Försvarsdepartementet behöver material för pansarfönster som ger väsentligt skydd för både personal och utrustning samtidigt som de har en hög grad av transparens. För att möta det behovet, forskare vid Naval Research Laboratory (NRL) har utvecklat en metod för att tillverka nanokristallin spinell som är 50 % hårdare än de nuvarande spinellpansarmaterialen som används i militärfordon. Med den högsta rapporterade hårdheten för spinell, NRL:s nanokristallina spinell visar att hårdheten hos transparent keramik kan ökas helt enkelt genom att minska kornstorleken till 28 nanometer. Denna hårdare spinell erbjuder potentialen för bättre pansarfönster i militärfordon, som skulle ge personal och utrustning, såsom sensorer, förbättrat skydd, tillsammans med andra förmåner.

Denna forskning rapporterades den 30 januari, 2014, nummer av tidskriften Acta Materialia .

För att skapa den hårdare spinellen, NRL-forskargruppen sintrar, eller konsoliderar, kommersiella nanopulver till helt täta nanokristallina material. Sintring är en vanlig metod som används för att skapa stora keramik- och metallkomponenter från pulver. Dock, NRL-teamet är det första att lyckas göra denna hårdare spinell genom sin utveckling av EHPS-metoden (Enhanced High Pressure Sintering), förklarar Dr James Wollmershauser, en ledande utredare i forskningen. EHPS-metoden använder höga tryck (upp till 6 GPa) för att bromsa bulkdiffusionshastigheter, bryta pulveragglomerat, och flytta nanopartiklar mycket nära varandra för att eliminera porositet i den sintrade keramen. NRL-forskare kan då utnyttja den ökade ytpotentialen hos nanopartiklar för ytenergidriven förtätning utan förgrovning.

Genom att använda denna EHPS-metod för att skapa den nanokristallina spinellen, NRL-forskargruppen observerade inte någon minskning i densitet eller brottmotstånd på grund av kvarvarande porositet. Andra forskare har försökt göra nanokristallin spinell, men de har alla haft problem med slutprodukten, Till exempel, minskad densitet, minskat frakturmotstånd, eller minskad insyn. Den minskade tätheten i andra forskares arbete orsakas av tomrum som inte kan tas bort under bearbetning, som kan minska hårdheten, frakturmotstånd och transparens. NRL:s Wollmershauser noterar att vissa teorier tyder på att frakturmotståndet bör minska när man gör ett keramiskt material nanokristallint. Dock, i sitt arbete, NRL-forskarna har visat att brottmotståndet inte förändras vilket tyder på att nanokristallin keramik kan ha en likvärdig seghet som mikrokristallin keramik, vilket är viktigt för långa fönsterlivslängder.

Hall-Petch-relationen har använts för att beskriva fenomenet där ett materials styrka och hårdhet kan ökas genom att minska den genomsnittliga kristallitkornstorleken. Dock, tidigare experimentellt arbete hade visat ett sammanbrott i detta förhållande (där hårdheten börjar minska med minskande kornstorlek) för vissa keramer vid ~130 nanometer. Anmärkningsvärt, NRL-forskarna har motbevisat att en nedbrytning av Hall-Perch-effekten existerar vid dessa kornstorlekar i nanoskala genom att mäta en ökande hårdhet ner till minst en kristallitkornstorlek på 28 nanometer. Den nya, höga hårdhetsvärden uppmättes på prover med dessa extremt små medelkornstorlekar.

I nuvarande applikationer, spinell och safir (vilket också är väldigt hårt), används för att skapa material för militära pansarfönster. En nackdel med safir är att det är dyrt att göra om till fönster. Genom att öka hårdheten på spinellen ytterligare, NRL-forskare kan göra ett material hårdare än safir och eventuellt ersätta safirfönster med fönster gjorda av nanokristallin spinell. Också, hårdare nanokristallina spinellfönster kan göras tunnare och fortfarande uppfylla gällande militära specifikationer. Denna tunnhet leder till viktbesparingar på fordonet. Så den NRL-utvecklade nanokristallina spinellen ger förbättringar i hårdhet, fönstertjocklek och vikt, och kostnad.

En sista fördel är att den NRL-utvecklade nanokristallina spinellen är mycket transparent, gör det användbart i UV, synlig och infraröd optik. Pansarmaterialet som används av militären behöver vara transparent så att både utrustning och personal kan se. Olika sensorer "ser" olika våglängder av ljus. Infrarött är viktigt för värmesökningsförmåga. UV-avbildning kan användas för att upptäcka hot som inte syns i det synliga spektrumet. UV-detektorer har även tillämpningar i rymdburna astronomiuppdrag. Ett enda fönster som skulle kunna produceras med den NRL-utvecklade nanokristallina spinellen skulle vara transparent över många tekniskt viktiga våglängder, underlättar design och viktkrav.

Utöver användningen av en hårdare spinell i pansarfönster, det kan finnas andra potentiella DoD och civila tillämpningar i bättre/starkare kontorsfönster, smartphones och surfplattor skärmar, militära/civila fordon, rymdfordon, och även utomjordiska rovers.