Cerámica transparente

Muchos materiales cerámicos, tanto vítreos como cristalinos, han encontrado uso como materiales ópticamente transparentes en diversas formas, desde componentes de estado sólido a granel hasta formas de área superficial alta, como películas delgadas, recubrimientos y fibras. Dichos dispositivos han encontrado un uso generalizado para diversas aplicaciones en el campo electroóptico, entre ellas: fibras ópticas para la transmisión de ondas de luz guiadas, interruptores ópticos, amplificadores y lentes láser, hosts para láseres de estado sólido y materiales de ventanas ópticas para láseres de gas e infrarrojos (IR). ) dispositivos de búsqueda de calor para sistemas de guía de misiles y visión nocturna por infrarrojos. En el ámbito comercial y del conocimiento general, se acepta comúnmente que la cerámica transparente o el vidrio cerámico son variedades de vidrio reforzado, como los que se utilizan para el vidrio de la pantalla de un iPhone.

Si bien las cerámicas monocristalinas pueden estar en gran medida libres de defectos (particularmente dentro de la escala espacial de la onda de luz incidente), la transparencia óptica en los materiales policristalinos está limitada por la cantidad de luz que se dispersa por sus características microestructurales. Por lo tanto, la cantidad de luz dispersada depende de la longitud de onda de la radiación incidente o luz.

Por ejemplo, dado que la luz visible tiene una escala de longitud de onda del orden de cientos de nanómetros, los centros de dispersión tendrán dimensiones en una escala espacial similar. La mayoría de los materiales cerámicos, como la alúmina y sus compuestos, se forman a partir de polvos finos, lo que produce una microestructura policristalina de grano fino llena de centros de dispersión comparables a la longitud de onda de la luz visible. Por tanto, generalmente son materiales opacos en lugar de transparentes. Sin embargo, la reciente tecnología a nanoescala ha hecho posible la producción de cerámicas transparentes (poli)cristalinas como la alúmina Al₂O₃, el granate de itria y alúmina. (YAG) y Nd:YAG dopado con neodimio.

Introducción

La cerámica transparente ha adquirido recientemente un alto grado de interés y notoriedad. Las aplicaciones básicas incluyen láseres y herramientas de corte, ventanas de armadura transparentes, dispositivos de visión nocturna (NVD) y conos de nariz para misiles de búsqueda de calor. Actualmente existen materiales infrarrojos (IR) transparentes que suelen exhibir un intercambio entre rendimiento óptico y fuerza mecánica. Por ejemplo, el zafiro (alumina crystalline) es muy fuerte, pero carece de plena transparencia a lo largo de la gama de 3–5 micrometros de mediados de IR. Yttria es totalmente transparente de 3-5 micrometers, pero carece de suficiente fuerza, dureza y resistencia al choque térmico para aplicaciones aeroespaciales de alto rendimiento. No es sorprendente que una combinación de estos dos materiales en la forma del granate de yttria-alumina (YAG) haya demostrado ser uno de los mejores intérpretes en el campo.

En 1961, General Electric comenzó a vender bombillas transparentes de alumina Lucalox. En 1966, GE anunció una cerámica "transparente como vidrio", llamada Yttralox. En 2004, Anatoly Rosenflanz y colegas de 3M utilizaron una técnica de "espray en llamas" para aleación de óxido de aluminio (o alumina) con óxidos de metal de poca profundidad para producir cerámica de vidrio de alta resistencia con buenas propiedades ópticas. El método evita muchos de los problemas encontrados en la formación de vidrio convencional y puede ser extensible a otros óxidos. Este objetivo se ha logrado fácilmente y se ha demostrado ampliamente en laboratorios e instalaciones de investigación de todo el mundo utilizando los métodos emergentes de procesamiento químico abarcados por los métodos de la química sol-gel y la nanotecnología.

Muchos materiales cerámicos, tanto vítreos como cristalinos, han encontrado uso como anfitriones para láseres de estado sólido y como materiales de ventanas ópticas para láseres de gas. El primer láser funcional fue fabricado por Theodore H. Maiman en 1960 en los Laboratorios de Investigación Hughes en Malibú, quien tenía ventaja sobre otros equipos de investigación dirigidos por Charles H. Townes en la Universidad de Columbia, Arthur Schawlow en los Laboratorios Bell y Gould en TRG (Technical). Grupo de investigacion). Maiman utilizó un rubí sintético bombeado con luz en estado sólido para producir luz láser roja a una longitud de onda de 694 nanómetros (nm). Los láseres de rubí sintético todavía se utilizan. Tanto los zafiros como los rubíes son corindón, una forma cristalina de óxido de aluminio (Al2O3).

Cristales

Los láseres de rubí constan de varillas monocristalinas de alúmina de zafiro (Al₂O₃) dopadas con una pequeña concentración de cromo Cr, normalmente en el rango del 0,05%. Las caras de los extremos están muy pulidas con una configuración plana y paralela. El YAG (Nd:YAG) dopado con neodimio ha demostrado ser uno de los mejores materiales láser de estado sólido. Su dominio indiscutible en una amplia variedad de aplicaciones láser está determinado por una combinación de una sección transversal de alta emisión con una larga vida útil de emisión espontánea, un alto umbral de daño, resistencia mecánica, conductividad térmica y baja distorsión del haz térmico. El hecho de que el crecimiento de cristales de Czochralski de Nd:YAG sea un procedimiento tecnológico maduro, altamente reproducible y relativamente simple aumenta significativamente el valor del material.

Los láseres Nd:YAG se utilizan en la fabricación para grabar, grabar o marcar una variedad de metales y plásticos. Se utilizan ampliamente en la fabricación para cortar y soldar acero y diversas aleaciones. Para aplicaciones automotrices (corte y soldadura de acero), los niveles de potencia suelen ser de 1 a 5 kW. Además, los láseres Nd:YAG se utilizan en oftalmología para corregir la opacificación capsular posterior, una afección que puede ocurrir después de la cirugía de cataratas, y para la iridotomía periférica en pacientes con glaucoma agudo de ángulo cerrado, donde ha reemplazado a la iridectomía quirúrgica. Los láseres Nd:YAG de frecuencia duplicada (longitud de onda de 532 nm) se utilizan para la fotocoagulación panrretiniana en pacientes con retinopatía diabética. En oncología, los láseres Nd:YAG se pueden utilizar para eliminar cánceres de piel. Estos láseres también se utilizan ampliamente en el campo de la medicina estética para la depilación láser y el tratamiento de defectos vasculares menores como las arañas vasculares en la cara y las piernas. Recientemente se ha utilizado para disecar la celulitis, una rara enfermedad de la piel que suele aparecer en el cuero cabelludo. Utilizando la histeroscopia en el campo de la ginecología, el láser Nd:YAG se ha utilizado para eliminar los tabiques uterinos dentro del interior del útero. En odontología, los láseres Nd:YAG se utilizan para cirugías de tejidos blandos en la cavidad bucal.

Gafas

Los vidrios (cerámicas no cristalinas) también se utilizan ampliamente como materiales anfitriones para láseres. En comparación con los láseres cristalinos, ofrecen una flexibilidad mejorada en tamaño y forma y pueden fabricarse fácilmente como sólidos isotrópicos grandes, homogéneos con excelentes propiedades ópticas. Los índices de refracción de los hosts láser de vidrio pueden variar entre aproximadamente 1,5 y 2,0, y tanto el coeficiente de temperatura de n como el coeficiente de deformación óptica pueden adaptarse alterando la composición química. Sin embargo, los vidrios tienen conductividades térmicas más bajas que la alúmina o el YAG, lo que impone limitaciones a su uso en aplicaciones continuas y de alta tasa de repetición.

Las principales diferencias entre el comportamiento de los materiales receptores de láser de vidrio y cerámica cristalina están asociadas con la mayor variación en el entorno local de los iones láser en sólidos amorfos. Esto conduce a un aumento de los niveles de fluorescencia en los vasos. Por ejemplo, el ancho de la emisión de Nd³⁺ en YAG es ~ 10 angstroms en comparación con ~ 300 angstroms en los vidrios de óxido típicos. Las líneas fluorescentes ensanchadas en los vidrios hacen que sea más difícil obtener una operación de láser de onda continua (CW), en comparación con los mismos iones láser en hosts láser sólidos cristalinos.

Se utilizan varios vidrios con armadura transparente, como vidrio plano normal (sódica-cal-sílice), vidrio de borosilicato y sílice fundida. El vidrio plano ha sido el vidrio más utilizado debido a su bajo costo. Pero los mayores requisitos en cuanto a propiedades ópticas y rendimiento balístico han hecho necesario el desarrollo de nuevos materiales. Los tratamientos químicos o térmicos pueden aumentar la resistencia de los vidrios, y la cristalización controlada de determinadas composiciones de vidrio puede producir vitrocerámicas de calidad óptica. Alstom Grid Ltd. produce actualmente una vitrocerámica a base de disilicato de litio conocida como TransArm, para su uso en sistemas de armadura transparente. Tiene toda la trabajabilidad de un vidrio amorfo, pero tras la recristalización demuestra propiedades similares a las de una cerámica cristalina. Vycor es 96% de vidrio de sílice fundida, que es transparente, liviano y de alta resistencia. Una ventaja de este tipo de materiales es que se pueden producir en láminas grandes y otras formas curvas.

Nanomateriales

Se ha demostrado bastante recientemente que los elementos láser (amplificadores, interruptores, hosts de iones, etc.) fabricados a partir de nanomateriales cerámicos de grano fino (producidos mediante la sinterización a baja temperatura de nanopartículas y polvos de alta pureza) se pueden producir a un precio relativamente bajo. bajo costo. Estos componentes están libres de tensión interna o birrefringencia intrínseca y permiten niveles de dopaje relativamente grandes o perfiles de dopaje optimizados y diseñados a medida. Esto destaca el uso de nanomateriales cerámicos como particularmente importante para elementos y aplicaciones láser de alta energía.

Los centros de dispersión primarios en nanomateriales policristalinos, elaborados a partir de la sinterización de nanopartículas y polvos de alta pureza, incluyen defectos microestructurales como porosidad residual y límites de grano (consulte Materiales transparentes). Por tanto, la opacidad resulta en parte de la dispersión incoherente de la luz en las superficies e interfaces internas. Además de la porosidad, la mayoría de las interfaces o superficies internas de los nanomateriales cerámicos tienen la forma de límites de grano que separan regiones a nanoescala de orden cristalino. Además, cuando el tamaño del centro de dispersión (o límite de grano) se reduce muy por debajo del tamaño de la longitud de onda de la luz que se dispersa, la dispersión de la luz ya no se produce en un grado significativo.

En el procesamiento de nanomateriales cerámicos de alto rendimiento con propiedades optomecánicas superiores en condiciones adversas, el tamaño de los granos cristalinos está determinado en gran medida por el tamaño de las partículas cristalinas presentes en la materia prima durante la síntesis o formación del objeto. . Por lo tanto, una reducción del tamaño de partícula original muy por debajo de la longitud de onda de la luz visible (~ 0,5 μm o 500 nm) elimina gran parte de la dispersión de la luz, lo que da como resultado un material translúcido o incluso transparente.

Además, los resultados indican que los poros microscópicos en nanomateriales de cerámica sinterizados, principalmente atrapados en las uniones de los granos microcrystalinos, causan que la luz se dispersa y evitan la verdadera transparencia. Se ha observado que la fracción total del volumen de estos poros nanoescala (tanto porosidad intergranular como intragranular) debe ser inferior al 1% para la transmisión óptica de alta calidad, es decir, la densidad tiene que ser el 99,99% de la densidad cristalina teórica.

Láseres

Nd:YAG

Por ejemplo, Konoshima Chemical Co. en Japón ha demostrado un láser Nd:YAG de 1,46 kW. Además, los investigadores de Livermore se dieron cuenta de que estos nanomateriales cerámicos de grano fino podrían beneficiar enormemente a los láseres de alta potencia utilizados en la Dirección de Programas de la Instalación Nacional de Ignición (NIF). En particular, un equipo de investigación de Livermore comenzó a adquirir nanomateriales transparentes avanzados de Konoshima para determinar si podían cumplir con los requisitos ópticos necesarios para el láser de capacidad térmica de estado sólido (SSHCL) de Livermore. Los investigadores de Livermore también han estado probando aplicaciones de estos materiales para aplicaciones como controladores avanzados para plantas de energía de fusión impulsadas por láser.

Asistida por varios trabajadores del NIF, el equipo Livermore ha producido muestras de 15 mm de diámetro de Nd transparente:YAG de partículas y polvos de nanoescala, y determinó los parámetros más importantes que afectan su calidad. En estos objetos, el equipo siguió en gran medida las metodologías de producción y procesamiento japonesas, y utilizó un horno en casa para aspirar a los nanopolvos. Todos los especímenes fueron enviados para el prensado isoestático caliente (HIP). Por último, los componentes fueron devueltos a Livermore para recubrimiento y pruebas, con resultados que indicaban calidad óptica y propiedades excepcionales.

Un consorcio japonés y de las Indias Orientales se ha centrado específicamente en las características espectroscópicas y de emisión estimulada del Nd³⁺ en nanomateriales YAG transparentes para aplicaciones láser. Sus materiales se sintetizaron mediante técnicas de sinterización al vacío. Los estudios espectroscópicos sugieren una mejora general en la absorción y emisión y una reducción en la pérdida por dispersión. Las observaciones con microscopio electrónico de barrido y microscopio electrónico de transmisión revelaron una calidad óptica excelente con un volumen de poro bajo y un ancho de límite de grano estrecho. Las mediciones de fluorescencia y Raman revelan que el nanomaterial YAG dopado con Nd³⁺ es comparable en calidad a su homólogo monocristalino tanto en sus propiedades radiativas como no radiativas. Los niveles individuales de Stark se obtienen a partir de los espectros de absorción y fluorescencia y se analizan para identificar los posibles canales de emisión estimulados en el material. Los estudios de rendimiento del láser favorecen el uso de altas concentraciones de dopantes en el diseño de un láser de microchip eficiente. Con un 4 at% de dopante, el grupo obtuvo una eficiencia de pendiente del 40%. Los experimentos con láser de alta potencia producen una eficiencia de conversión óptica a óptica del 30% para el nanomaterial YAG de Nd (0,6 at%) en comparación con el 34% para un monocristal de YAG de Nd (0,6 at%). Las mediciones de ganancia óptica realizadas en estos materiales también muestran valores comparables a los de un solo cristal, lo que respalda la afirmación de que estos materiales podrían ser sustitutos adecuados de los monocristales en aplicaciones de láser de estado sólido.

Itria, Y2O3

El trabajo inicial en el desarrollo de nanomateriales transparentes de óxido de itrio lo llevó a cabo General Electric en la década de 1960.

En 1966, el Dr. Richard C. Anderson en el Laboratorio de Investigación de General Electric inventó una cerámica transparente, el Yttralox, y los Dres. Paul J. Jorgensen, Joseph H. Rosolowski y Douglas St. Pierre. Yttralox es "transparente como el vidrio", tiene un punto de fusión dos veces mayor y transmite frecuencias en la banda infrarroja cercana, así como luz visible.

General Electric llevó a cabo un mayor desarrollo de nanomateriales cerámicos de itrio en la década de 1970 en Schenectady y Cleveland, motivado por la iluminación y las aplicaciones de láser cerámico. Greskovich y Woods fabricaron Yttralox, óxido de itrio transparente Y₂O₃ que contiene ~ 10% de óxido de torio (ThO₂). El aditivo sirvió para controlar el crecimiento de los granos durante la densificación, de modo que la porosidad permaneciera en los límites de los granos y no quedara atrapada dentro de los granos, donde sería bastante difícil de eliminar durante las etapas iniciales de la sinterización. Normalmente, a medida que las cerámicas policristalinas se densifican durante el tratamiento térmico, los granos aumentan de tamaño mientras que la porosidad restante disminuye tanto en fracción de volumen como en tamaño. Las cerámicas ópticamente transparentes deben estar prácticamente libres de poros.

Al Yttralox transparente de GE le siguió la itria dopada con lantano de GTE con un nivel similar de aditivo. Ambos materiales requirieron tiempos de cocción prolongados a temperaturas superiores a 2000 °C. La₂O₃ – Y₂O₃ dopado es de interés para aplicaciones de infrarrojos (IR) porque es uno de los óxidos transmisores de longitud de onda más larga. Es refractario con un punto de fusión de 2430 °C y tiene un coeficiente moderado de expansión térmica. La resistencia al choque térmico y a la erosión se considera intermedia entre los óxidos, pero sobresaliente en comparación con los materiales transmisores de IR sin óxido. Una consideración importante es la baja emisividad de la itria, que limita la radiación de fondo al calentarse. También se sabe que el borde del fonón se mueve gradualmente a longitudes de onda más cortas a medida que se calienta el material.

Además, la propia itria, Y₂O₃, se ha identificado claramente como un posible material láser de estado sólido. En particular, los láseres con iterbio como dopante permiten un funcionamiento eficiente tanto en funcionamiento cw y en regímenes pulsados.

En caso de una alta concentración de excitaciones (del orden del 1%) y un enfriamiento deficiente, se produce la extinción de la emisión a la frecuencia del láser y la emisión de avalancha de banda ancha.

Futuro

El equipo de Livermore también está explorando nuevas formas de sintetizar químicamente los nanopolvos iniciales. Aprovechando la experiencia adquirida en CMS durante los últimos cinco años, el equipo está sintetizando nanopolvos basados en el procesamiento sol-gel y luego sinterizándolos en consecuencia para obtener los componentes láser de estado sólido. Otra técnica que se está probando utiliza un proceso de combustión para generar polvos quemando un sólido orgánico que contiene itrio, aluminio y neodimio. A continuación se recoge el humo, que está formado por nanopartículas esféricas.

El equipo de Livermore también está explorando nuevas técnicas de conformado (por ejemplo, moldeo por extrusión) que tienen la capacidad de crear formas más diversas y posiblemente más complicadas. Estos incluyen carcasas y tubos para un mejor acoplamiento a la luz de la bomba y una transferencia de calor más eficiente. Además, se pueden coextruir diferentes materiales y luego sinterizarlos en un sólido monolítico transparente. Se puede formar una losa amplificadora de modo que parte de la estructura actúe en la transmisión de ondas de luz guiadas para enfocar la luz de bombeo de los diodos láser en regiones con una alta concentración de iones dopantes cerca del centro de la losa.

En general, los nanomateriales prometen ampliar en gran medida la disponibilidad de componentes láser de alta gama y bajo costo en tamaños mucho más grandes de lo que sería posible con las cerámicas monocristalinas tradicionales. Muchas clases de diseños láser podrían beneficiarse de estructuras láser basadas en nanomateriales, como amplificadores con revestimientos de bordes incorporados. Los nanomateriales también podrían proporcionar diseños más robustos y compactos para láseres de fusión de alta potencia para la administración de arsenales, así como láseres de alta potencia promedio para sistemas de defensa antimisiles ICBM de teatro global (por ejemplo, la Iniciativa de Defensa Estratégica SDI, o más recientemente la Agencia de Defensa Antimisiles.

Visión nocturna

Un dispositivo de visión nocturna (NVD) es un instrumento óptico que permite producir imágenes en niveles de luz cercanos a la oscuridad total. Los utilizan con mayor frecuencia los militares y los organismos encargados de hacer cumplir la ley, pero están disponibles para usuarios civiles. Los dispositivos de visión nocturna se utilizaron por primera vez en la Segunda Guerra Mundial. y se utilizó ampliamente durante la guerra de Vietnam. La tecnología ha evolucionado mucho desde su introducción, lo que ha llevado a que varias "generaciones" de equipos de visión nocturna cuyo rendimiento aumenta y su precio disminuye. La Fuerza Aérea de los Estados Unidos está experimentando con gafas panorámicas de visión nocturna (PNVG, por sus siglas en inglés) que duplican el campo de visión del usuario a aproximadamente 95 grados mediante el uso de cuatro tubos intensificadores de imagen de 16 mm, en lugar de los dos tubos más estándar de 18 mm.

Las imágenes térmicas son presentaciones visuales de la cantidad de energía infrarroja (IR) emitida, transmitida y reflejada por un objeto. Debido a que existen múltiples fuentes de energía infrarroja, es difícil obtener una temperatura precisa de un objeto utilizando este método. Una cámara termográfica es capaz de realizar algoritmos para interpretar esos datos y construir una imagen. Aunque la imagen muestra al espectador una aproximación de la temperatura a la que está funcionando el objeto, la cámara utiliza múltiples fuentes de datos basadas en las áreas que rodean el objeto para determinar ese valor en lugar de detectar la temperatura.

Los dispositivos infrarrojos de visión nocturna obtienen imágenes en el infrarrojo cercano, justo más allá del espectro visual, y pueden ver el infrarrojo cercano emitido o reflejado en completa oscuridad visual. Todos los objetos por encima de la temperatura del cero absoluto (0 K) emiten radiación infrarroja. Por lo tanto, una excelente manera de medir las variaciones térmicas es utilizar un dispositivo de visión infrarroja, generalmente una cámara infrarroja de matriz de plano focal (FPA) capaz de detectar radiación en ondas infrarrojas medias (3 a 5 μm) y largas (7 a 14 μm). bandas, denominadas MWIR y LWIR, correspondientes a dos de las ventanas infrarrojas de alta transmitancia. Los perfiles de temperatura anormales en la superficie de un objeto son una indicación de un problema potencial. La termografía infrarroja, las imágenes térmicas y el vídeo térmico son ejemplos de la ciencia de las imágenes infrarrojas. Las cámaras termográficas detectan radiación en el rango infrarrojo del espectro electromagnético (aproximadamente 900 a 14 000 nanómetros o 0,9 a 14 μm) y producen imágenes de esa radiación, llamadas termogramas.

Como la radiación infrarroja es emitida por todos los objetos cercanos a la temperatura ambiente, según la ley de radiación del cuerpo negro, la termografía permite ver el ambiente con o sin iluminación visible. La cantidad de radiación emitida por un objeto aumenta con la temperatura. Por lo tanto, la termografía permite ver variaciones en la temperatura. Cuando se ve a través de una cámara de imágenes térmicas, objetos cálidos se destacan bien contra fondos más frescos; humanos y otros animales de sangre caliente se vuelven fácilmente visibles contra el medio ambiente, día o noche. En consecuencia, la termografía es particularmente útil para los servicios militares y de seguridad.

Termografía

En la imagen termográfica, la radiación infrarroja con longitudes de onda entre 8–13 micrometros golpea el material detector, calentarlo y cambiando así su resistencia eléctrica. Este cambio de resistencia se mide y procesa en temperaturas que se pueden utilizar para crear una imagen. A diferencia de otros tipos de equipos de detección de infrarrojos, los microbolometros que utilizan un detector de cerámica transparente no requieren enfriamiento. Así, un microbolometro es esencialmente un sensor térmico no refrigerado.

El material utilizado en el detector debe demostrar grandes cambios en la resistencia como resultado de cambios mínimos de temperatura. A medida que el material se calienta, debido a la radiación infrarroja entrante, la resistencia del material disminuye. Esto está relacionado con el coeficiente de resistencia a la temperatura (TCR) del material, específicamente con su coeficiente de temperatura negativo. Actualmente, la industria fabrica microbolómetros que contienen materiales con TCR cercanos al −2%.

VO2 y V2O5

El material cerámico más utilizado en los microbolómetros de radiación IR es el óxido de vanadio. Las diversas formas cristalinas de óxido de vanadio incluyen tanto VO₂ como V₂O₅. La deposición a altas temperaturas y la realización de un post-recocido permiten la producción de películas delgadas de estos compuestos cristalinos con propiedades superiores, que pueden integrarse fácilmente en el proceso de fabricación. El VO₂ tiene baja resistencia pero sufre un cambio de fase de aislamiento metálico cerca de 67 °C y también tiene un valor de TCR más bajo. Por otro lado, el V₂O₅ exhibe una alta resistencia y también un alto TCR.

Otros materiales cerámicos transparentes IR que se han investigado incluyen formas dopadas de CuO, MnO y SiO.

Misiles

Muchos nanomateriales cerámicos de interés para soluciones de armadura transparente también se utilizan para ventanas electromagnéticas (EM). Estas aplicaciones incluyen radomos, domos IR, protección de sensores y ventanas multiespectrales. Las propiedades ópticas de los materiales utilizados para estas aplicaciones son críticas, ya que la ventana de transmisión y los cortes relacionados (UV – IR) controlan el ancho de banda espectral sobre el cual la ventana está operativa. Estos materiales no sólo deben poseer resistencia a la abrasión y propiedades resistentes comunes a la mayoría de las aplicaciones de armadura, sino que, debido a las temperaturas extremas asociadas con el entorno de aviones y misiles militares, también deben poseer una excelente estabilidad térmica.

La radiación térmica es radiación electromagnética emitida desde la superficie de un objeto debido a la temperatura del objeto. La localización por infrarrojos se refiere a un sistema pasivo de guía de misiles que utiliza la emisión de un objetivo de radiación electromagnética en la parte infrarroja del espectro para rastrearlo. Los misiles que utilizan la búsqueda por infrarrojos a menudo se denominan "buscadores de calor", ya que el infrarrojo está justo por debajo del espectro de luz visible en frecuencia y es irradiado fuertemente por cuerpos calientes. Muchos objetos, como personas, motores de vehículos y aviones, generan y retienen calor y, como tales, son especialmente visibles en las longitudes de onda de luz infrarroja en comparación con los objetos del fondo.

Zafiro

El material elegido actualmente para las cúpulas de misiles guiados por infrarrojos de alta velocidad es el zafiro monocristalino. La transmisión óptica del zafiro no se extiende para cubrir todo el rango del infrarrojo medio (3 a 5 μm), sino que comienza a disminuir en longitudes de onda superiores a aproximadamente 4,5 μm a temperatura ambiente. Si bien la resistencia del zafiro es mejor que la de otros materiales de cúpula infrarroja de rango medio disponibles a temperatura ambiente, se debilita por encima de ~600 °C.

Las limitaciones de los zafiros de mayor superficie suelen estar relacionadas con el negocio, ya que se necesitan hornos de inducción más grandes y matrices de herramientas costosas para superar los límites de fabricación actuales. Sin embargo, como industria, los productores de zafiro han seguido siendo competitivos frente al vidrio endurecido con recubrimiento y los nuevos nanomateriales cerámicos, y aun así lograron ofrecer un alto rendimiento y un mercado ampliado.

Itria, Y2O3

Los materiales alternativos, como el óxido de itrio, ofrecen un mejor rendimiento óptico, pero una durabilidad mecánica inferior. Los futuros misiles guiados por infrarrojos de alta velocidad requerirán nuevas cúpulas que sean sustancialmente más duraderas que las que se utilizan hoy en día, y al mismo tiempo conserven la máxima transparencia en una amplia gama de longitudes de onda. Existe un equilibrio de larga data entre el paso de banda óptico y la durabilidad mecánica dentro de la colección actual de materiales de transmisión de infrarrojos monofásicos, lo que obliga a los diseñadores de misiles a comprometer el rendimiento del sistema. Los nanocompuestos ópticos pueden presentar la oportunidad de diseñar nuevos materiales que superen este compromiso tradicional.

Las primeras cúpulas de misiles a gran escala de itria transparente fabricadas a partir de polvos cerámicos a nanoescala se desarrollaron en la década de 1980 con financiación de la Marina. Raytheon perfeccionó y caracterizó su itria policristalina sin dopar, mientras que GTE Labs desarrolló de manera similar la itria dopada con lantano. Las dos versiones tenían transmitancia de IR, tenacidad a la fractura y expansión térmica comparables, mientras que la versión sin dopar exhibía el doble de valor de conductividad térmica.

El renovado interés en las ventanas y cúpulas de itria ha impulsado esfuerzos para mejorar las propiedades mecánicas mediante el uso de materiales a nanoescala con granos submicrométricos o nanométricos. En un estudio, se seleccionaron tres proveedores para proporcionar polvos a nanoescala para pruebas y evaluación, y se compararon con un polvo de itria convencional (5 μm) utilizado anteriormente para preparar itria transparente. Si bien todos los nanopolvos evaluados tenían niveles de impureza demasiado altos para permitir el procesamiento con total transparencia, 2 de ellos se procesaron hasta alcanzar una densidad teórica y una transparencia moderada. Las muestras se sinterizaron hasta un estado de poro cerrado a temperaturas tan bajas como 1400 C.

Después del período de sinterización relativamente corto, el componente se coloca en una prensa isostática caliente (HIP) y se procesa durante 3 a 10 horas a ~ 30 kpsi (~200 MPa) a una temperatura similar a la de la sinterización inicial. La presión isostática aplicada proporciona una fuerza impulsora adicional para la densificación al aumentar sustancialmente los coeficientes de difusión atómica, lo que promueve un flujo viscoso adicional en o cerca de los límites de los granos y los poros intergranulares. Utilizando este método, se produjeron nanomateriales de itria transparentes a temperaturas más bajas, tiempos totales de cocción más cortos y sin aditivos adicionales que tienden a reducir la conductividad térmica.

Recientemente, Mouzon ha desarrollado un método más nuevo, que se basa en los métodos de encapsulación de vidrio, combinados con sinterización al vacío a 1600 °C seguido de prensado isostático en caliente (HIP) a 1500 °C de un polvo comercial altamente aglomerado. . El uso de cápsulas de vidrio al vacío para realizar el tratamiento HIP permitió que las muestras que mostraban porosidad abierta después de la sinterización al vacío se sinterizaran hasta obtener transparencia. La respuesta de sinterización del polvo investigado se estudió mediante cuidadosas observaciones microestructurales utilizando microscopía electrónica de barrido y microscopía óptica tanto en reflexión como en transmisión. La clave de este método es mantener la porosidad intergranular durante la presinterización, para que pueda eliminarse posteriormente mediante el tratamiento HIP. Se encontró que los aglomerados de partículas muy compactas son útiles para lograr ese propósito, ya que se densifican completamente y dejan solo porosidad intergranular.

Compuestos

Antes del trabajo realizado en Raytheon, las propiedades ópticas de los materiales cerámicos nanocompuestos habían recibido poca atención. Sus estudios demostraron claramente por primera vez una transmisión casi teórica en cerámicas ópticas nanocompuestas. El sistema binario itria/magnesia es un sistema modelo ideal para la formación de nanocompuestos. Existe una solubilidad sólida limitada en cualquiera de las fases constituyentes, lo que permite investigar y comparar una amplia gama de composiciones entre sí. Según el diagrama de fases, las mezclas bifásicas son estables para todas las temperaturas inferiores a ~ 2100 °C. Además, ni la itria ni la magnesia muestran absorción alguna en la porción IR de rango medio de 3 a 5 μm del espectro EM.

En los nanocompuestos ópticos, dos o más fases interpenetrantes se mezclan en un cuerpo completamente denso y de tamaño de grano submicrométrico. La dispersión de la luz infrarroja se puede minimizar (o incluso eliminar) en el material siempre que el tamaño de grano de las fases individuales sea significativamente menor que las longitudes de onda infrarrojas. Los datos experimentales sugieren que limitar el tamaño de grano del nanocompuesto a aproximadamente 1/15 de la longitud de onda de la luz es suficiente para limitar la dispersión.

Se han producido nanocompuestos de itria y magnesia con un tamaño de grano de aproximadamente 200 nm. Estos materiales han producido una buena transmisión en el rango de 3 a 5 μm y resistencias superiores a las de los componentes individuales monofásicos. Se ha estudiado ampliamente la mejora de las propiedades mecánicas de los materiales cerámicos nanocompuestos. Se han observado aumentos significativos en la resistencia (2 a 5 veces), tenacidad (1 a 4 veces) y resistencia a la fluencia en sistemas que incluyen SiC/Al₂O₃, SiC. /Si₃N₄, SiC/MgO y Al₂O₃/ZrO₂.

Los mecanismos de fortalecimiento observados varían dependiendo del sistema material, y no parece haber ningún consenso general con respecto a los mecanismos de fortalecimiento, incluso dentro de un sistema determinado. En el sistema SiC/Al₂O₃, por ejemplo, es ampliamente conocido y aceptado que la adición de partículas de SiC al sistema Al₂ La matriz O₃ da como resultado un cambio en el mecanismo de falla de fractura intergranular (entre granos) a intragranular (dentro de los granos). Las explicaciones para la mejora de la fuerza incluyen:

• Una simple reducción de la concentración de defectos de procesamiento durante la fabricación nanocompuesta.
• Reducción del tamaño crítico de las fallas en el material, lo que se traduce en mayor fuerza como lo predijo la relación Hall-Petch)
• Deflexión de cuello a partículas nanofase debido a tensiones térmicas residuales introducidas a temperaturas de procesamiento de forma de enfriamiento.
• Microcracking a lo largo de dislocaciones inducidas por el estrés en el material de matriz.

Armadura

Existe una necesidad cada vez mayor en el sector militar de materiales robustos y de alta resistencia que tengan la capacidad de transmitir luz alrededor de las regiones visibles (0,4 a 0,7 micrómetros) y del infrarrojo medio (1 a 5 micrómetros) del espectro. Estos materiales son necesarios para aplicaciones que requieren una armadura transparente. La armadura transparente es un material o sistema de materiales diseñados para ser ópticamente transparentes y, al mismo tiempo, proteger contra fragmentación o impactos balísticos. El requisito principal para un sistema de blindaje transparente es no sólo derrotar la amenaza designada sino también proporcionar una capacidad de múltiples impactos con una distorsión mínima de las áreas circundantes. Las ventanas blindadas transparentes también deben ser compatibles con los equipos de visión nocturna. Se buscan nuevos materiales que sean más finos, ligeros y que ofrezcan mejores prestaciones balísticas.

Los sistemas de armadura transparente existentes suelen tener muchas capas, separadas por capas intermedias de polímero (por ejemplo, policarbonato). La capa intermedia de polímero se utiliza para mitigar las tensiones debidas a los desajustes de expansión térmica, así como para detener la propagación de grietas de la cerámica al polímero. El policarbonato también se utiliza actualmente en aplicaciones como visores, protectores faciales y gafas de protección láser. La búsqueda de materiales más ligeros también ha llevado a investigaciones sobre otros materiales poliméricos como el nailon transparente, el poliuretano y los acrílicos. Las propiedades ópticas y la durabilidad de los plásticos transparentes limitan su uso en aplicaciones de armadura. Las investigaciones realizadas en la década de 1970 habían demostrado ser prometedoras para el uso de poliuretano como material de armadura, pero las propiedades ópticas no eran adecuadas para aplicaciones de armadura transparente.

Se utilizan varios vidrios en armaduras transparentes, como vidrio plano normal (sódica-cal-sílice), vidrios de borosilicato y sílice fundida. El vidrio plano ha sido el vidrio más utilizado debido a su bajo costo, pero mayores requisitos de propiedades ópticas y rendimiento balístico han generado la necesidad de nuevos materiales. Los tratamientos químicos o térmicos pueden aumentar la resistencia de los vidrios, y la cristalización controlada de ciertos sistemas de vidrio puede producir vitrocerámicas transparentes. Investigación y análisis de Alstom Grid Technology (Stafford, Reino Unido), produjo una vitrocerámica a base de disilicato de litio conocida como TransArm, para su uso en sistemas de blindaje transparente con producción continua que produce piezas del tamaño de un parabrisas de vehículo (y más grandes). Las ventajas inherentes de los vidrios y las vitrocerámicas incluyen su menor costo que la mayoría de los demás materiales cerámicos, la capacidad de producirse en formas curvas y la capacidad de formarse en láminas grandes.

La cerámica cristalina transparente se utiliza para derrotar amenazas avanzadas. Actualmente existen tres candidatos transparentes principales: oxinitruro de aluminio (AlON), espinela de aluminato de magnesio (espinela) y óxido de aluminio monocristalino (zafiro).

Espinela oxinitruro de aluminio

El oxinitruro de aluminio espinela (Al₂₃O₂₇N₅), abreviado como AlON, es uno de los principales candidatos para la armadura transparente. Es producido por Surmet Corporation bajo la marca comercial ALON. La incorporación de nitrógeno al óxido de aluminio estabiliza una fase cristalina de espinela, que debido a su estructura cristalina cúbica y celda unitaria, es un material isotrópico que puede producirse como nanomaterial cerámico transparente. Por lo tanto, los nanomateriales policristalinos de grano fino se pueden producir y formar en geometrías complejas utilizando técnicas de formación de cerámica convencionales, como el prensado isostático en caliente y la fundición deslizante.

La Surmet Corporation ha adquirido el negocio ALON de Raytheon y actualmente está construyendo un mercado para esta tecnología en el área de armadura transparente, ventanas de sensores, ventanas de reconocimiento y ópticas IR como lentes y domos y como alternativa al cuarzo. y zafiro en el mercado de semiconductores. La armadura transparente basada en AlON ha sido probada para detener con éxito amenazas de múltiples impactos, incluidas rondas de 30calAPM2 y 50calAPM2. La alta dureza de AlON proporciona una resistencia al rayado que supera incluso a los revestimientos más duraderos para ventanas de escáner de vidrio, como los que se utilizan en los supermercados. Surmet ha producido con éxito un panel de 15"x18" ventana curva AlON y actualmente está intentando ampliar la tecnología y reducir el costo. Además, el Ejército y la Fuerza Aérea de los EE. UU. están buscando desarrollar aplicaciones de próxima generación.

Espinela

La espinela de aluminato de magnesio (MgAl₂O₄) es una cerámica transparente con estructura cristalina cúbica con una excelente transmisión óptica de 0,2 a 5,5 micrómetros en su forma policristalina. Se ha producido espinela transparente de calidad óptica mediante operaciones de sinterización/HIP, prensado en caliente y prensado en caliente/HIP, y se ha demostrado que el uso de una prensa isostática caliente puede mejorar sus propiedades ópticas y físicas.

La espinela ofrece algunas ventajas de procesamiento sobre AlON, como el hecho de que el polvo de espinela está disponible a través de fabricantes comerciales, mientras que los polvos de AlON son propiedad de Raytheon. También es capaz de procesarse a temperaturas mucho más bajas que AlON y se ha demostrado que posee propiedades ópticas superiores dentro de la región infrarroja (IR). Las características ópticas mejoradas hacen que la espinela sea atractiva en aplicaciones de sensores donde la comunicación efectiva se ve afectada por las características de absorción de la cúpula protectora del misil.

La espinela se muestra prometedora para muchas aplicaciones, pero actualmente no está disponible a granel por parte de ningún fabricante, aunque se están realizando esfuerzos para comercializarla. El negocio de productos de espinela está a cargo de dos fabricantes estadounidenses clave: "Evaluación y Transferencia de Tecnología" y la "Corporación Surmet".

Una extensa revisión NRL de la literatura ha indicado claramente que los intentos de hacer la espina dorsal de alta calidad han fracasado hasta la fecha porque la dinámica de densificación de la espina dorsal son mal entendidos. Han realizado extensas investigaciones sobre las dinámicas involucradas durante la densificación de la espina dorsal. Su investigación ha demostrado que el LiF, aunque sea necesario, también tiene efectos extremadamente adversos durante las etapas finales de la densificación. Además, su distribución en los pólvoras precursoras es de importancia crítica.

Los procesos tradicionales de mezcla a granel utilizados para mezclar el auxiliar de sinterización de LiF en un polvo dejan una distribución bastante heterogénea de Lif que debe homogeneizarse mediante tiempos prolongados de tratamiento térmico a temperaturas elevadas. La temperatura de homogeneización para Lif/Spinel se produce a la temperatura de reacción rápida entre el LiF y el Al₂O₃. Para evitar esta reacción perjudicial, han desarrollado un nuevo proceso que recubre uniformemente las partículas de espinela con el auxiliar de sinterización. Esto les permite reducir la cantidad de Lif necesaria para la densificación y calentar rápidamente hasta la temperatura de máxima reactividad. Estos desarrollos han permitido a NRL fabricar espinela MgAl₂O₄ con una alta transparencia y una reproducibilidad extremadamente alta que debería permitir el uso militar y comercial de la espinela.

Zafiro

El óxido de aluminio monocristalino (zafiro – Al₂O₃) es una cerámica transparente. La estructura cristalina del zafiro es romboédrica y, por tanto, sus propiedades son anisotrópicas y varían con la orientación cristalográfica. La alúmina transparente es actualmente una de las cerámicas transparentes más maduras desde una perspectiva de producción y aplicación, y está disponible de varios fabricantes. Pero el costo es alto debido a la temperatura de procesamiento involucrada, así como a los costos de mecanizado para cortar piezas de bolas de monocristal. También tiene una resistencia mecánica muy alta, pero eso depende del acabado de la superficie.

El alto nivel de madurez del zafiro desde el punto de vista de la producción y la aplicación se puede atribuir a dos áreas de negocio: ventanas de espectro electromagnético para misiles y cúpulas, e industrias y aplicaciones electrónicas/semiconductoras.

Existen programas actuales para ampliar el zafiro cultivado mediante el método del intercambiador de calor o procesos de crecimiento alimentado con película (EFG) de borde definido. Su madurez proviene de su uso como ventanas y en la industria de semiconductores. Crystal Systems Inc., que utiliza técnicas de crecimiento de monocristales, actualmente está ampliando sus bolas de zafiro a 13 pulgadas (330 mm) de diámetro o más. Otro productor, el grupo Saint-Gobain, fabrica zafiros transparentes mediante una técnica de crecimiento de bordes definidos. El zafiro cultivado mediante esta técnica produce un material ópticamente inferior al que se cultiva mediante técnicas de monocristal, pero es mucho menos costoso y conserva gran parte de las características de dureza, transmisión y resistencia a los arañazos. Actualmente, Saint-Gobain es capaz de producir 0,43" zafiro grueso (tal como crecido), en 12" × 18,5" hojas, así como hojas gruesas y de una sola curva. El Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU. está investigando actualmente el uso de este material en un diseño laminado para sistemas de blindaje transparentes. El Grupo Saint Gobain ha comercializado la capacidad para cumplir con los requisitos de vuelo de los aviones de combate de próxima generación F-35 Joint Strike Fighter y F-22 Raptor.

Compuestos

Los futuros misiles guiados por infrarrojos de alta velocidad requerirán nuevos materiales de cúpula que sean sustancialmente más duraderos que los que se utilizan hoy en día, manteniendo al mismo tiempo la máxima transparencia en todo el espectro operativo o ancho de banda. Existe un compromiso de larga data entre el paso de banda óptico y la durabilidad mecánica dentro del grupo actual de materiales cerámicos de transmisión IR monofásicos (cristalinos o vítreos), lo que obliga a los diseñadores de misiles a aceptar un rendimiento general deficiente del sistema. Los nanocompuestos ópticos pueden brindar la oportunidad de diseñar nuevos materiales que puedan superar estas limitaciones tradicionales.

Por ejemplo, se ha formado una armadura cerámica transparente que consiste en un compuesto liviano utilizando una placa frontal de alúmina transparente Al₂O₃ (o magnesia MgO) con una placa de soporte de plástico transparente. Las dos placas (unidas entre sí con un adhesivo transparente) brindan una protección balística completa contra proyectiles 0,30 AP M2 en una oblicuidad de 0 ° con una velocidad inicial de 2770 pies (840 m) por segundo. Otra armadura compuesta transparente proporcionó protección completa para proyectiles de armas pequeñas hasta el calibre .50 AP M2 inclusive, que constan de dos o más capas de material cerámico transparente.

Se han producido nanocompuestos de itria y magnesia con un tamaño de grano promedio de ~200 nm. Estos materiales han mostrado una transmisión casi teórica en la banda IR de 3 a 5 μm. Además, dichos compuestos han producido resistencias más altas que las observadas para componentes de estado sólido monofásicos. A pesar de la falta de acuerdo sobre el mecanismo de falla, es ampliamente aceptado que los materiales cerámicos nanocompuestos pueden ofrecer y ofrecen propiedades mecánicas mejoradas sobre las de los materiales monofásicos o los nanomateriales de composición química uniforme.

Los materiales cerámicos nanocompuestos también ofrecen propiedades mecánicas interesantes que no se pueden lograr en otros materiales, como flujo superplástico y maquinabilidad similar a la del metal. Se prevé que un mayor desarrollo dará como resultado nanomateriales de alta resistencia y alta transparencia que sean adecuados para su aplicación como armaduras de próxima generación.