在1986年上映的科幻電影《星際迷航4：搶救未來》中，科學家提出過用透明鋁分子制作一種抗高壓儲水箱的設想。在電影劇情中那種技術屬于未來的23世紀，但在21世紀的今天這種材料其實已經有了非常接近的版本——即“透明鋁”，主要成分是氮氧化鋁（Al_(64+x)/3O_32-xN_x，通稱AlON），不僅在可見和中紅外波段擁有良好的透過率（80%以上），光學性能與藍寶石、尖晶石相當，而且抗彎強度接近藍寶石，明顯高于尖晶石。

三種材料性能對比

雖說AlON透明陶瓷更為人知的應用基本集中在軍工航天等高端領域，但不要覺得AlON材料只能用于高端領域，它同時有潛力用作電子消費品的窗口材料，如2018年時曾有新聞報道，知名光學設備制造商蔡司欲推出全球首款以AlON材料制造的透明陶瓷鏡頭，不過截至目前這款鏡頭還未真正上市。但無論如何，由于AION透明陶瓷作為玻璃、金屬和塑料的替代品，具有廣泛適用性，因此在要求更為苛刻的場景中使用率正迅速增加中，其相關研究已成為透明陶瓷材料研究開發的熱點之一。

北京中材人工晶體研究院和中科院光電研究所研制出的AlON透明陶瓷

AlON粉體的制備

制備AlON透明陶瓷主要包含三個步驟：高純 AlON 粉體的制備，AlON粉體的成型工藝和透明化燒結。其中最主要也是最關鍵的部分是高純粉體制備，因為陶瓷能否透明的關鍵在于粉體的純度是否達標。

由于受本身的強共價鍵結構和低自擴散系數的影響，AlON 在沒有外場輔助的情況下通常需要在 1900℃以上長時間燒結才能夠使AlON透明陶瓷完全致密，研究者們通常也從 AlON 制備的步驟出發，解決這一問題。其中對于制備 AlON 透明陶瓷而言，性能優良的粉末是致密化燒結的關鍵一步，粉體的優劣直接決定了燒結后陶瓷的整體性能。

AlON 晶體結構示意圖

γ-AlON 從被發現到如今已有幾十年的發展歷程，有多種制備技術被用于合成 AlON粉體。值得一提的是，目前AlON合成的最主要兩條路徑——碳熱還原氮化反應以及直接高溫固相反應，都有氧化鋁（Al₂O₃）的參與。下面將對這兩者進行具體的講解。

1、高溫固相合成

高溫固相合成是指利用高純氧化鋁和氮化鋁在氮氣氣氛下合成得到AlON粉體的制備方法，在1600℃以下，Al₂O₃和AIN之間不發生化學反應；在1650℃時，二者開始發生高溫固相化學反應并生成富氧(O—rich)的AlON相；在1750℃時，形成O-rich-AION的高溫同相化學反應基本完成；隨著反應溫度的進一步升高，產物中少量殘余的AIN進一步固溶進入O-rich-AlON晶格形成富氮(N-rich)的AION相(N-rich-AlON)。

此種制備方式相對簡單，被用于制備大批量粉體，反應公式如下：

但AlN 粉體價格昂貴，同時在混合的過程中不易與氧化鋁粉均勻混合，會使合成的 AlON 粉體發生團聚，最終導致AlON 透明陶瓷內氣孔大量存在，嚴重影響 AlON 的透過率。

例：Li等以150 nm的α-Al₂O₃和價格較低的3μmAlN粉體作為原始材料，通過高溫固相反應合成制備得到D50=320nm的AlON粉體，在粉體制備的過程中，通過球磨控制初始原料(α-Al₂O₃/AlN)的混合均勻程度、粒徑大小，將合成的溫度降低至1680℃，燒結保溫時間降至20 min，大大降低燒結成本，同時也降低了AlON粉體的團聚程度，更易粉碎。

2、碳熱還原

以碳粉為還原劑與高純氧化鋁混合，在高溫氮氣氣氛下燒結得到AlON粉體的方式稱為碳熱還原反應，反應過程中發生如下所述的反應。

碳熱還原碳熱還原反應過程中，AlN大部分是原位生成在Al₂O₃顆粒的表面，相較于高溫固相反應更完全，合成的產物粒徑更小。在碳熱還原合成過程中，工藝參數，原料的狀態是影響產物性能的重要因素。例如原料中碳源的量、種類以及顆粒尺寸形態等都會影響最終 AlON粉體的狀態。

另外為了比較不同晶型氧化鋁對合成AlON純度等的影響，也有研究者以不同晶型的兩種氧化鋁（α-Al₂O₃和γ-Al₂O₃）為原料進行了反應比較。在只改變Al₂O₃晶型的情況下，得到了不同溫度下的XRD圖譜如下圖所示。

γ-Al₂O₃在1900℃下煅燒保溫2 h可以得到純度較高的AlON粉體，無其它雜相存在。以α-Al₂O₃為原料時，在相同的溫度下煅燒，得到的產物中除了AlON相外，還存在少量Al2O3和AlN未反應，分析原因可能與α-Al2O3的活性較差有關，α-Al2O3為高溫穩定相；γ-Al2O3多孔結構，高溫穩定性差，活性高，當以α-Al2O3為原料時，相比γ-Al2O3將需要更高的溫度，當繼續提高煅燒溫度到1940℃，只有極其微量的AlN相存在，得到了純度較高的AlON粉體。

總結

高溫固相反應法雖然簡單，但Al₂O₃和AlN混合時會形成Al₂O₃和AlN的局部不均勻而導致γ-AlON晶粒形貌不均勻，從而導致燒結體致密度低，光學性能差。而碳熱還原法有較多的優勢，如成本較低。但由于引入了碳，碳含量和氮氣的量對反應的結果有較大的影響，另外使用γ-Al₂O₃比α-Al₂O₃具有更高的反應活性。

資料來源：

魏光平. 透明陶瓷用氮氧化鋁粉體材料的制備研究[D]. 四川:西華大學,2021.

劉學建,李會利,黃政仁,等. 高溫固相反應工藝制備AlON粉體[J]. 無機材料學報,2009,24(6):1159-1162. DOI:10.3724/SP.J.1077.2009.01159.

鄧啟煌,沈祥風,韓斌,等. 高溫碳熱還原氮化工藝對合成AlON粉體的影響[J]. 陶瓷學報,2016,37(6):682-685. DOI:10.13957/j.cnki.tcxb.2016.06.018.

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