Cerámica transparente

_Los láseres de rubí constan de varillas de zafiro-alúmina monocristalina (Al₂O₃ ₎ dopadas con una pequeña concentración de cromo (Cr), típicamente en el rango del 0,05 %. Las caras de los extremos están altamente pulidas con una configuración plana y paralela. El YAG dopado con neodimio (Nd:YAG) ha demostrado ser uno de los mejores materiales para láseres de estado sólido. Su dominio indiscutible en una amplia variedad de aplicaciones láser se debe a una combinación de alta sección transversal de emisión con larga vida útil de emisión espontánea , alto umbral de daño, resistencia mecánica, conductividad térmica y baja distorsión térmica del haz. El hecho de que el crecimiento de cristales de Nd:YAG mediante el método Czochralski 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, marcar 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. ^{[ 20 ]} Además, los láseres Nd:YAG se utilizan en oftalmología para corregir la opacificación capsular posterior , una condición que puede ocurrir después de la cirugía de cataratas , y para 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 fotocoagulación panretiniana en pacientes con retinopatía diabética . En oncología , los láseres Nd:YAG se pueden utilizar para eliminar cánceres de piel . ^{[ 21 ]} Estos láseres también se utilizan ampliamente en el campo de la medicina cosmética para la depilación láser y el tratamiento de defectos vasculares menores como las arañas vasculares en la cara y las piernas. Recientemente se han utilizado para la disección de la celulitis, una enfermedad cutánea rara que suele aparecer en el cuero cabelludo. Utilizando la histeroscopia en el campo de la ginecología, el láser Nd:YAG se ha utilizado para la eliminación de septos uterinos dentro del útero. ^{[ 22 ]} En odontología, los láseres Nd:YAG se utilizan para cirugías de tejidos blandos en la cavidad oral .

Los vidrios (cerámicas no cristalinas) también se utilizan ampliamente como materiales anfitriones para láseres. En comparación con los láseres cristalinos, ofrecen mayor flexibilidad en tamaño y forma, y ​​pueden fabricarse fácilmente como sólidos isotrópicos, grandes y homogéneos con excelentes propiedades ópticas. Los índices de refracción de los vidrios anfitriones para láseres pueden variar entre aproximadamente 1,5 y 2,0, y tanto el coeficiente de temperatura n como el coeficiente óptico de deformación pueden ajustarse modificando la composición química. Sin embargo, los vidrios tienen conductividades térmicas más bajas que la alúmina o el YAG, lo que limita su uso en aplicaciones continuas y de alta frecuencia de repetición. ^{[ 20 ]}

Las principales diferencias entre el comportamiento de los materiales anfitriones de láser de vidrio y cerámica cristalina se asocian con la mayor variación en el entorno local de los iones láser en sólidos amorfos. Esto conlleva un ensanchamiento de los niveles de fluorescencia en los vidrios. Por ejemplo, el ancho de la emisión de Nd³⁺ ^en YAG es de aproximadamente 10 angstroms, en comparación con los aproximadamente 300 angstroms de los vidrios de óxido típicos. El ensanchamiento de las líneas de fluorescencia en los vidrios dificulta la obtención de un funcionamiento láser de onda continua (CW), en comparación con los mismos iones láser en materiales anfitriones de láser de sólidos cristalinos. ^{[ 20 ]}

En el blindaje transparente se utilizan varios tipos de vidrio, como el vidrio plano normal (sódica-cálcica-sílice), el vidrio de borosilicato y la sílice fundida. El vidrio plano ha sido el más común debido a su bajo costo. Sin embargo, las mayores exigencias en cuanto a propiedades ópticas y rendimiento balístico han requerido el desarrollo de nuevos materiales. Los tratamientos químicos o térmicos pueden aumentar la resistencia de los vidrios, y la cristalización controlada de ciertas 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 blindaje transparente. Posee la misma trabajabilidad que un vidrio amorfo, pero tras la recristalización demuestra propiedades similares a las de una cerámica cristalina. Vycor es un vidrio de sílice fundida al 96%, que es cristalino, ligero y de alta resistencia. Una ventaja de este tipo de materiales es que se pueden producir en láminas grandes y otras formas curvas. ^{[ 23 ] [ 24 ]}

Recientemente se ha demostrado que los elementos láser (amplificadores, conmutadores, matrices iónicas, etc.) fabricados con nanomateriales cerámicos de grano fino —producidos mediante la sinterización a baja temperatura de nanopartículas y polvos de alta pureza— pueden fabricarse a un coste relativamente bajo . Estos componentes carecen de tensiones internas o birrefringencia intrínseca y permiten niveles de dopaje relativamente altos o perfiles de dopaje optimizados y diseñados a medida. Esto pone de relieve la importancia del uso de nanomateriales cerámicos para elementos y aplicaciones láser de alta energía.

Los centros de dispersión primarios en nanomateriales policristalinos —obtenidos mediante la sinterización de nanopartículas y polvos de alta pureza— incluyen defectos microestructurales como la porosidad residual y los límites de grano (véase Materiales transparentes ). Por lo tanto, la opacidad se debe en parte a la dispersión incoherente de la luz en superficies e interfaces internas . Además de la porosidad , la mayoría de las interfaces o superficies internas en los nanomateriales cerámicos se presentan en forma de límites de grano que separan regiones de orden cristalino a nanoescala . 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 dispersada, la dispersión de la luz deja de producirse de forma significativa. ^{[ 25 ]}

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 original de las partículas 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 los nanomateriales cerámicos sinterizados, principalmente atrapados en las uniones de los granos microcristalinos, provocan la dispersión de la luz e impiden una verdadera transparencia. Se ha observado que la fracción de volumen total de estos poros a nanoescala (tanto la porosidad intergranular como la intragranular) debe ser inferior al 1 % para una transmisión óptica de alta calidad, es decir, la densidad debe ser del 99,99 % de la densidad cristalina teórica. ^{[ 13 ] [ 15 ]}

Por ejemplo,  Konoshima Chemical Co., en Japón, ha demostrado un láser Nd:YAG de 1,46 kW. Además, los investigadores de Livermore se percataron de que estos nanomateriales cerámicos de grano fino podrían ser muy beneficiosos para los láseres de alta potencia utilizados en la Dirección de Programas de la Instalación Nacional de Ignición (NIF). En concreto, un equipo de investigación de Livermore comenzó a adquirir nanomateriales transparentes avanzados de Konoshima para determinar si podían cumplir los requisitos ópticos necesarios para el Láser de Capacidad Calorífica de Estado Sólido (SSHCL) de Livermore. Los investigadores de Livermore también han estado probando aplicaciones de estos materiales para aplicaciones como controladores avanzados para centrales de fusión impulsadas por láser . ^{[ 26 ]}

Con la ayuda de varios trabajadores del NIF, el equipo de Livermore produjo  muestras de Nd:YAG transparente de 15 mm de diámetro a partir de nanopartículas y polvos, 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 propio para sinterizar al vacío los nanopolvos. Posteriormente, todas las muestras se enviaron para prensado isostático en caliente (HIP). Finalmente, los componentes se devolvieron a Livermore para su recubrimiento y ensayo, cuyos resultados indicaron una calidad y propiedades ópticas excepcionales. ^{[ 26 ]}

Un consorcio japonés/indio oriental se ha centrado específicamente en las características espectroscópicas y de emisión estimulada del Nd³⁺ ^en nanomateriales de 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, así como una reducción en las pérdidas por dispersión. Las observaciones mediante microscopía electrónica de barrido y de transmisión revelaron una excelente calidad óptica con un bajo volumen de poros y un ancho de límite de grano estrecho. Las mediciones de fluorescencia y Raman revelan que el nanomaterial de YAG dopado con Nd³⁺ ^es comparable en calidad a su contraparte monocristalina tanto en sus propiedades radiativas como no radiativas. Se obtienen niveles Stark individuales a partir de los espectros de absorción y fluorescencia, y se analizan para identificar los posibles canales de emisión estimulada en el material. Los estudios de rendimiento láser favorecen el uso de una alta concentración de dopante en el diseño de un láser de microchip eficiente. Con un 4 % atómico de dopante, el grupo obtuvo una eficiencia de pendiente del 40%. Los experimentos con láseres de alta potencia arrojan una eficiencia de conversión óptica del 30 % para el nanomaterial de Nd (0,6 % at.) YAG, en comparación con el 34 % para un monocristal de Nd (0,6 % at.) YAG . Las mediciones de ganancia óptica realizadas en estos materiales también muestran valores comparables a los del monocristal, lo que respalda la afirmación de que estos materiales podrían ser sustitutos adecuados de los monocristales en aplicaciones de láser de estado sólido. ^{[ 27 ]}

El trabajo inicial de desarrollo de nanomateriales transparentes de óxido de itrio fue realizado por General Electric en la década de 1960.

En 1966, el Dr. Richard C. Anderson inventó una cerámica transparente, Yttralox , en el Laboratorio de Investigación de General Electric . Posteriormente, los Dres. Paul J. Jorgensen, Joseph H. Rosolowski y Douglas St. Pierre trabajaron en el Laboratorio de Metalurgia y Cerámica de GE. Yttralox es "transparente como el vidrio", tiene un punto de fusión dos veces más alto ^{[ 12 ]} y transmite frecuencias en la banda del infrarrojo cercano, así como luz visible ^{[ 28 ] .}

General Electric continuó desarrollando nanomateriales cerámicos de itrio en la década de 1970 en Schenectady y Cleveland, motivada por aplicaciones en iluminación y láseres cerámicos. ^{[ 28 ]} Greskovich y Woods fabricaron Yttralox, óxido de itrio transparente Y ₂ O ₃ que contiene ~ 10% de óxido de torio (ThO _{2 ).} ^{[ 29 ]} El aditivo sirvió para controlar el crecimiento de grano durante la densificación, de modo que la porosidad permaneciera en los límites de grano y no quedara atrapada dentro de los granos, donde sería bastante difícil eliminarla durante las etapas iniciales de la sinterización. Típicamente, 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.

_El Yttralox transparente de GE fue seguido por la itria dopada con lantano de GTE con un nivel similar de aditivo. [ 30 ] Ambos materiales requirieron tiempos de cocción prolongados a temperaturas superiores a 2000 °C. El Y₂O₃ ^{dopado con La₂O₃} es  de _interés para _{aplicaciones infrarrojas} (IR) porque es uno de los óxidos que transmiten longitudes de onda más largas. Es refractario con un punto de fusión de 2430 °C y tiene un coeficiente de expansión térmica moderado. 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 no óxidos. Una consideración importante es la baja emisividad de la itria, que limita la radiación de fondo al calentarse. También se sabe que el borde de fonones se mueve gradualmente hacia longitudes de onda más cortas a medida que se calienta un material. ^{[ 31 ]} 

Además, la propia itria, Y₂O₃ _, se ha identificado claramente como un material prometedor para láseres de estado sólido . En particular, los láseres con iterbio como dopante permiten un funcionamiento eficiente tanto en régimen continuo ^{[ 32 ]} como pulsado ^[ ₃₃ ^{] .}

A altas concentraciones de excitaciones (del orden del 1%) y con un enfriamiento deficiente, se produce la extinción de la emisión a la frecuencia del láser y una emisión de banda ancha en forma de avalancha. ^{[ 34 ]}

El equipo de Livermore también está explorando nuevas formas de sintetizar químicamente los nanopolvos iniciales. Aprovechando la experiencia desarrollada en CMS durante los últimos 5 años, el equipo está sintetizando nanopolvos mediante el proceso sol-gel y, posteriormente, sinterizándolos para obtener los componentes del láser de estado sólido. Otra técnica que se está probando utiliza un proceso de combustión para generar los polvos mediante la quema de un sólido orgánico que contiene itrio, aluminio y neodimio. El humo resultante, compuesto por nanopartículas esféricas, se recoge posteriormente. ^{[ 26 ]}

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 complejas. Estas incluyen carcasas y tubos para un mejor acoplamiento a la luz de bombeo y para una transferencia de calor más eficiente. Además, se pueden coextruir diferentes materiales y luego sinterizarlos en un sólido transparente monolítico. Se puede formar una placa amplificadora de manera que parte de la estructura actúe en la transmisión guiada de ondas de luz para enfocar la luz de bombeo de los diodos láser en regiones con una alta concentración de iones dopantes cerca del centro de la placa. ^{[ 26 ]}

En general, los nanomateriales prometen ampliar enormemente la disponibilidad de componentes láser de bajo costo y alta gama en tamaños mucho mayores 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 borde incorporados. Los nanomateriales también podrían proporcionar diseños más robustos y compactos para láseres de alta potencia pico, de clase fusión para la gestión de reservas, así como láseres de alta potencia promedio para sistemas de defensa de misiles ICBM de teatro global (por ejemplo, la Iniciativa de Defensa Estratégica SDI, o más recientemente la Agencia de Defensa de Misiles . ^{[ 26 ]}

En la termografía , la radiación infrarroja con longitudes de onda entre 8 y 13 micrómetros incide sobre el material del detector, calentándolo y, por lo tanto, modificando su resistencia eléctrica. Este cambio de resistencia se mide y se procesa para obtener temperaturas que se utilizan para crear una imagen. A diferencia de otros tipos de equipos de detección infrarroja, los microbolómetros que utilizan un detector cerámico transparente no requieren refrigeración. Por lo tanto, un microbolómetro es esencialmente un sensor térmico sin refrigeración. ^{[ 39 ]}

El material utilizado en el detector debe presentar grandes variaciones de resistencia como resultado de mínimas variaciones de temperatura. Al calentarse el material debido a la radiación infrarroja incidente, su resistencia disminuye. Esto se relaciona con el coeficiente de temperatura de resistencia (CTR) del material, específicamente con su coeficiente de temperatura negativo . Actualmente, la industria fabrica microbolómetros que contienen materiales con CTR cercanos al -2%. ^{[ 40 ]}

El material cerámico más utilizado en microbolómetros de radiación infrarroja es el óxido de vanadio. Las diversas formas cristalinas del óxido de vanadio incluyen VO₂ _y V₂O₅ _. La deposición a altas temperaturas y el posterior 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 experimenta un cambio de fase metal-aislante cerca de los 67 °C y también tiene un valor de TCR más bajo. Por otro lado, el V₂O₅ exhibe _alta resistencia y también un alto TCR _. ^{[ 39 ]} 

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

El material preferido actualmente para las cúpulas de misiles guiados por infrarrojos de alta velocidad es el zafiro monocristalino . La transmisión óptica del zafiro no abarca todo el rango del infrarrojo medio (3–5  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 disponibles para cúpulas de infrarrojos de rango medio a temperatura ambiente, se debilita por encima de ~600  °C. ^{[ 45 ]}

Las limitaciones para 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 mantenido su competitividad frente al vidrio endurecido por recubrimiento y los nuevos nanomateriales cerámicos, y aún así han logrado ofrecer un alto rendimiento y un mercado en expansión. ^{[ 24 ]}

Los materiales alternativos, como el óxido de itrio , ofrecen un mejor rendimiento óptico, pero una menor durabilidad mecánica. Los futuros misiles guiados por infrarrojos de alta velocidad requerirán nuevas cúpulas sustancialmente más duraderas que las actuales, manteniendo al mismo tiempo la máxima transparencia en un amplio rango de longitudes de onda. Existe una disyuntiva persistente entre el ancho de banda óptico y la durabilidad mecánica en la gama actual de materiales transmisores de infrarrojos monofásicos, lo que obliga a los diseñadores de misiles a comprometer el rendimiento del sistema. Los nanocompuestos ópticos podrían ofrecer la oportunidad de desarrollar nuevos materiales que superen esta limitación tradicional.

Las primeras cúpulas de misiles a escala real, fabricadas con itria transparente a partir de polvos cerámicos a nanoescala, se desarrollaron en la década de 1980 con financiación de la Armada. Raytheon perfeccionó y caracterizó su itria policristalina sin dopar, mientras que GTE Labs desarrolló de forma similar una itria dopada con lantano. Ambas versiones presentaban una transmitancia infrarroja, una tenacidad a la fractura y una expansión térmica comparables, si bien la versión sin dopar exhibía el doble de conductividad térmica.

El renovado interés en ventanas y cúpulas de itria ha impulsado esfuerzos para mejorar las propiedades mecánicas mediante el uso de materiales a nanoescala con granos submicrométricos o de tamaño nanométrico. En un estudio, se seleccionaron tres proveedores para suministrar polvos a nanoescala para pruebas y evaluación, y se compararon con un polvo de itria convencional (5 μm) utilizado previamente para preparar itria transparente. Si bien todos los nanopolvos evaluados presentaban niveles de impurezas demasiado altos para permitir el procesamiento hasta la transparencia total, dos de ellos se procesaron hasta alcanzar la densidad teórica y una transparencia moderada. Las muestras se sinterizaron hasta obtener un estado de poro cerrado a temperaturas tan bajas como 1400 °C. ^{[ 46 ]}

Tras un periodo de sinterización relativamente corto, el componente se coloca en una prensa isostática en 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 grano y los poros intergranulares. Mediante este método, se produjeron nanomateriales de itria transparentes a temperaturas más bajas, tiempos de cocción totales más cortos y sin aditivos adicionales que tienden a reducir la conductividad térmica. ^{[ 46 ]}

Recientemente, Mouzon desarrolló un método más novedoso que combina la encapsulación en vidrio con la sinterización al vacío a 1600  °C, seguida de prensado isostático en caliente (HIP) a 1500  °C de un polvo comercial altamente aglomerado. El uso de cápsulas de vidrio al vacío para el tratamiento HIP permitió que las muestras que presentaban porosidad abierta tras la sinterización al vacío se sinterizaran hasta alcanzar la transparencia. La respuesta a la sinterización del polvo investigado se estudió mediante observaciones microestructurales detalladas utilizando microscopía electrónica de barrido y microscopía óptica, tanto en reflexión como en transmisión. La clave de este método reside en mantener la porosidad intergranular durante la presinterización, para poder eliminarla posteriormente mediante el tratamiento HIP. Se observó que los aglomerados de partículas densamente empaquetadas contribuyen a este objetivo, ya que se densifican completamente y dejan únicamente porosidad intergranular. ^{[ 47 ]}

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 de itria/magnesia es un modelo ideal para la formación de nanocompuestos. La solubilidad sólida es limitada en cualquiera de las fases constituyentes, lo que permite investigar y comparar una amplia gama de composiciones. Según el diagrama de fases, las mezclas bifásicas son estables a temperaturas inferiores a ~2100  °C. Además, ni la itria ni la magnesia presentan absorción alguna en la porción infrarroja de rango medio (3-5 μm) del espectro electromagnético.

En los nanocompuestos ópticos, dos o más fases interpenetrantes se mezclan en un cuerpo denso con un tamaño de grano submicrométrico. La dispersión de la luz infrarroja puede minimizarse (o incluso eliminarse) 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 mostrado una buena transmisión en el  rango de 3 a 5 μm y resistencias superiores a las de los constituyentes individuales monofásicos. ^{[ 48 ] [ 49 ]} La mejora de las propiedades mecánicas en materiales cerámicos nanocompuestos se ha estudiado ampliamente. Se han observado aumentos significativos en la resistencia (2 a 5 veces), la tenacidad (1 a 4 veces) y la resistencia a la fluencia en sistemas que incluyen SiC/Al ₂ O ₃ , SiC/Si ₃ N ₄ , SiC/MgO y Al ₂ O ₃ /ZrO ₂ . ^{[ 50 ] [ 51 ] [ 52 ]}

Los mecanismos de endurecimiento observados varían según el sistema de materiales, y no parece existir un consenso general al respecto, ni siquiera dentro de un mismo sistema. En el sistema SiC/Al₂O₃ _{, por} ejemplo, es ampliamente conocido y aceptado que la adición de partículas de SiC a la matriz _{de Al₂O₃} produce un cambio en el mecanismo de falla , pasando de fractura intergranular (entre granos) a fractura intragranular (dentro de los granos). Las explicaciones para la mejora de la resistencia incluyen :

• Una sencilla reducción de la concentración de defectos de procesamiento durante la fabricación de nanocompuestos.
• Reducción del tamaño del defecto crítico en el material, lo que resulta en un aumento de la resistencia, tal como predice la relación de Hall-Petch.
• Desviación de grietas en partículas de nanofase debido a tensiones térmicas residuales introducidas durante el enfriamiento desde las temperaturas de procesamiento.
• Microfisuración a lo largo de dislocaciones inducidas por tensión en el material de la matriz. ^{[ 53 ]}

_{El espinela de} oxinitruro de aluminio ( _{Al₂₃O₂₇N₅ )} , abreviado como AlON , es uno de los principales candidatos para blindaje transparente. Es producido por Surmet Corporation bajo la marca registrada ALON. La incorporación de nitrógeno al óxido de aluminio estabiliza una fase de espinela cristalina que, debido a su estructura cristalina cúbica y celda unitaria, es un material isotrópico que puede producirse como nanomaterial cerámico transparente. De esta manera, se pueden producir nanomateriales policristalinos de grano fino y darles forma en geometrías complejas utilizando técnicas convencionales de conformado cerámico, como el prensado isostático en caliente y el moldeo por colada . ^{[ 23 ]}

Surmet Corporation ha adquirido el negocio de AlON de Raytheon y actualmente está desarrollando un mercado para esta tecnología en el área de blindaje transparente, ventanas para sensores, ventanas de reconocimiento y óptica infrarroja, como lentes y cúpulas, y como alternativa al cuarzo y al zafiro en el mercado de semiconductores. El blindaje transparente basado en AlON ha sido probado para detener amenazas de múltiples impactos, incluyendo proyectiles de 30 cal APM2 y 50 cal APM2 con éxito. La alta dureza del AlON proporciona una resistencia al rayado que supera incluso a los recubrimientos más duraderos para ventanas de escáner de vidrio, como las que se usan en los supermercados. Surmet ha producido con éxito una ventana curva de AlON de 15" x 18" y actualmente está intentando ampliar la tecnología y reducir el costo. Además, tanto el Ejército como la Fuerza Aérea de los EE. UU. están buscando desarrollar aplicaciones de próxima generación. ^{[ 23 ] [ 57 ] [ 58 ]}

El espinela de aluminato de magnesio (MgAl₂O₄ _{) es} una cerámica transparente con una estructura cristalina cúbica que presenta una excelente transmisión óptica de 0,2 a 5,5 micrómetros en su forma policristalina. Se ha producido espinela transparente de calidad óptica mediante procesos de sinterización/HIP, prensado en caliente y prensado en caliente/HIP, y se ha demostrado que el uso de una prensa isostática en caliente puede mejorar sus propiedades ópticas y físicas. ^{[ 23 ] [ 59 ]}

La espinela ofrece algunas ventajas de procesamiento sobre el AlON, como el hecho de que el polvo de espinela está disponible en fabricantes comerciales, mientras que los polvos de AlON son propiedad exclusiva de Raytheon. También se puede procesar a temperaturas mucho más bajas que el AlON y ha demostrado poseer propiedades ópticas superiores en 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. ^{[ 23 ] [ 60 ] [ 61 ]}

La espinela se muestra prometedora para numerosas aplicaciones, pero actualmente no está disponible a granel por ningún fabricante, aunque se están realizando esfuerzos para su comercialización. Dos importantes fabricantes estadounidenses, "Technology Assessment and Transfer" y "Surmet Corporation", están impulsando el negocio de los productos de espinela.

Una exhaustiva revisión bibliográfica realizada por el Laboratorio Nacional de Investigación (NRL) ha demostrado claramente que los intentos de obtener espinela de alta calidad han fracasado hasta la fecha debido a que la dinámica de densificación de la espinela no se comprende bien. Han llevado a cabo una extensa investigación sobre la dinámica involucrada durante la densificación de la espinela. Su investigación ha revelado que el LiF, si bien es necesario, también tiene efectos extremadamente adversos durante las etapas finales de la densificación. Además, su distribución en los polvos precursores de espinela es de vital importancia.

Los procesos tradicionales de mezcla a granel utilizados para incorporar el aditivo de sinterización LiF en polvo dan como resultado una distribución bastante heterogénea de LiF que debe homogeneizarse mediante tratamientos térmicos prolongados a temperaturas elevadas. La temperatura de homogeneización para LiF/espinela 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 aditivo de sinterización. Esto les permite reducir la cantidad de LiF necesaria para la densificación y calentar rápidamente hasta la temperatura de máxima reactividad. Estos avances han permitido al NRL fabricar espinela de MgAl₂O₄ _{con alta transparencia y una reproducibilidad extremadamente alta ,} lo que debería posibilitar su uso tanto militar como comercial. ^{[ 62 ]}

_El óxido de aluminio monocristalino ( zafiro – Al₂O₃ ₎ es una cerámica transparente. La estructura cristalina del zafiro es romboédrica, por lo que sus propiedades son anisotrópicas y varían con la orientación cristalográfica. La alúmina transparente es actualmente una de las cerámicas transparentes más desarrolladas desde el punto de vista de la producción y las aplicaciones, y está disponible en varios fabricantes. Sin embargo, su coste es elevado debido a la temperatura de procesamiento y a los costes de mecanizado necesarios para cortar las piezas a partir de lingotes monocristalinos. Además, posee una resistencia mecánica muy alta, que depende del acabado superficial. ^{[ 23 ]}

El alto grado de madurez del zafiro, tanto desde el punto de vista de la producción como de las aplicaciones, se puede atribuir a dos áreas de negocio: las ventanas del espectro electromagnético para misiles y cúpulas, y las industrias y aplicaciones electrónicas/de semiconductores.

Actualmente existen programas para aumentar la producción de zafiro mediante el método de intercambiador de calor o el proceso de crecimiento con alimentación de película definida por borde (EFG). Su madurez radica en su uso en ventanas y en la industria de semiconductores. Crystal Systems Inc., que utiliza técnicas de crecimiento de monocristales , está aumentando la producción de lingotes de zafiro a diámetros de 330 mm (13 pulgadas ) o mayores. Otro productor, el Grupo Saint-Gobain, produce zafiro transparente mediante una técnica de crecimiento definida por borde. El zafiro cultivado con esta técnica produce un material ópticamente inferior al cultivado mediante técnicas de monocristal, pero es mucho menos costoso y conserva gran parte de la dureza, la transmisión y la resistencia al rayado. Saint-Gobain actualmente es capaz de producir zafiro de 0,43" de espesor (tal como se obtiene), en láminas de 12" × 18,5", así como láminas gruesas de curvatura simple. ^{[ 23 ]} El Laboratorio de Investigación del Ejército de los EE. UU. está investigando actualmente el uso de este material en un diseño laminado para sistemas de blindaje transparente. 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. ^{[ 24 ]} 

Los futuros misiles guiados por infrarrojos de alta velocidad requerirán nuevos materiales para la cúpula que sean sustancialmente más duraderos que los que se utilizan actualmente, manteniendo al mismo tiempo la máxima transparencia en todo el espectro operativo o ancho de banda. Existe un compromiso de larga data entre el ancho de banda óptico y la durabilidad mecánica dentro del grupo actual de materiales cerámicos transmisores de infrarrojos monofásicos (cristalinos o vítreos), lo que obliga a los diseñadores de misiles a aceptar un rendimiento general del sistema inferior al estándar. Los nanocompuestos ópticos pueden brindar la oportunidad de diseñar nuevos materiales que superen estas limitaciones tradicionales. ^{[ 24 ]}

Por ejemplo, se ha fabricado una armadura cerámica transparente compuesta de un material ligero mediante la utilización de una placa frontal de alúmina transparente Al₂O₃ _{( o} magnesia MgO) con una placa de respaldo de plástico transparente. Las dos placas (unidas con un adhesivo transparente) proporcionan protección balística completa contra proyectiles AP M2 de 0,30 a 0° de oblicuidad con una velocidad inicial de 2770 pies (840 m) por segundo. ^{[ 63 ]} Otra armadura compuesta transparente proporcionó protección completa contra proyectiles de armas pequeñas de hasta calibre .50 AP M2 inclusive, compuesta por dos o más capas de material cerámico transparente. ^{[ 64 ] [ 65 ]}  

Se han producido nanocompuestos de itria y magnesia con un tamaño de grano promedio de ~200  nm. Estos materiales han mostrado una transmisión cercana a la teórica en la banda IR de 3 a 5 μm. Además, dichos compuestos han presentado resistencias superiores a las observadas en componentes sólidos monofásicos. A pesar de la falta de consenso sobre el mecanismo de falla, se acepta ampliamente que los materiales cerámicos nanocompuestos pueden ofrecer, y de hecho ofrecen, propiedades mecánicas mejoradas en comparación con los materiales monofásicos o los nanomateriales de composición química uniforme. ^{[ 48 ]}

Los materiales cerámicos nanocompuestos también ofrecen propiedades mecánicas interesantes que no se pueden lograr en otros materiales, como la superplasticidad y la maquinabilidad similar a la de los metales. Se prevé que un mayor desarrollo dará como resultado nanomateriales de alta resistencia y alta transparencia, adecuados para su aplicación como blindaje de próxima generación. ^{[ 23 ]}