دانلود رایگان مقاله خواص سرامیک نوری ALON

چکیده

      سرامیک نوری ALON ™ یک ماده پنجره با دوام برای اشعه ماوراء بنفش، پنجره مرئی و میانه IR و برنامه های کاربردی در خانه است. خواص مکانیکی، حرارتی و نوری از محصولات ALON تجاری تولید شده توسط شرکت Surmet اندازه گیری شده است و این داده های جدید ارائه خواهد شد. مقایسه با داده هایی که قبلا اندازه گیری شده صورت خواهد گرفت.

      ALON با کیفیت نوری و پراکندگی کم و دارای استحکام بالا که نزدیک به دو برابر است قبلا گزارش شده است. میانگین مقادیر قدرت 700 مگاپاسکال در 21 ° C و 631 مگاپاسکال در 500 ° C برای نمونه ALON آماده شده توسط سطح دقیق در پایان با این تکنیک اندازه گیری شده اند. گنبدهای نوری جلا داده شده آزمایش شده تحت تست شوک حرارتی شدید جان سالم به در می برند. این سطوح قدرت قابل مقایسه با سطوح قدرت برای تک کریستال یاقوت کبود است. قدرت، هدایت حرارتی، انبساط حرارتی، ضریب شکست، نشر و ضریب جذب ارائه خواهد شد. مکانیسم های ممکن برای افزایش قدرت مورد بحث قرار خواهد گرفت.

1.0 مقدمه

      آلومینیوم oxynitride، ALON یک سرامیک چندبلوری شفاف است که دارای استحکام بالا و سختی است. از طول موج اشعه ماوراء بنفش (UV) تا اواسط طول موج های مادون قرمز مشخص و شفاف (MWIR) است. برنامه های کاربردی گنبد موشکی سرعت بالای IR نیاز به مواد شفاف با دوام دارد که می تواند شوک های حرارتی شدید را به علت حرارت مربوط به آیرودینامیک تحمل نمایند، در سراسر مسیر پرواز شفاف باقی بماند و در برابر آسیب باران و شن و ماسه بسیار مقاوم باقی بماند. برنامه های کاربردی وزن سبک تر زره شفاف نیاز به استقامت و سختی زیاد در لایه های بیرونی در مقابل ورقه ورقه (ورقه ورقه) شدن بالستیک برای خرابی پرتابه با سرعت بالا دارد. طرح های ورقه ورقه (ورقه ورقه) بالستیک با وزن سبک تر را می توان با استفاده از پانل های ALON نازکتر با استحکام شکست بیشتر به دست آورد.

      این تکنولوژی برای ساخت سرامیک شفاف ALON در سال 2002 از شرکت Rayton به شرکت Surmet منتقل شد. تولید ده ها تن از پانل های ALON بزرگ برای ارزیابی عملکرد زره و تولید صدها گنبد، لنز و پنجره اسکنر نقطه فروش (POS) در Surmet در دو سال گذشته به دست آمده است. در پرتوی این تولید اخیر ALON، ارزیابی مجدد خواص مواد حیاتی از قبیل استحکام، هدایت حرارتی، انبساط حرارتی و شفافیت مهم است و نشان می دهد که این ماده به خوبی بهتر از آن چیزی است که در یک فرایند در مقیاس آزمایشگاهی / راهنما تولید می شود.

      داده ها و نتایج ارائه شده در این مقاله بخشی از نیروی حمایت فاز دوم برنامه هوایی SBIR ساختاربندی شده برای پرداختن به نیاز به یک پایگاه داده خواص به روز و دقیق برای ALON شفاف است که در حال حاضر تولید می شود. نتایج این اندازه گیری آینده برای مدلسازی و پیش بینی عملکرد ALON در گنبد موشکی و برنامه های کاربردی زره شفاف استفاده می شود. مطالعه خواص این مواد همچنین با موفقیت نشان داد که سنگ زنی قطعی و عملیات پرداخت هایی می تواند برای تولید نمونه های تست استحکام بالا و همچنین کم هزینه و با استحکام بالا در گنبدهای موشک های مقاوم در برابر شوک حرارتی مورد استفاده قرار گیرد.

2.0 خواص مکانیکی

خواص مکانیکی بررسی اجمالی:

      آزمایش خواص مکانیکی مواد ALON در دانشگاه موسسه تحقیقات دیتون (UDRI) در دیتون، اوهایو انجام شد. مقاومت خمشی دو محوره (در 21 ° C و 500 ° C)، مدول یانگ، مدول برشی و نسبت پواسون با استفاده از روش های آزمون استاندارد ASTM C1499-03 (1) و ASTM C1259-01 (2) اندازه گیری شد. مدول وایبول و مقاومت مشخصه با برازش داده های اندازه گیری شده به دو پارامتر توزیع Weibull استاندارد داده شده توسط رابطه) 1 (، ASTM C 1239-94a (3) تعیین شد. شکل 1 نشان دهنده ثابت تست برای تست قدرت خمش دو محوره در دمای اتاق و 500 درجه سانتی گراد معادله 2 برای محاسبه استحکام نمونه و ابعاد ثابت (نگاه کنید به جدول 1) و بار شکستن است. دیسک های Grafoil ™ با ضخامت 0.005 " بین دیسک های نمونه و بار و حمایت از حلقه برای کاهش تنش تماسی قرار داده شد که تصور می شود برخی از نمونه ها را تحت بارگذاری حلقه یا حلقه پشتیبان خراب کند.

اندازه گیری خواص الاستیک

      خواص الاستیک از ALON بر اساس ASTM C1259-01 با استفاده از نمونه های دیسک (1.25 "قطر X 0.055" ضخامت) مورد استفاده برای آزمایش خمش دو محوره اندازه گیری شد. ، مقادیر اندازه گیری شده UDRI برای مدول دمای اتاق یانگ، مدول برشی و نسبت پواسون با مقایسه ها با مقادیری که قبلا اندازه گیری شده در جدول 2 داده شده است. این مقادیر اندازه گیری شده در حال حاضر تنها کمی متفاوت از مقادیر تاریخی (4، 5، 6 و 7) است. نمونه های تست در هر سه مجموعه از اندازه گیری ها 100٪ ALON متراکم شفاف بودند. این تفاوت ممکن است با توجه به دقت بیشتر از روش رزونانس خمشی مورد استفاده در اندازه گیری های فعلی باشد.

اندازه گیری های مقاومت به خمش دو محوره

      برنامه آزمایش در ابتدا برای مقایسه سه درجه مختلف از ALON و دو دمای آزمایش (RT و 500 درجه سانتی گراد) تنظیم شد. نتایج این اندازه گیری ها (می 2004) نشان دهنده استحکام متوسط قابل مقایسه با مقادیر تاریخی (تاریخی ریتون 2002) (8) بود، با این حال، مدول وایبول بسیار کم بود و برخی از استحکام بسیار بالا اندازه گیری شد. از آنجا که این ماده شفاف است بررسی حضور عیب های محدود کننده قدرت نسبتا آسان است. گام بعدی بررسی دیگر دلایل ممکن برای تنوع گسترده ای در استحکام بود. برخی از نگرانی ها در مورد آسیب ها برای نمونه ها توسط فرایند آسیاب ساینده ثابت وجود داشت که. به طور معمول سنگ زنی آزاد ساینده برای پیچیدن مواد قبل از پرداخت نهایی استفاده می شود. چند نگرانی دیگر که شامل یک اینچ قطر نمونه و امکان خسارات عرضه شده در طول لبه گام تراشیدن می شود وجود دارد.

     تصمیم بر آن شد که مجموعه بعدی از آزمون ها هر دو سنگ زنی ثابت و آزاد ساینده و همچنین منافع یا عیوب های نشانه گذاری شیمیایی ALON را قبل از تست مکانیکی مقایسه نماید. نشانه گذاری شیمیایی یا ترکیبی از نشانه گذاری شیمیایی توسط یک جلای نوری به منظور کاهش متوسط اندازه نقص و افزایش استحکام شکست گارنت (YAG، GSGG، و GGG) لیزر دال (9) نشان داده شده است. جدول 3 و جدول 4 مجموعه کاملی از نمونه ها و شرایط تست در این مطالعه را توصیف می کند.

ABSTRACT

      ALON™ Optical Ceramic is a durable window material for UV, Visible and Mid IR window and dome applications. The mechanical, thermal, and optical properties of ALON products produced commercially by Surmet Corporation have been measured and this new data will be presented. Comparisons to previously measured data will be made.

       Optical quality, low scatter ALON having high strength that is nearly double previously reported has been made. Average strength values of 700 MPa at 21°C and 631 MPa at 500°C have been measured for ALON specimens prepared by precision surface finishing techniques. Polished optical domes tested have survived severe thermal shock tests. These strength levels are comparable to those for single crystal sapphire. Strength, thermal conductivity, thermal expansion, refractive index, emissivity and absorption coefficient will be presented. The possible mechanisms for the increased strength will be discussed.

1.0 INTRODUCTION

      Aluminum oxynitride, ALON is a transparent polycrystalline ceramic which has high strength and hardness. It is transparent from ultraviolet (UV) wavelengths to mid infrared wavelengths (MWIR). High speed IR missile dome applications require a durable transparent material that can withstand severe thermal shock due to aerodynamic heating, remain transparent throughout the entire flight trajectory and be highly resistant to rain and sand damage. Light weight transparent armor applications require high strength and hardness in the outer layers of a ballistic laminate to defeat high velocity projectiles. Lighter weight ballistic laminate designs can be achieved by using thinner ALON panels having greater fracture strength.

      The technology for the making ALON transparent ceramics was transferred from Raytheon Company to Surmet Corporation in 2002. The manufacture of dozens of large ALON panels for armor performance evaluations and the production of hundreds of domes, lenses and point of sale (POS) scanner windows have been achieved at Surmet over the past two years. In light of this recent manufacturing scale-up of the production of ALON it is important to reevaluate the critical material properties such as strength, thermal conductivity, thermal expansion, and transparency and demonstrate that the material is as good as or better than that which was produced in a laboratory/pilot scale process.

      The data and results presented in this paper are part of Air Force sponsored Phase II SBIR program structured to addresses the need for an up to date and accurate material properties database for currently produced transparent ALON. Results of these measurements will be used in the future to model and predict the performance of ALON in missile dome and transparent armor applications. This materials properties study also successfully demonstrated that the same deterministic grinding and finishing operations could be used to produce high strength test samples as well as low-cost high strength thermal shock resistant missile domes.

2.0 MECHANICAL PROPERTIES

Mechanical Properties Overview:

      Mechanical properties testing of ALON was performed at the University of Dayton Research Institute (UDRI) in Dayton, Ohio. Biaxial Flexural Strength (at 21°C and 500°C), Young’s Modulus, shear Modulus and Poisson’s Ratio were measured using standard ASTM C1499-03(1) and ASTM C1259-01(2) test methods. Weibull modulus and characteristic strength were determined by fitting the measured data to a standard two parameter Weibull distribution given by Equation 1, ASTM C 1239-94a(3). Figure 1 shows the test fixture used for the biaxial flexure strength testing at room temperature and 500°C. Equation 2 is used to calculate the strengths from the sample and fixture dimensions (see Table 1) and the breaking load. Grafoil ™ discs having a thickness of 0.005” thick were placed between the sample disc and the load and support rings to reduce the contact stresses that are thought to cause some samples to fail under the loading ring or support ring.

Elastic Properties Measurements

      The elastic properties of ALON were measured according to ASTM C1259-01 using the same disc specimens (1.25” diameter x 0.055” thick) used for biaxial flexure testing. The values measured at UDRI for the room temperature Young’s Modulus, shear modulus and Poisson’s ratio are given in Table 2 with comparisons to previously measured values. These current measured values are only slightly different from historical values (4, 5, 6, and 7). Test specimens in all three set of measurements were 100% dense transparent ALON. The difference may be in the due to the greater accuracy of the flexural resonance method used in the current measurements.

Biaxial Flexure Strength Measurements

      The testing program initially set out to compare three different grades of ALON and two test temperatures (RT and 500°C). The results of these measurements (May 2004) showed average strengths comparable to historical values (Historical Raytheon 2002) (8), however, the Weibull modulus was very low and the there were some very low and some very high strengths measured. Since the material is transparent it is relatively easy to inspect for the presence of strength limiting flaws. Having not found anything of significance the next step was to examine other possible reasons for the wide variation in strengths. There were some concerns that there was damage introduced into the samples by the fixed abrasive grinding process. Typically free abrasive grinding is used to lap the material prior to final finish. There were several other concerns which included the one-inch sample diameter, and the possibility of damage introduced during the edge beveling step.

       It was decided that the next set of tests compare both fixed and free abrasive grinding as well as the benefits or detriments of chemical etching the ALON prior to mechanical testing. Chemical etching or a combination of chemical etching followed by a light polish has been demonstrated to reduce the average flaw size and increase the fracture strength of garnet (YAG, GSGG, and GGG) slab lasers (9). Table 3 and Table 4 describe the complete set of samples and test conditions evaluated in this study.

چکیده

1.0 مقدمه

2.0 خواص مکانیکی

خواص مکانیکی بررسی اجمالی:

اندازه گیری خواص الاستیک

اندازه گیری های مقاومت به خمش دو محوره

3.0 خواص حرارتی

4.0 عملکرد شوک حرارتی (DOME تست)

5.0 خواص نوری

6.0 خلاصه

ABSTRACT

1.0 INTRODUCTION

2.0 MECHANICAL PROPERTIES

Mechanical Properties Overview: 

Elastic Properties Measurements 

Biaxial Flexure Strength Measurements

3.0 THERMAL PROPERTIES 

4.0 THERMAL SHOCK PERFORMANCE (DOME TESTING) 

5.0 OPTICAL PROPERTIES 

6.0 SUMMARY 

REFERENCES