Tvrdá průhledná keramická okna (nejen) pro vojáky
Armáda potřebuje materiál, který by umožnil vytvořit cosi jako obrněná okna – tedy taková, která poskytují ochranu posádce či obsluze zařízení a zároveň mají vysoký stupeň transparentnosti. Zhruba takový požadavek dostali vědci z amerického vojenského výzkumného ústavu US Naval Research Laboratory (NRL). A skutečně se jim podařilo takový materiál získat.
Výzkum, o němž informoval v letošním lednovém vydání časopis Acta Materialia, představoval interdisciplinární projekt, na němž se podíleli vědci z různých divizí NRL - vědeckotechnologické, materiálové, optické i elektronické sekce. Kýženého cíle dosáhli tím, že vyvinuli metodu umožňující zformovat nanokrystalický spinel, který je o 50 % tvrdší než dosavadní spinel používaný jako materiál pro odolná okna v pancéřových vojenských vozidlech. Spinel (minerál s krystalickou mřížkou v krychlové soustavě) má tvrdost osm, tepelnou odolnost do 1100 – 1200 °C a je řazen mezi drahokamy. Již tak vysokou tvrdost spinelu dokázali výzkumníci z NRL posunout ještě dále - na příkladu nanokrystalického spinelu ukázali, že tvrdost průhledné keramiky lze zvýšit snížením velikosti zrna do 28 nanometrů.
Prášek pod tlakem
K vytvoření tvrdšího spinelu využil výzkumný tým technologii sintrování, resp. konsolidace běžně používaných nanoprášků do podoby nanokrystalických materiálů s plnou hustotou. Spékání je běžná metoda používaná k vytváření velkých kovových nebo keramických dílů z prášků. Nicméně, tým NRL je první, jemuž se s ní podařilo uspět i při výrobě tvrdšího spinelu, a to pomocí jimi vyvinuté technologie speciálního slinování Enhanced High Pressure Sintering (EHPS). Ta využívá u vysokých tlaků současně zpomalení objemu difuzních poměrů, rozbití práškových shluků, a přemístění nanočástic velmi blízko k sobě, aby bylo možné odstranit poréznost u slinuté keramiky. Tímto způsobem mohli vědci využít zvýšený povrchový potenciál nanočástic zhušťovaných bez zhrubnutí pomocí povrchové energie.
Při použití přístupu EHPS pro vytvoření nanokrystalického spinelu nezjistili výzkumníci z NRL žádný pokles hustoty nebo odpor prasklin kvůli zbytkové pórovitosti, což byl problém, který dosud sužoval jiné týmy usilující o výrobu nanokrystalického spinelu. Dokázali, že nanokrystalická keramika může mít pevnost odpovídající mikrokrystalické keramice, což je důležité pro vysokou životnost oken vyrobených z nového materiálu.
Pancéřová okna s unikátními vlastnostmi
V současných aplikacích k vytváření materiálů pro odolná okna vojenských vozidel je možné použít spinel a safír (jehož nevýhodou je vysoká hmotnost a cena). Zvýšením tvrdosti spinelu vytvořili vědci materiál tvrdší než safír, použitelný pro okna, jež mohou být díky nanokrystalické struktuře spinelu tenčí, přičemž stále splňují požadované vojenské specifikace. Novinka tak přináší i významné zlepšení v tvrdosti, tloušťce oken, úspoře hmotnosti i nákladů.
Výhodou je i to, že nanokrystalický spinel je vysoce transparentní, což je podstatné pro systémy využívající optiku, která pracuje ve viditelném, UV, a infračerveném pásmu, protože různé senzory „vidí" různé vlnové délky světla. Infračervené pásmo je důležité pro možnosti tepelného vyhledávání, UV zobrazování může být použito k detekci cílů, které nejsou vidět ve viditelném spektru a UV detektory jsou používány i u aplikací ve vesmírných misích. Jediné okno, které by mohlo být vyráběno s použitím nanokrystalického spinelu NRL, by tak bylo průhledné pro hned několik technicky důležitých vlnových délek.
Kromě použití pro tvrdší spinel v podobě pancéřových oken se ovšem pro nový materiál nabízí i řada dalších uplatnění i v „civilní“ podobě, jako např. odolnější kancelářská okna či výlohy, displeje smartphonů a tabletů, okna pro civilní vozidla, letadla, kosmické lodě.
570
