Het ministerie van Defensie heeft materialen nodig voor pantserramen die essentiële bescherming bieden voor zowel personeel als materieel en toch een hoge mate van transparantie hebben. Om aan die behoefte te voldoen, wetenschappers van het Naval Research Laboratory (NRL) hebben een methode ontwikkeld om nanokristallijne spinel te fabriceren die 50% harder is dan de huidige spinelpantsermaterialen die in militaire voertuigen worden gebruikt. Met de hoogste gerapporteerde hardheid voor spinel, NRL's nanokristallijne spinel laat zien dat de hardheid van transparant keramiek kan worden verhoogd door simpelweg de korrelgrootte te verkleinen tot 28 nanometer. Deze hardere spinel biedt het potentieel voor betere pantservensters in militaire voertuigen, die personeel en uitrusting zou geven, zoals sensoren, verbeterde bescherming, samen met andere voordelen.

Dit onderzoek werd gerapporteerd in de 30 januari, 2014, uitgave van het tijdschrift Acta Materialia .

Om de hardere spinel te maken, het NRL onderzoeksteam sinters, of consolideert, commerciële nanopoeders in volledig dichte nanokristallijne materialen. Sinteren is een veelgebruikte methode om grote keramische en metalen componenten te maken van poeders. Echter, het NRL-team is de eerste die erin is geslaagd deze hardere spinel te maken door hun ontwikkeling van de Enhanced High Pressure Sintering (EHPS) -aanpak, legt Dr. James Wollmershauser uit, een hoofdonderzoeker in het onderzoek. De EHPS-benadering maakt gebruik van hoge drukken (tot 6 GPa) om de bulkdiffusiesnelheden te vertragen, breek poederagglomeraten, en herpositioneer nanodeeltjes heel dicht bij elkaar om de porositeit in het gesinterde keramiek te helpen elimineren. NRL-onderzoekers kunnen dan het verhoogde oppervlaktepotentieel van nanodeeltjes benutten voor door oppervlakte-energie aangedreven verdichting zonder verruwing.

Met behulp van deze EHPS-benadering om de nanokristallijne spinel te maken, het NRL-onderzoeksteam constateerde geen afname in dichtheid of breukweerstand als gevolg van resterende porositeit. Andere onderzoekers hebben geprobeerd om nanokristallijn spinel te maken, maar ze hebben allemaal problemen gehad met het eindproduct, zoals, een verminderde dichtheid, verminderde breukweerstand, of verminderde transparantie. De verminderde dichtheid in ander onderzoek wordt veroorzaakt door holtes die tijdens de verwerking niet kunnen worden verwijderd, die de hardheid kan verminderen, breukvastheid en transparantie. NRL's Wollmershauser merkt op dat sommige theorieën suggereren dat de breukweerstand zou moeten afnemen als je een keramisch materiaal nanokristallijn maakt. Echter, in hun werk, de NRL-onderzoekers hebben aangetoond dat de breukweerstand niet verandert, wat suggereert dat nanokristallijne keramiek een equivalente taaiheid kan hebben als microkristallijne keramiek, wat belangrijk is voor een hoge raamlevensduur.

De Hall-Petch-relatie is gebruikt om het fenomeen te beschrijven waarbij de sterkte en hardheid van een materiaal kan worden verhoogd door de gemiddelde kristallietkorrelgrootte te verkleinen. Echter, eerder experimenteel werk had een storing in deze relatie aangetoond (waarbij de hardheid begint af te nemen met afnemende korrelgrootte) voor bepaalde keramiek bij ~ 130 nanometer. Opmerkelijk, de NRL-onderzoekers hebben weerlegd dat er een afbraak van het Hall-Perch-effect bestaat bij deze korrelgroottes op nanoschaal door een toenemende hardheid te meten tot een kristallietkorrelgrootte van ten minste 28 nanometer. De nieuwe, hoge hardheidswaarden werden gemeten op monsters met deze extreem kleine gemiddelde korrelgroottes.

In de huidige toepassingen, spinel en saffier (wat ook erg hard is), worden gebruikt om materialen te maken voor militaire pantserramen. Een nadeel van saffier is dat het duur is om er ramen van te maken. Door de hardheid van spinel nog verder te verhogen, NRL-onderzoekers kunnen een materiaal harder maken dan saffier en mogelijk saffiervensters vervangen door vensters van nanokristallijn spinel. Ook, hardere nanokristallijne spinelvensters kunnen dunner worden gemaakt en toch voldoen aan de huidige militaire specificaties. Deze dunheid vertaalt zich in gewichtsbesparing op het voertuig. Dus de door NRL ontwikkelde nanokristallijne spinel brengt verbeteringen in hardheid, vensterdikte en gewicht, en kosten.

Een laatste voordeel is dat de door NRL ontwikkelde nanokristallijne spinel zeer transparant is, waardoor het bruikbaar is in UV, zichtbare en infrarode optica. Het pantsermateriaal dat door het leger wordt gebruikt, moet transparant zijn, zodat zowel uitrusting als personeel het kunnen zien. Verschillende sensoren "zien" verschillende golflengten van licht. Infrarood is belangrijk voor warmtezoekende mogelijkheden. UV-beeldvorming kan worden gebruikt om bedreigingen te detecteren die niet in het zichtbare spectrum worden gezien. UV-detectoren hebben ook toepassingen in astronomische missies in de ruimte. Een enkel venster dat zou kunnen worden geproduceerd met behulp van de door NRL ontwikkelde nanokristallijne spinel, zou transparant zijn over veel technologisch belangrijke golflengten, versoepeling ontwerp en gewicht eisen.

Afgezien van het gebruik van een hardere spinel in pantservensters, er kunnen andere potentiële DoD- en civiele toepassingen zijn in betere/sterkere kantoorvensters, smartphones en tablets schermen, militaire/civiele voertuigen, ruimtevoertuigen, en zelfs buitenaardse rovers.