透明セラミック

ガラス質および結晶質の両方の多くのセラミック材料は、バルクの固体部品から薄膜、コーティング、および繊維などの高表面積の形態まで、さまざまな形態で光学的に 透明な材料として使用されています。 ^[1] このようなデバイスは、誘導光波伝送用の光ファイバー、光スイッチ、レーザー増幅器およびレンズ、固体レーザーのホスト、ガスレーザーの光学窓材料、ミサイル誘導システムおよび赤外線暗視用の赤外線（IR）熱追跡デバイスなど、電気光学分野のさまざまなアプリケーションで広く使用されています。^[2]商業および一般知識の分野では、透明セラミックまたはセラミックガラスは、iPhoneの画面ガラスに使用されているような強化ガラスの一種であることが一般的に認められています。^[3]

単結晶セラミックは、（特に入射光波の空間スケール内では）欠陥がほとんどない可能性があるが、多結晶材料の光透過性は、微細構造の特徴によって散乱される光の量によって制限される。したがって、散乱光の量は、入射放射線、つまり光の波長に依存する。 ^[4]

例えば、可視光の波長スケールは数百ナノメートルのオーダーであるため、散乱中心の寸法も同様の空間スケールになります。アルミナやその化合物などのほとんどのセラミック材料は微粉末から形成され、可視光の波長に匹敵する散乱中心で満たされた微粒子の多結晶微細構造を生み出します。したがって、これらは一般に透明材料ではなく不透明です。しかし、最近のナノスケール技術により、アルミナ Al ₂ O ₃、イットリウムアルミニウムガーネット(YAG)、ネオジムドープNd:YAGなどの(多)結晶透明セラミックの製造が可能になりました。^{[5] [6] [7] [8] [9] [10]}

透明セラミックスは最近、高い関心と評判を得ています。基本的な用途としては、レーザーや切削工具、透明装甲窓、暗視装置 (NVD)、熱追跡ミサイルのノーズコーンなどがあります。現在入手可能な赤外線 (IR) 透明材料は、通常、光学性能と機械的強度の間でトレードオフの関係にあります。たとえば、サファイア(結晶アルミナ) は非常に強度がありますが、3～5 マイクロメートルの中赤外線範囲全体にわたって完全な透明性はありません。イットリアは 3～5 マイクロメートルで完全に透明ですが、高性能の航空宇宙用途には十分な強度、硬度、耐熱衝撃性がありません。当然のことながら、これら 2 つの材料を組み合わせたイットリアアルミナガーネット ( YAG ) は、この分野で最高の性能を発揮することが証明されています。^[2]

1961年、ゼネラル・エレクトリックは透明なアルミナのルカロックス電球の販売を開始した。[11] 1966年、GEは「ガラスのように透明な」セラミック、イトラロックスを発表した。[12] 2004年、3Mのアナトリー・ローゼンフランツと同僚は「フレーム^スプレー」^技術を使用して、アルミニウム酸化物（またはアルミナ）を希土類金属酸化物と合金化し、優れた光学特性を持つ高強度ガラスセラミックを製造した。この方法は、従来のガラス形成で遭遇する多くの問題を回避し、他の酸化物にも拡張できる可能性がある。この目標は、ゾルゲル化学とナノテクノロジーの手法を含む新しい化学処理方法を使用して、世界中の研究所や研究施設で容易に達成され、十分に実証されている。^{[13] [14] [15] [16] [17]}

ガラス質および結晶質の両方の多くのセラミック材料は、固体レーザーのホストとして、およびガスレーザーの光学窓材料として使用されている。最初の実用的なレーザーは、1960年にマリブのヒューズ研究所でセオドア・H・メイマンによって作られたもので、コロンビア大学のチャールズ・H・タウンズ、ベル研究所のアーサー・ショーロー、TRG（テクニカルリサーチグループ）のグールドが率いる他の研究チームよりも優れていた。メイマンは、固体光ポンプ合成ルビーを使用して、波長694ナノメートル（nm）の赤色レーザー光を発生させた。合成ルビーレーザーは現在でも使用されている。^{[18] [19]}サファイアとルビーはどちらもコランダムであり、酸化アルミニウム（Al2O3）の結晶形である。

ルビーレーザーは、通常 0.05% 程度の低濃度のクロム Cr を添加した単結晶サファイアアルミナ (Al ₂ O ₃ ) ロッドで構成されています。端面は平面かつ平行な構成で高度に研磨されています。ネオジム添加 YAG (Nd:YAG) は、最高の固体レーザー材料の 1 つであることが証明されています。幅広いレーザー用途でその圧倒的な優位性は、高い放出断面積と長い自然放出寿命、高い損傷しきい値、機械的強度、熱伝導性、および低い熱ビーム歪みの組み合わせによって決まります。Nd:YAG のチョクラルスキー結晶成長は成熟しており、再現性が高く、比較的単純な技術的手順であるという事実は、この材料の価値を大幅に高めています。

Nd:YAGレーザーは、様々な金属やプラスチックの彫刻、エッチング、マーキングの製造に使用されています。また、鋼や様々な合金の切断や溶接の製造に広く使用されています。自動車用途（鋼の切断と溶接）の場合、出力レベルは通常1～5kWです。^[20] さらに、Nd:YAGレーザーは、眼科では白内障手術後に起こることがある後嚢混濁を矯正するために、また急性閉塞隅角緑内障患者の周辺虹彩切開術（外科的虹彩切除術に取って代わった）に使用されています。周波数倍増Nd:YAGレーザー（波長532 nm）は、糖尿病性網膜症患者の網膜全体の光凝固に使用されます。腫瘍学では、Nd:YAGレーザーを使用して皮膚がんを除去できます。^[21] これらのレーザーは、美容医療の分野でもレーザー脱毛や顔や脚のクモ状静脈などの軽度の血管欠損の治療に広く使用されています。最近では、頭皮によく発生するまれな皮膚疾患である蜂窩織炎の切除にも使用されています。婦人科の分野では、子宮鏡検査を使用して、子宮内部の子宮中隔の除去にNd:YAGレーザーが使用されています。 ^{[22]歯科では、Nd:YAGレーザーは}口腔内の軟部組織手術 に使用されています。

ガラス（非結晶性セラミック）もレーザーのホスト材料として広く使用されています。結晶性レーザーに比べて、ガラスはサイズと形状の柔軟性が高く、優れた光学特性を持つ大型で均質な等方性固体として容易に製造できます。ガラスレーザーホストの屈折率は約 1.5 ～ 2.0 の間で変化し、nの温度係数と歪み光学係数は化学組成を変更することで調整できます。ただし、ガラスはアルミナや YAG よりも熱伝導率が低いため、連続および高繰り返し率のアプリケーションでの使用には制限があります。^[20]

ガラスと結晶セラミックレーザーホスト材料の挙動の主な違いは、非晶質固体中のレーザーイオンの局所環境の変動が大きいことに関係しています。これにより、ガラスの蛍光レベルが広がります。たとえば、YAG の Nd ³⁺発光の幅は、一般的な酸化物ガラスの約 300 オングストロームと比較して約 10 オングストロームです。ガラスの蛍光線が広がると、結晶固体レーザーホストの同じレーザーイオンと比較して、連続波レーザー動作 (CW) を得るのが難しくなります。^[20]

透明装甲には、通常の板ガラス（ソーダ石灰シリカ）、ホウケイ酸ガラス、溶融シリカなど、いくつかのガラスが使用されています。板ガラスは、その低コストのため、最も一般的に使用されているガラスです。しかし、光学特性と弾道性能に対する要求が高まったため、新しい材料の開発が必要になりました。化学処理または熱処理によりガラスの強度を高めることができ、特定のガラス組成の制御された結晶化により、光学品質のガラスセラミックを製造できます。Alstom Grid Ltd.は現在、透明装甲システムで使用するために、TransArmと呼ばれるリチウムジシリケートベースのガラスセラミックを製造しています。このガラスは非晶質ガラスの加工性をすべて備えていますが、再結晶すると結晶性セラミックに似た特性を示します。Vycorは96%の溶融シリカガラスで、透明で軽量、高強度です。これらのタイプの材料の利点の1つは、大きなシートやその他の曲面形状で製造できることです。^{[23] [24]}

ごく最近、高純度のナノ粒子や粉末を低温焼結して製造した微粒子セラミックナノ材料で作られたレーザー素子（増幅器、スイッチ、イオンホストなど）は、比較的低コストで製造できることが実証されました^[要出典]。これらのコンポーネントは内部応力や固有の複屈折がなく、比較的大きなドーピングレベルや最適化されたカスタム設計のドーピングプロファイルが可能です。これは、セラミックナノ材料の使用が高エネルギーレーザー素子やアプリケーションにとって特に重要であることを示しています。

高純度のナノ粒子や粉末を焼結して作られる多結晶ナノ材料の主な散乱中心には、残留多孔性や粒界などの微細構造欠陥が含まれます（透明材料を参照）。したがって、不透明性は、内部表面や界面での光の非干渉性散乱によって部分的に生じます。多孔性に加えて、セラミックナノ材料の界面や内部表面のほとんどは、結晶秩序のナノスケール領域を分離する粒界の形をしています。さらに、散乱中心（または粒界）のサイズが散乱される光の波長のサイズよりも大幅に小さくなると、光の散乱はそれほど発生しなくなります。^[25]

悪条件下で優れた光学機械特性を持つ高性能セラミックナノ材料の加工では、結晶粒のサイズは、主に、物体の合成または形成中に原料中に存在する結晶粒子のサイズによって決まります。したがって、元の粒子サイズを可視光の波長（約 0.5 μm または 500 nm）よりはるかに小さくすると、光の散乱が大幅になくなり、半透明または透明な材料が得られます。

さらに、焼結セラミックナノ材料中の微細な気孔は主に微結晶粒子の接合部に閉じ込められ、光の散乱を引き起こし、真の透明性を妨げていることが結果から示されています。高品質の光透過性を得るには、これらのナノスケールの気孔（粒間気孔と粒内気孔の両方）の総体積分率が1％未満である必要があることが観察されています。つまり、密度は理論上の結晶密度の99.99％でなければなりません。^{[13] [26]}

例えば、1.46kWのNd:YAGレーザーは日本の神島化学工業によって実証されている。さらに、リバモアの研究者は、これらの微粒子セラミックナノ材料が国立点火施設（NIF）プログラム局で使用される高出力レーザーに大きなメリットをもたらす可能性があることに気付いた。特に、リバモアの研究チームは、神島から高度な透明ナノ材料を入手し、リバモアの固体熱容量レーザー（SSHCL）に必要な光学要件を満たすかどうかを判断しようとした。リバモアの研究者は、レーザー駆動核融合発電所の高度なドライバーなどの用途にこれらの材料を適用することもテストしている。^[27]

NIFの複数の研究員の協力を得て、リバモアのチームはナノスケールの粒子と粉末から直径15mmの透明なNd:YAGサンプルを作製し、その品質に影響を与える最も重要なパラメータを決定した。これらの物体では、チームは主に日本の製造および処理方法に従い、社内の炉を使用してナノ粉末を真空焼結した。その後、すべてのサンプルは熱間静水圧プレス（HIP）に送られた。最後に、コンポーネントはコーティングとテストのためにリバモアに戻され、その結果、並外れた光学品質と特性が示された。^[27]

ある日本/東インドのコンソーシアムは、レーザー用途の透明 YAG ナノ材料におけるNd ³⁺の分光学的および誘導放出特性に特に焦点を当てています。これらの材料は、真空焼結技術を使用して合成されました。分光学的研究は、吸収と放出の全体的な改善と散乱損失の減少を示唆しています。走査型電子顕微鏡と透過型電子顕微鏡の観察により、低い細孔容積と狭い粒界幅による優れた光学品質が明らかになりました。蛍光およびラマン測定により、Nd ³⁺ドープ YAG ナノ材料は、放射特性と非放射特性の両方において単結晶の対応物と同等の品質であることが明らかになりました。個々のシュタルク準位は、吸収スペクトルと蛍光スペクトルから取得され、材料で可能な誘導放出チャネルを特定するために分析されます。レーザー性能研究では、効率的なマイクロチップレーザーの設計に高ドーパント濃度を使用することが支持されています。4 at% ドーパントで、グループは 40% のスロープ効率を達成しました。高出力レーザー実験では、Nd（0.6 at%）YAGナノ材料の光から光への変換効率は30%であるのに対し、Nd（0.6 at%）YAG単結晶では34%である。これらの材料で行われた光利得測定でも単結晶に匹敵する値を示しており、これらの材料が固体レーザー用途において単結晶の適切な代替品となり得るという主張を裏付けている。^[28]

透明な酸化イットリウムナノ材料の開発における最初の取り組みは、1960 年代にゼネラル・エレクトリック社によって行われました。

1966年、透明セラミックのイトラロックスが、ゼネラル・エレクトリック研究所のリチャード・C・アンダーソン博士によって発明され、その後、GEの冶金・セラミックス研究所のポール・J・ヨルゲンセン博士、ジョセフ・H・ロソロフスキー博士、ダグラス・セントピエール博士らによって研究が進められました。イトラロックスは「ガラスのように透明」で、融点がガラスの2倍あり、^[12]可視光だけでなく近赤外線帯の周波数も透過します。^[29]

イットリウムセラミックナノマテリアルの更なる開発は、照明やセラミックレーザーへの応用を動機として、1970年代にゼネラルエレクトリック社によってスケネクタディとクリーブランドで実施されました。^[29]約10%の酸化トリウム（ThO ₂ ）を含む透明なイットリウム酸化物Y ₂ O ₃であるイトラロックスが、グレスコビッチとウッズによって製造されました。^[30]この添加剤は、緻密化中の粒成長を制御する役割を果たし、そのため、多孔性は粒界に残り、焼結の初期段階で除去するのが非常に難しい粒内に閉じ込められませんでした。通常、多結晶セラミックスは熱処理中に緻密化すると、粒の大きさが大きくなり、残った多孔性の体積分率と大きさは両方減少します。光学的に透明なセラミックスは、実質的に気孔がないことが必要です。

GE の透明イトラロックスに続いて、同様のレベルの添加剤を含む GTE のランタナドープイットリアが発表されました。^[31]これらの材料は両方とも、2000 °C を超える温度で長時間焼成する必要がありました。La ₂ O ₃ドープ Y ₂ O ₃は、最も長波長を透過する酸化物の 1 つであるため、赤外線 (IR) 用途で注目されています。これは、融点が 2430 °C で耐火性があり、熱膨張係数は中程度です。耐熱衝撃性と耐浸食性は酸化物の中では中程度ですが、非酸化物 IR 透過材料と比べると優れています。重要な考慮事項は、イットリアの放射率が低いことです。これにより、加熱時の背景放射が制限されます。また、材料が加熱されると、フォノンエッジが徐々に短波長に移動することが知られています。^[32]

さらに、イットリア（Y ₂ O _{3）自体も将来有望な}固体レーザー材料として明確に特定されています。特に、イッテルビウムをドーパントとして用いたレーザーは、 CW動作^[33]とパルス動作の両方で効率的な動作を可能にします 。^[34]

励起の濃度が高い場合（1%程度）と冷却が不十分な場合、レーザー周波数での発光の消光とアバランシェ広帯域発光が起こる。^[35]

リバモアチームは、初期のナノパウダーを化学的に合成する新しい方法も模索している。チームは、過去 5 年間に CMS で培った専門知識を活用し、ゾルゲル法に基づいてナノパウダーを合成し、その後、焼結して固体レーザー部品を得ている。テスト中の別の技術は、燃焼プロセスを利用して、イットリウム、アルミニウム、ネオジムを含む有機固体を燃焼させて粉末を生成するものである。その後、球状ナノ粒子からなる煙が収集される。^[27]

リバモアチームは、より多様で、おそらくより複雑な形状を作成できる新しい成形技術（押し出し成形など）も研究しています。これには、ポンプ光との結合を改善し、より効率的な熱伝達を実現するシェルとチューブが含まれます。さらに、さまざまな材料を共押し出ししてから焼結して、モノリシックな透明固体にすることができます。増幅スラブを形成して、構造の一部がガイド光波伝送として機能するようにし、レーザーダイオードからのポンプ光をスラブ中心近くのドーパントイオンの濃度が高い領域に集中させることができます。^[27]

一般的に、ナノ材料は、従来の単結晶セラミックスで可能なサイズよりもはるかに大きなサイズの低コストで高性能なレーザー部品の可用性を大幅に拡大することを約束します。エッジクラッディングを内蔵した増幅器など、多くの種類のレーザー設計がナノ材料ベースのレーザー構造の恩恵を受ける可能性があります。ナノ材料は、備蓄管理用の高ピーク出力の核融合クラスのレーザーや、世界規模の戦域のICBMミサイル防衛システム（例：戦略防衛構想SDI、または最近ではミサイル防衛局）用の高平均出力レーザーのより堅牢でコンパクトな設計も提供できます。^[27]

暗視装置(NVD) は、完全な暗闇に近いレベルの光で画像を作成できる光学機器です。これらは軍隊や法執行機関で最もよく使用されますが、民間ユーザーも利用できます。暗視装置は第二次世界大戦で初めて使用され、^[36]ベトナム戦争 中に広く使用されるようになりました。導入以来、技術は大きく進化し、暗視装置のいくつかの「世代」が生まれ、性能が向上し、価格が下がりました。米国空軍は、より標準的な 2 つの 18 mm チューブではなく 4 つの 16 mm イメージ増強管を使用して、ユーザーの視野を約 95 度に倍増するパノラマ暗視ゴーグル (PNVG) の実験を行っています。^{[37] [38]}

熱画像は、物体から放射、透過、反射される赤外線 (IR) エネルギーの量を視覚的に表示したものです。赤外線エネルギーの源は複数あるため、この方法では物体の正確な温度を得るのは困難です。熱画像カメラは、そのデータを解釈して画像を作成するアルゴリズムを実行できます。画像では物体が動作している温度の概算が示されますが、カメラは温度を検出するのではなく、物体の周囲の領域に基づいて複数のデータ ソースを使用してその値を決定します。

暗視赤外線装置は、可視スペクトルのすぐ外側にある近赤外線で画像化し、完全な暗闇の中で放射または反射された近赤外線を見ることができます。絶対零度（0  K）を超えるすべての物体は赤外線を放射します。したがって、熱変化を測定する優れた方法は、赤外線視覚装置を使用することです。通常、焦点面アレイ（FPA）赤外線カメラは、高透過率赤外線ウィンドウの2つに対応する、MWIRとLWIRで表される中波（3〜5μm）と長波（7〜14μm）の赤外線バンドの放射を検出できます。物体の表面の温度プロファイルが異常である場合、潜在的な問題があることを示しています。^[39]赤外線サーモグラフィー、熱画像、熱ビデオは、赤外線画像科学の例です。熱画像カメラは、電磁スペクトルの赤外線範囲（およそ900〜14,000ナノメートルまたは0.9〜14μm ）の放射を検出し、サーモグラムと呼ばれるその放射の画像を生成します。

黒体放射の法則によれば、赤外線は室温付近のすべての物体から放射されるため、サーモグラフィーにより、可視光の有無にかかわらず周囲の環境を見ることができます。物体から放射される放射線の量は、温度とともに増加します。したがって、サーモグラフィーにより温度の変化を見ることができます。熱画像カメラで見ると、温かい物体は冷たい背景に対してはっきりと目立ち、人間やその他の温血動物は昼夜を問わず周囲の環境に対して容易に見分けることができます。その結果、サーモグラフィーは軍隊や警備サービスに特に役立ちます。

サーモグラフィー画像では、8～13マイクロメートルの波長の赤外線が検出器材料に当たり、それを加熱して電気抵抗を変化させます。この抵抗変化が測定され、画像を作成するために使用できる温度に変換されます。他のタイプの赤外線検出装置とは異なり、透明なセラミック検出器を使用するマイクロボロメータは冷却を必要としません。したがって、マイクロボロメータは本質的に非冷却熱センサーです。^[40]

検出器に使用される材料は、わずかな温度変化によって抵抗が大きく変化する必要があります。材料が加熱されると、入射する赤外線によって材料の抵抗が減少します。これは材料の抵抗温度係数（TCR）、特に負の温度係数に関係しています。現在、業界ではTCRが-2%に近い材料を含むマイクロボロメータを製造しています。^[41]

IR放射マイクロボロメータで最も一般的に使用されるセラミック材料は酸化バナジウムです。酸化バナジウムのさまざまな結晶形態には、VO ₂とV ₂ O _{5 の}両方が含まれます。高温で堆積し、後アニールを行うことで、優れた特性を持つこれらの結晶化合物の薄膜を生成でき、製造プロセスに簡単に組み込むことができます。VO _{2 は}抵抗が低いですが、67 °C付近で金属絶縁体相変化を起こし、TCR値も低くなります。一方、V ₂ O _{5 は}抵抗が高く、TCRも高くなります。^[40]

研究されている他の IR 透過性セラミック材料には、CuO、MnO、SiO のドープされた形態が含まれます。

AIM-9 サイドワインダー
原産地	アメリカ合衆国

透明装甲ソリューションに関心のある多くのセラミックナノ材料は、電磁（EM）ウィンドウにも使用されています。これらの用途には、レドーム、IRドーム、センサー保護、マルチスペクトルウィンドウが含まれます。これらの用途に使用される材料の光学特性は重要です。透過ウィンドウと関連するカットオフ（UV-IR）がウィンドウが動作するスペクトル帯域幅を制御するためです。これらの材料は、ほとんどの装甲用途に共通する耐摩耗性と強度特性を備えている必要があるだけでなく、軍用機やミサイルの環境に関連する極端な温度のため、優れた熱安定性も備えている必要があります。^[24]

熱放射は物体の表面から放射される電磁放射で、物体の温度によるものである。赤外線ホーミングとは、赤外線スペクトル部分の電磁放射のターゲットからの放射を利用してターゲットを追跡するパッシブミサイル誘導システムを指す。赤外線追尾を使用するミサイルは、赤外線が可視光線スペクトルのすぐ下の周波数であり、高温の物体から強く放射されるため、「熱追尾装置」と呼ばれることが多い。人、車のエンジン、航空機など多くの物体は熱を生成して保持するため、背景にある物体と比較して赤外線波長の光で特に目立つ。^{[42] [43] [44] [45]}

現在、高速赤外線誘導ミサイルのドームに選ばれている素材は単結晶サファイアです。サファイアの光透過率は中赤外線範囲（3～5μm）全体をカバーするわけではありませんが、室温では約4.5μm以上の波長で低下し始めます。サファイアの強度は室温では他の中赤外線ドーム素材よりも優れていますが、約600℃を超えると強度が弱くなります。^[46]

大面積サファイアの限界は、現在の製造限界を超えるためには、より大きな誘導炉と高価な金型が必要となるという点で、ビジネスに関係していることが多い。しかし、業界として、サファイア生産者はコーティング強化ガラスや新しいセラミックナノ材料に直面しても競争力を維持し、依然として高い性能と拡大した市場を提供することに成功している。^[24]

酸化イットリウムなどの代替材料は、光学性能は優れていますが、機械的耐久性は劣っています。将来の高速赤外線誘導ミサイルには、現在使用されているものよりも大幅に耐久性が高く、かつ広い波長範囲にわたって最大限の透明性を維持できる新しいドームが必要になります。現在の単相赤外線透過材料のコレクションでは、光帯域通過と機械的耐久性の間に長年のトレードオフが存在しており、ミサイル設計者はシステム性能で妥協せざるを得ません。光学ナノ複合材料は、この従来の妥協を克服する新しい材料を設計する機会を提供する可能性があります。

ナノスケールのセラミック粉末から製造された透明イットリアの最初のフルスケールのミサイルドームは、海軍の資金援助を受けて 1980 年代に開発されました。レイセオンは非ドープ多結晶イットリアを完成させ、特性評価を行いました。一方、ランタナドープイットリアは GTE ラボによって同様に開発されました。2 つのバージョンの IR 透過率、破壊靭性、熱膨張は同等でしたが、非ドープバージョンは熱伝導率が 2 倍でした。

イットリアの窓やドームへの関心が高まり、サブミクロンまたはナノサイズの粒子を持つナノスケール材料を使用して機械的特性を向上させる取り組みが促進されました。ある研究では、試験と評価のためにナノスケールの粉末を提供するために3つのベンダーが選ばれ、それらを透明なイットリアを調製するために以前に使用された従来の（5μm）イットリア粉末と比較しました。評価されたナノ粉末はすべて、完全な透明度に加工するには不純物レベルが高すぎましたが、そのうち2つは理論密度と中程度の透明度に加工されました。サンプルは1400℃という低温で閉気孔状態に焼結されました。^[47]

比較的短い焼結期間の後、部品は熱間静水圧プレス（HIP）に入れられ、初期焼結と同程度の温度で約30 kpsi（約200 MPa）で3～10時間処理される。加えられた静水圧は、原子拡散係数を大幅に増加させることで緻密化のための追加の駆動力を提供し、粒界および粒間細孔またはその付近で追加の粘性流動を促進する。この方法を使用することで、透明なイットリアナノ材料がより低い温度、より短い総焼成時間で、熱伝導率を低下させる傾向がある余分な添加剤なしで製造された。^[47]

最近、ムゾンは、ガラスカプセル化法と、1600 °C での真空焼結、続いて高度に凝集した市販の粉末の 1500 °C での熱間静水圧プレス (HIP) を組み合わせた新しい方法を開発した。真空ガラスカプセルを使用して HIP 処理を実行すると、真空焼結後に開いた気孔を示したサンプルを透明になるまで焼結することができた。調査した粉末の焼結反応は、反射と透過の両方で走査型電子顕微鏡と光学顕微鏡を使用した注意深い微細構造観察によって研究された。この方法の鍵は、予備焼結中に気孔を粒界に保持し、その後 HIP 処理で除去できるようにすることである。密に詰まった粒子の凝集体は、完全に密度が高まり、粒界気孔のみを残すため、この目的を達成するのに役立つことがわかった。^[48]

レイセオンでの研究以前は、ナノ複合セラミック材料の光学特性はほとんど注目されていませんでした。彼らの研究は、ナノ複合光学セラミックの理論値に近い透過率を初めて明確に実証しました。イットリア/マグネシアの二元系は、ナノ複合材料の形成に理想的なモデル系です。構成相のいずれかに固溶度が限られているため、幅広い組成を調査して相互比較することができます。状態図によると、二相混合物は、約 2100 °C 未満のすべての温度で安定しています。さらに、イットリアもマグネシアも、EM スペクトルの 3 ～ 5 μm の中間範囲の IR 部分で吸収を示しません。

光学ナノ複合材料では、2 つ以上の相互浸透相がサブマイクロメートルの粒子サイズの完全に高密度のボディに混合されます。個々の相の粒子サイズが赤外線波長よりも大幅に小さい限り、材料内での赤外線散乱は最小限に抑えられます (または完全に排除されます)。実験データによると、ナノ複合材料の粒子サイズを光の波長の約 1/15 に制限すれば、散乱を十分に抑えることができます。

イットリアとマグネシアのナノ複合材料は、粒径が約 200 nm で製造されています。これらの材料は、3～5 μm の範囲で優れた透過率と、単相の個々の成分よりも高い強度を実現しています。^{[49] [50]}ナノ複合セラミック材料の機械的特性の向上は、広範囲に研究されてきました。SiC/Al ₂ O ₃、SiC/Si ₃ N ₄、SiC/MgO、Al ₂ O ₃ /ZrO ₂などのシステムでは、強度 (2～5 倍)、靭性 (1～4 倍)、クリープ抵抗の大幅な向上が観察されています。^{[51] [52] [53]}

観察される強化メカニズムは材料システムによって異なり、特定のシステム内であっても、強化メカニズムに関する一般的なコンセンサスは存在しないようです。たとえば、 SiC/Al ₂ O _{3システムでは、Al 2} O ₃マトリックスに SiC 粒子を追加すると、破壊メカニズムが粒間破壊から粒内破壊に変わることが広く知られ、受け入れられています。強度が向上する理由には、次のものがあります。

• ナノ複合材料の製造中に加工欠陥の集中を簡単に低減します。
• 材料の重要な欠陥サイズの縮小により、ホール・ペッチ関係式で予測される強度が増加する。
• 処理温度から冷却する際に生じる残留熱応力により、ナノ相粒子に亀裂が発生します。
• マトリックス材料中の応力誘起転位に沿った微小亀裂。^[54]

軍事分野では、可視光線（0.4～0.7マイクロメートル）と中赤外線（1～5マイクロメートル）のスペクトル領域付近の光を透過する能力を持つ、高強度で堅牢な材料に対するニーズが高まっています。これらの材料は、透明装甲を必要とする用途に必要です。透明装甲とは、光学的に透明でありながら、破片や弾道衝撃から保護するように設計された材料または材料システムです。透明装甲システムの主な要件は、指定された脅威を打ち負かすだけでなく、周囲の歪みを最小限に抑えながら複数のヒット能力を提供することです。透明装甲ウィンドウは、暗視装置と互換性がある必要もあります。より薄く、軽量で、より優れた弾道性能を提供する新しい材料が求められています。^{[55] [56]}

既存の透明装甲システムは、通常、ポリマー（ポリカーボネートなど）中間層で区切られた多くの層から構成されています。ポリマー中間層は、熱膨張の不一致による応力を緩和するとともに、セラミックからポリマーへの亀裂の伝播を防ぐために使用されます。ポリカーボネートは現在、バイザー、フェイスシールド、レーザー保護ゴーグルなどの用途にも使用されています。より軽量な材料の探求は、透明ナイロン、ポリウレタン、アクリルなどの他のポリマー材料の研究にもつながりました。透明プラスチックの光学特性と耐久性は、装甲用途での使用を制限します。1970年代に行われた調査では、ポリウレタンを装甲材料として使用することに期待が示されましたが、光学特性は透明装甲用途には不十分でした。^[23]

透明装甲には、通常の板ガラス（ソーダ石灰シリカ）、ホウケイ酸ガラス、溶融シリカなど、いくつかのガラスが使用されています。板ガラスは低コストのため最も一般的に使用されているガラスですが、光学特性と弾道性能に対する要求が高まり、新しい材料の必要性が生じています。化学処理または熱処理によりガラスの強度を高めることができ、特定のガラス系の制御された結晶化により透明なガラスセラミックを製造できます。アルストム・グリッド・リサーチ＆テクノロジー（英国スタッフォード）は、 TransArmと呼ばれるリチウムジシリケートベースのガラスセラミックを製造しました。これは透明装甲システムで使用され、車両のフロントガラスサイズ（またはそれ以上）のピースを連続生産しています。ガラスとガラスセラミックの固有の利点には、他のほとんどのセラミック材料よりもコストが低いこと、曲面形状で製造できること、大きなシートに成形できることなどがあります。^[57]

透明な結晶セラミックは、高度な脅威に対抗するために使用されます。現在、主要な透明セラミックの候補としては、アルミニウム酸窒化物(AlON)、マグネシウムアルミネートスピネル (スピネル)、単結晶アルミニウム酸化物(サファイア) の 3 つがあります。

アルミニウムオキシナイトライドスピネル（Al ₂₃ O ₂₇ N ₅）は、AlONと略され、透明装甲の有力候補の1つです。これは、Surmet CorporationによってALONという商標で製造されています。アルミニウム酸化物に窒素を組み込むと、結晶スピネル相が安定化します。これは、立方晶構造と単位格子のため、透明セラミックナノ材料として製造できる等方性材料です。したがって、細粒多結晶ナノ材料は、熱間等方圧プレスやスリップキャストなどの従来のセラミック成形技術を使用して製造および複雑な形状に成形できます。^[23]

Surmet Corporation は Raytheon の ALON 事業を買収し、現在この技術の市場を透明装甲、センサー ウィンドウ、偵察ウィンドウ、レンズやドームなどの赤外線光学機器の分野に構築し、半導体市場では石英やサファイアの代替品として利用しています。AlON ベースの透明装甲は、30calAPM2 弾や 50calAPM2 弾などの多発攻撃の脅威を阻止できることがテストで確認されています。AlON の高硬度は、スーパーマーケットで使用されているようなガラス スキャナー ウィンドウ用の最も耐久性の高いコーティングよりも優れた耐傷性を提供します。Surmet は 15"x18" の湾曲した AlON ウィンドウの製造に成功しており、現在この技術の規模拡大とコスト削減に取り組んでいます。さらに、米国陸軍と米国空軍はどちらも次世代アプリケーションの開発を模索しています。^{[23] [58] [59]}

マグネシウムアルミネートスピネル（MgAl ₂ O ₄）は、多結晶状態で0.2～5.5マイクロメートルの優れた光透過率を持つ立方晶構造の透明セラミックです。光学品質の透明スピネルは、焼結/HIP、ホットプレス、ホットプレス/HIP操作によって製造されており、熱間静水圧プレスを使用すると光学的および物理的特性が向上することが示されています。^{[23] [60]}

スピネルは、AlON に比べて加工上の利点がいくつかある。例えば、スピネル粉末は市販されているが、AlON 粉末はレイセオンの専売特許である。また、AlON よりもはるかに低い温度で加工でき、赤外線 (IR) 領域内で優れた光学特性を持つことが証明されている。光学特性の向上により、効果的な通信がミサイルドームの吸収特性によって影響を受けるセンサー用途では、スピネルが魅力的である。^{[23] [61] [62]}

スピネルは多くの用途に期待されていますが、現在、スピネルを商業化する取り組みは進行中ですが、どのメーカーからも大量に入手することはできません。スピネル製品ビジネスは、米国の主要メーカー 2 社、「Technology Assessment and Transfer」と「Surmet Corporation」によって推進されています。

NRL による文献の広範な調査では、スピネルの緻密化ダイナミクスが十分に理解されていないため、これまで高品質のスピネルを作ろうとする試みが失敗していることが明確に示されています。NRL は、スピネルの緻密化中に生じるダイナミクスについて広範な研究を行ってきました。その研究により、LiF は必要であるものの、緻密化の最終段階で非常に悪影響を及ぼすことも明らかになりました。さらに、前駆体スピネル粉末における LiF の分布は極めて重要です。

LiF焼結助剤を粉末に混合する従来のバルク混合プロセスでは、LiFの分布がかなり不均一になるため、高温で長時間の熱処理によって均質化する必要があります。Lif/スピネルの均質化温度は、LiFとAl ₂ O ₃の反応が速い温度で発生します。この有害な反応を回避するために、焼結助剤でスピネル粒子を均一にコーティングする新しいプロセスが開発されました。これにより、緻密化に必要なLifの量を減らし、最大反応温度まで急速に加熱することができます。これらの開発により、NRLはMgAl ₂ O ₄スピネルを非常に高い再現性で透明度の高いものに製造することができ、スピネルの軍事的および商業的使用が可能になるはずです。^[63]

単結晶アルミナ（サファイア– Al ₂ O ₃）は透明なセラミックです。サファイアの結晶構造は菱面体であるため、その特性は異方性があり、結晶方位によって異なります。透明アルミナは現在、生産と応用の観点から最も成熟した透明セラミックの1つであり、いくつかのメーカーから入手できます。ただし、処理温度と単結晶ブールから部品を切り出すための機械加工コストのため、コストが高くなります。また、機械的強度も非常に高いですが、これは表面仕上げに依存します。^[23]

生産と応用の観点から見たサファイアの高い成熟度は、ミサイルとドームの電磁スペクトルウィンドウと、電子/半導体産業と応用という 2 つの事業分野に起因しています。

現在、熱交換器法またはエッジ定義フィルム供給成長 (EFG) プロセスで成長するサファイアのスケールアップ計画があります。この成熟は、窓や半導体産業での使用に由来しています。単結晶成長技術を使用する Crystal Systems Inc. は、現在、サファイアブールを 13 インチ (330 mm) 直径以上にスケールアップしています。^[要出典]別の製造業者であるSaint-Gobain Group は、エッジ定義成長技術を使用して透明サファイアを製造しています。この技術で成長したサファイアは、単結晶技術で成長したものよりも光学的に劣る材料を生成しますが、はるかに安価で、硬度、透過率、耐傷性の特性の多くを保持します。サンゴバンは現在、厚さ0.43インチ（成長時）のサファイアを12インチ×18.5インチのシートで生産できるほか、厚い単曲面シートも生産できる。^[23]米陸軍研究所は現在、この材料を透明装甲システムのラミネート設計に使用することを検討している。サンゴバングループは、F-35統合打撃戦闘機とF-22ラプター次世代戦闘機の飛行要件を満たす能力を商品化している。^[24]

将来の高速赤外線誘導ミサイルには、現在使用されているものよりも大幅に耐久性が高く、かつ運用スペクトルまたは帯域幅全体にわたって最大限の透明性を維持できる新しいドーム材料が必要になる。現在の単相（結晶またはガラス）IR透過セラミック材料のグループでは、光帯域通過と機械的耐久性の間に長年の妥協点があり、ミサイル設計者は標準以下のシステム全体のパフォーマンスを受け入れざるを得ない。光学ナノ複合材料は、これらの従来の制限を克服できる新しい材料を設計する機会を提供する可能性がある。^[24]

例えば、軽量複合材でできた透明セラミック装甲は、透明アルミナ Al ₂ O ₃（またはマグネシア MgO）のフェイスプレートと透明プラスチックのバックアッププレートを使用することで形成されています。2枚のプレート（透明接着剤で接着）は、銃口速度 2,770 フィート（840 m）/秒で 0° の傾斜で発射された 0.30 AP M2 弾に対して完全な防弾性能を発揮します。^[64] 別の透明複合装甲は、2層以上の透明セラミック材料でできており、口径 .50 AP M2 弾までの小火器弾に対して完全な防弾性能を発揮します。^{[65] [66]}

イットリアとマグネシアのナノ複合材料は、平均粒径が約200nmで製造されています。これらの材料は、3～5μmのIRバンドで理論値に近い透過率を示しています。さらに、このような複合材料は、単相固体部品で観察される強度よりも高い強度を示しています。破損のメカニズムについては合意が得られていないものの、ナノ複合セラミック材料は、単相材料や均一な化学組成のナノ材料よりも優れた機械的特性を提供できることが広く認められています。^[49]

ナノ複合セラミック材料は、超塑性流動や金属のような加工性など、他の材料では実現できない興味深い機械的特性も提供します。さらなる開発により、次世代の装甲への応用に適した高強度、高透明のナノ材料が実現すると期待されています。^[23]

• 焼成前のセラミック処理、小野田 GY Jr. および Hench LL 編、(Wiley & Sons、ニューヨーク、1979 年)

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