透明又防弹的材料,你能想到什么?防弹玻璃?实际上,有一种新材料比防弹玻璃更硬而且更轻巧,它就是氮氧化铝透明陶瓷,也叫ALON。各式ALON透明陶瓷早在20世纪70年代就有人开始探索氮氧化铝的性质。1986年,首个氮氧化铝透明陶瓷被发明,后来在2009年相关专利被美国Surmet公司获得,氮氧化铝透明陶瓷也被命名为ALON。就这样,氮氧化铝透明陶瓷开始了商业化的道路。
ALON不含玻璃的主要原材料二氧化硅,也不是高分子化合物,而是用铝、氧和氮合成的。简单来说,它是一种透明的陶瓷:它是用氮氧化铝粉末在高温下烧结而成,类似于陶瓷的制法;最后再抛光打磨,ALON就变得透明了。是的,透明的陶瓷听起来很科幻,它也出现在很多科幻作品中。比如在2015年的大片《侏罗纪世界》中,球形游览车的外壳就是用ALON制造的。
也有许多《星际迷航》的粉丝认为ALON就是《星际迷航IV》里用来拯救未来的透明铝。
透明指的是光能够穿透而不会发生强烈的反射和散射。普通陶瓷内部的晶体颗粒排列不规则,光照上去会向四面八方的散射,无法穿透,因此看起来并不透明。而以ALON为代表的透明陶瓷是一类新型材料,和普通陶瓷不一样,它的内部晶粒排列整齐,光照上不会发生散射,所以是透明的。透明陶瓷因此又被称为光学陶瓷。因为是陶瓷,透明陶瓷比普通的玻璃和树脂玻璃更硬、强度更大,适用于极端环境。而ALON是市面上最硬的多晶透明陶瓷。
有多硬呢?ALON的硬度是普通玻璃的4倍,比世界上第三硬的材料蓝宝石(氧化铝,莫氏硬度为9)差一点点,但莫氏硬度也达到了7.7。看,用25克的花岗岩丢在1.27厘米厚的普通硼硅酸盐玻璃上,玻璃一下就裂了——但是ALON就没事,看起来还是花岗岩比较痛一点——我们再来看看用它制作的防弹铠甲和用玻璃制作的防弹玻璃的对比。普通防弹玻璃是两层玻璃夹了一层聚合物的结构。
实验中的ALON防弹铠甲用的是相同的聚合物,但是外层的ALON陶瓷更薄——现在,用12.7×99毫米口径的北约弹来射头看看。北约弹可以轻松射穿9.4厘米厚的防弹玻璃,威力惊人,因此属于防空用弹药。但是4厘米厚的ALON制透明铝铠甲就能抵挡这种子弹的袭击。模特莫得感情的塑料大头没有被射爆。
对比一下两种防弹材料,ALON防弹铠甲只有一点点凸点,但是防弹玻璃就整个炸裂到模糊——4厘米厚的ALON铠甲就能够抵挡12.7×99毫米口径的对空子弹,这件事引起了美军的兴趣。
实际上在2005年,美国空军就开始测试ALON,他们想用ALON制造透明防弹铠甲,用来武装悍马军用汽车。美国空军的测试结果发现,ALON在被制成小块时防弹效果确实比较好,但是它有一个大问题,那就是价格高昂。
在当时,每平方英寸防弹玻璃的价格是3.25美金,但是ALON的价格要10-15美金。因为这个原因,悍马军用汽车并没有被ALON武装。但是在2013年,Surmet宣布成为美国国防部的主要国防承包商,为美军供应了一种ALON陶瓷玻璃窗。ALON还在另外一种武器上找到了用武之地。利用红外线制导的导弹的红外导引头需要能够穿透红外线的整流罩,但是普通玻璃不太容易让红外线穿透。
以前用来制造整流罩的一种常见材料是蓝宝石,蓝宝石对红外线这样的宽波段有很高的透过率,而且强度和硬度很好,因此是制造高马赫导弹整流罩的常见材料。不过蓝宝石的价格高昂,所以各国都在寻找它的替代材料。ALON就是蓝宝石的有力竞争者,它在近紫外线和红外光下也接近透明,而且可以承受2100摄氏度的高温。现在,已经出现了ALON制造的红外导弹整流罩。
当然,一些专用灯具也需要能透射红外线和紫外线,因此ALON也被用于制造特种灯罩。和普通玻璃相比,ALON不会挡住近红外线。不过因为价格等因素,ALON还没有进入民用领域。2018年,蔡司曾被传要推出首款用ALON制造的镜头,但是直到目前还是没有动静。如果ALON的价格能降低,它就有可能取代强化玻璃,成为屏幕的常见材料。到时候手机不但能帮你挡刀,还能当菜刀,想想就令人期待呢。
穿上ALON铠甲,做不容易受伤的透明铝人。