른 미세 균열.

갑옷

스펙트럼의 가시 영역(0.4~0.7마이크로미터)과 중적외선 영역(1~5마이크로미터) 주변에서 빛을 투과할 수 있는 능력을 가진 고강도 견고한 소재에 대한 군사 분야의 필요성이 증가하고 있다.이러한 재료는 투명 장갑이 필요한 애플리케이션에 필요합니다.투명 갑옷은 광학적으로 투명하면서도 파편이나 탄도 충격으로부터 보호되도록 설계된 재료 또는 시스템입니다.투명 방어 시스템의 주요 요건은 지정된 위협을 물리칠 뿐만 아니라 주변 영역의 왜곡을 최소화하면서 멀티 히트 기능을 제공하는 것입니다.투명 갑옷 창문은 야간 투시 장비와 호환되어야 합니다.더 얇고 가볍고 탄도 성능이 더 좋은 신소재를 [54][55]찾고 있습니다.

기존의 투명 갑옷 시스템은 일반적으로 폴리머(예: 폴리카보네이트) 인터레이어로 분리된 여러 층을 가지고 있습니다.폴리머 인터레이어는 열팽창 미스매치로 인한 응력을 완화할 뿐만 아니라 세라믹에서 폴리머로 균열이 전파되는 것을 막기 위해 사용됩니다.폴리카보네이트는 현재 바이저, 페이스 실드 및 레이저 보호 고글과 같은 용도에도 사용됩니다.가벼운 재료를 찾는 것은 또한 투명한 나일론, 폴리우레탄, 아크릴과 같은 다른 고분자 재료에 대한 조사로 이어졌다.투명 플라스틱의 광학적 특성과 내구성은 갑옷 용도로 사용을 제한합니다.1970년대에 실시된 조사에서는 폴리우레탄을 갑옷 재료로 사용할 가능성이 있는 것으로 나타났지만, 투명 갑옷 [22]적용에는 광학적인 특성이 충분하지 않았다.

투명 갑옷에는 일반 판유리(소다 석회실리카), 붕규산 유리, 융착 실리카 등 여러 가지 유리들이 사용된다.판유리는 저렴한 가격 때문에 가장 일반적으로 사용되는 유리였지만 광학 특성과 탄도 성능에 대한 요구 사항이 증가하여 새로운 재료의 필요성이 대두되었습니다.화학적 또는 열처리는 유리의 강도를 증가시킬 수 있으며, 특정 유리 시스템의 제어된 결정화는 투명한 유리 세라믹을 생성할 수 있습니다.Alstom Grid Research & Technology(영국 Stafford)는 트랜스암(TransArm)으로 알려진 리튬 불산염 기반 유리 세라믹을 생산하여 차량 앞유리 크기(및 그 이상)를 지속적으로 생산하는 투명 갑옷 시스템에 사용하였습니다.유리 세라믹과 유리 세라믹의 본질적인 장점은 대부분의 다른 세라믹 재료보다 저렴한 비용, 곡선으로 제작할 수 있는 능력, 그리고 큰 [56]시트로 제작할 수 있는 능력 등이다.

투명한 결정성 세라믹은 지능적인 위협을 물리치기 위해 사용된다.현재 투명 후보로는 알루미늄 옥시질화물(AlON), 마그네슘 알루민산 스피넬(스피넬), 단결정 산화알루미늄(사파이어) 등 3가지가 있다.

산화질화알루미늄 스피넬

알루미늄 옥시질화물 스피넬(AlON)은23275 투명 장갑의 주요 후보 제품 중 하나입니다.Surmet Corporation이 상표 ALON으로 생산합니다.산화알루미늄에 질소를 포함시키면 결정성 스피넬상이 안정화됩니다. 스피넬상은 입방체 결정구조와 단위세포로 인해 투명한 세라믹 나노물질로 생산될 수 있는 등방성 물질입니다.따라서 열간 등정압착, 슬립주조 [22]등 기존의 세라믹 성형기법을 이용하여 미세 다결정 나노물질을 제작하여 복잡한 기하학적 형상으로 형성할 수 있다.

서멧은 레이시온 ALON 사업을 인수해 현재 투명아머, 센서창, 렌즈, 돔 등 IR광학 분야와 반도체 시장에서의 쿼츠, 사파이어 대안으로 시장을 구축하고 있다.AlON 기반의 투명 장갑은 30cal를 포함한 멀티 히트 위협을 방지하는 테스트를 거쳤습니다.APM2 라운드 및 50calAPM2 라운드가 성공했습니다.AlON의 높은 경도는 슈퍼마켓에서 사용되는 것과 같은 유리 스캐너 창문의 가장 내구성이 높은 코팅도 능가하는 긁힘 방지성을 제공합니다.Surmet은 15인치 x 18인치 커브드 AlON 윈도우를 성공적으로 제작했으며, 현재 기술을 확장하고 비용을 절감하려고 시도하고 있습니다.또한, 미 육군과 공군은 모두 차세대 애플리케이션 [22][57][58]개발을 모색하고 있다.

스피넬

마그네슘 알루민산 스피넬(MgAlO24)은 큐빅 결정구조를 가진 투명 세라믹으로 0.2~5.5마이크로미터의 광투과성이 우수하며 다결정체 형태이다.광품질 투명 스피넬은 소결/HIP, 핫 프레스, 핫 프레스/HIP 가공으로 제작되었으며, 핫 아이소스타틱 프레스를 사용하면 광학적,[22][59] 물리적 특성을 향상시킬 수 있는 것으로 나타났다.

Spinel은 Alon에 비해 가공상의 이점이 몇 가지 있는데, 예를 들어 Alon 가루는 Raytheon에 독점되어 있는 반면, Pinel 가루는 상업적인 제조업체에서 구할 수 있습니다.또한 AlON보다 훨씬 낮은 온도에서 처리할 수 있으며 적외선(IR) 영역 내에서 뛰어난 광학 특성을 가진 것으로 나타났습니다.개선된 광학 특성은 보호 비산물 돔의 흡수 [22][60][61]특성에 의해 효과적인 통신이 영향을 받는 센서 애플리케이션에서 스피넬을 매력적으로 만든다.

Spinel은 많은 어플리케이션에서 유망하지만 현재 어떤 제조사에서도 대량으로 구입할 수 없지만, Spinel을 상용화하기 위한 노력은 진행 중입니다.스피넬 제품 사업은, 「Technology Assessment and Transfer」와 「Surmet Corporation」의 2개의 주요 미국 메이커에 의해서 추진되고 있습니다.

문헌에 대한 광범위한 NRL 검토 결과 스피넬의 밀도화 역학을 제대로 이해하지 못했기 때문에 고품질 스피넬을 만들려는 시도가 지금까지 실패했음을 명확히 알 수 있었다.그들은 스피넬의 고밀도화 과정에서 수반되는 역학에 대한 광범위한 연구를 수행했다.그들의 연구는 LiF가 필요하기는 하지만 밀도화 마지막 단계에서 매우 부정적인 영향을 미친다는 것을 보여주었다.또한 전구체 스피넬 분말에서의 분포가 매우 중요하다.

LiF 소결 보조제를 분말에 혼합하는 데 사용되는 기존의 벌크 혼합 공정은 고온에서 열 처리 시간을 연장하여 균질화해야 하는 상당히 불균일한 Lif 분포를 남깁니다.Lif/Spinel의 균질화 온도는 LiF와 AlO23 사이의 빠른 반응 온도에서 발생합니다.이러한 유해한 반응을 피하기 위해 그들은 스피넬 입자를 소결 보조제로 균일하게 코팅하는 새로운 공정을 개발했다.이를 통해 고밀도화에 필요한 Lif의 양을 줄이고 최대 반응도 온도를 통해 빠르게 가열할 수 있습니다.이러한 개발로 인해 NRL은 MgAlO24 스피넬을 매우 높은 재현성으로 높은 투명도로 제작할 수 있게 되었으며,[62] 스피넬의 상업적 사용은 물론 군사적 사용을 가능하게 할 것이다.

사파이어

단결정 산화 알루미늄(사파이어 – AlO23)은 투명한 세라믹입니다.사파이어의 결정 구조는 마름모꼴이며, 따라서 그 특성은 결정학적 방향에 따라 변화하는 이방성입니다.투명 알루미나는 현재 생산 및 응용 측면에서 가장 성숙한 투명 세라믹 중 하나이며 여러 제조업체에서 구입할 수 있습니다.단, 단결정 부울에서 부품을 절단하기 위한 가공 비용과 가공 온도 때문에 비용이 많이 듭니다.또한 기계적 강도도 매우 높지만 표면 [22]마감에 따라 다릅니다.

생산과 응용의 관점에서 사파이어의 높은 성숙도는 미사일과 돔의 전자파 스펙트럼 창과 전자/반도체 산업과 응용의 두 가지 사업 영역에 기인할 수 있다.

열교환기 방법 또는 가장자리 정의 필름 공급 성장(EFG) 프로세스에 의해 사파이어를 스케일업하는 프로그램이 있습니다.성숙도는 창구로서의 활용과 반도체 산업에서의 활용에서 비롯됐다.단결정 성장 기술을 사용하는 크리스탈 시스템은 현재 사파이어 부울을 직경 13인치(330mm)[citation needed] 이상으로 확장하고 있다.또 다른 생산업체인 Saint-Gobain Group은 엣지 정의 성장 기술을 사용하여 투명한 사파이어를 생산합니다.이 기술로 재배한 사파이어는 단결정 기술로 재배한 재료보다 광학적으로 열등하지만 가격이 훨씬 저렴하고 경도, 투과성, 긁힘 방지 특성을 많이 가지고 있다.Saint-Gobain은 현재 두께 0.43인치(성장 시)의 사파이어를 12인치 × 18.5인치 시트로 제작할 수 있으며 두꺼운 단일 곡면 [22]시트도 제작할 수 있습니다.미 육군연구소는 현재 투명 갑옷 시스템을 위한 라미네이트 디자인에 이 재료를 사용하는 것을 조사하고 있다.세인트 고베인 그룹은 차세대 전투기 F-35 조인트 스트라이크 전투기와 [23]F-22 랩터의 비행 요건을 충족할 수 있는 능력을 상용화했다.

컴포지트

미래의 고속 적외선 유도 미사일은 전체 운용 스펙트럼 또는 대역폭에서 최대의 투명성을 유지하면서 현재 사용되는 것보다 훨씬 더 내구성이 뛰어난 새로운 돔 재료를 필요로 할 것이다.세라믹 재료를 전송하는 현재의 단상(결정 또는 유리) IR 그룹 내에서 광학 밴드 패스와 기계적 내구성 사이에 오랜 타협이 존재하여 비산물 설계자는 표준 이하의 전체 시스템 성능을 수용해야 합니다.광학 나노 컴포지트는 이러한 기존의 [23]한계를 극복할 수 있는 신소재를 설계할 수 있는 기회를 제공할 수 있습니다.

예를 들어 투명 알루미나 AlO23(또는 마그네시아 MgO)의 페이스 플레이트와 투명 플라스틱 백업 플레이트를 이용하여 경량 복합체로 이루어진 투명 세라믹 장갑을 형성한다.([63]투명 접착제로 함께 접합된) 두 개의 플레이트는 초당 2,770피트(840m)의 총구 속도로 0° 경사면에서 0.30 AP M2 발사체에 대한 완벽한 탄도 보호를 제공합니다.또 다른 투명 복합 갑옷은 두 개 이상의 투명 세라믹 [64][65]재료로 구성된 구경 .50 AP M2 발사체를 포함한 소형 무기 발사체를 완벽하게 보호합니다.

이트리아와 마그네슘의 나노 콤포지트는 평균 입경 200nm로 생성되었습니다.이 재료들은 3 ~ 5 μm IR 대역에서 이론적으로 거의 전달되었습니다.또한 이러한 복합 재료는 단상 고체 성분에서 관찰된 것보다 더 높은 강도를 산출했다.고장 메커니즘에 대한 합의가 부족함에도 불구하고, 나노 복합 세라믹 재료는 단상 재료 또는 균일한 화학 [48]조성의 나노 재료보다 개선된 기계적 특성을 제공할 수 있고 제공할 수 있다는 것이 널리 인정되고 있습니다.

나노복합 세라믹 재료는 또한 초소성 흐름 및 금속과 유사한 가공성 등 다른 재료에서는 달성할 수 없는 흥미로운 기계적 특성을 제공합니다.향후 개발로 차세대 [22]장갑으로 활용하기에 적합한 고강도 고투명 나노소재가 탄생할 것으로 기대된다.

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추가 정보

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외부 링크

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