Le ministère de la Défense a besoin de matériaux pour les fenêtres de blindage qui offrent une protection essentielle à la fois pour le personnel et l'équipement tout en ayant un degré élevé de transparence. Pour répondre à ce besoin, des scientifiques du Naval Research Laboratory (NRL) ont mis au point une méthode pour fabriquer du spinelle nanocristallin qui est 50 % plus dur que les matériaux de blindage spinelle actuels utilisés dans les véhicules militaires. Avec la dureté rapportée la plus élevée pour le spinelle, Le spinelle nanocristallin de NRL démontre que la dureté des céramiques transparentes peut être augmentée simplement en réduisant la taille des grains à 28 nanomètres. Ce spinelle plus dur offre le potentiel de meilleures fenêtres de blindage dans les véhicules militaires, qui donnerait du personnel et de l'équipement, tels que des capteurs, une meilleure protection, avec d'autres avantages.

Cette recherche a été rapportée le 30 janvier 2014, numéro de la revue Acta Materialia .

Pour créer le spinelle le plus dur, l'équipe de recherche du LNR fritte, ou consolide, nanopoudres commerciales en matériaux nanocristallins entièrement denses. Le frittage est une méthode couramment utilisée pour créer de grands composants en céramique et en métal à partir de poudres. Cependant, l'équipe NRL est la première à réussir à fabriquer ce spinelle plus dur grâce à son développement de l'approche Enhanced High Pressure Sintering (EHPS), explique le Dr James Wollmershauser, un chercheur principal dans la recherche. L'approche EHPS utilise des pressions élevées (jusqu'à 6 GPa) pour retarder les taux de diffusion en vrac, casser les agglomérats de poudre, et repositionner les nanoparticules très près les unes des autres pour aider à éliminer la porosité dans la céramique frittée. Les chercheurs du LNR peuvent alors exploiter le potentiel de surface accru des nanoparticules pour une densification induite par l'énergie de surface sans grossissement.

En utilisant cette approche EHPS pour créer le spinelle nanocristallin, l'équipe de recherche du LNR n'a observé aucune diminution de la densité ou de la résistance à la fracture due à la porosité résiduelle. D'autres chercheurs ont essayé de fabriquer du spinelle nanocristallin, mais ils ont tous eu des problèmes avec le produit final, tel que, une densité réduite, résistance à la rupture réduite, ou une transparence réduite. La densité réduite dans d'autres travaux de chercheurs est causée par des vides qui ne peuvent pas être éliminés pendant le traitement, qui peut réduire la dureté, résistance à la rupture et transparence. Wollmershauser du NRL note que certaines théories suggèrent que la résistance à la fracture devrait diminuer lorsque vous fabriquez un matériau céramique nanocristallin. Cependant, dans leur travail, les chercheurs du LNR ont montré que la résistance à la rupture ne change pas, suggérant que les céramiques nanocristallines peuvent avoir une ténacité équivalente à celle des céramiques microcristallines, ce qui est important pour une durée de vie élevée des fenêtres.

La relation Hall-Petch a été utilisée pour décrire le phénomène où la résistance et la dureté d'un matériau peuvent être augmentées en diminuant la taille moyenne des grains de cristallite. Cependant, des travaux expérimentaux antérieurs avaient montré une rupture de cette relation (où la dureté commence à diminuer avec la diminution de la taille des grains) pour certaines céramiques à ~ 130 nanomètres. Remarquablement, les chercheurs du LNR ont réfuté l'existence d'une rupture de l'effet Hall-Perche à ces tailles de grains à l'échelle nanométrique en mesurant une dureté croissante jusqu'à une taille de grain de cristallite d'au moins 28 nanomètres. Le nouveau, des valeurs de dureté élevées ont été mesurées sur des échantillons avec ces tailles de grains moyennes extrêmement petites.

Dans les applications courantes, spinelle et saphir (qui est aussi très dur), sont utilisés pour créer des matériaux pour les fenêtres de blindage militaire. Un inconvénient avec le saphir est qu'il est coûteux à transformer en fenêtres. En augmentant encore la dureté du spinelle, Les chercheurs du LNR peuvent rendre un matériau plus dur que le saphir et éventuellement remplacer les fenêtres en saphir par des fenêtres en spinelle nanocristallin. Aussi, les fenêtres spinelles nanocristallines plus dures peuvent être rendues plus minces tout en respectant les spécifications militaires actuelles. Cette minceur se traduit par un gain de poids sur le véhicule. Ainsi, le spinelle nanocristallin développé par le LNR apporte des améliorations de la dureté, épaisseur et poids de la fenêtre, et le coût.

Un dernier avantage est que le spinelle nanocristallin développé par le LNR est hautement transparent, le rendant utile dans les UV, optique visible et infrarouge. Le matériau de blindage utilisé par l'armée doit être transparent afin que l'équipement et le personnel puissent voir. Différents capteurs "voient" différentes longueurs d'onde de lumière. L'infrarouge est important pour les capacités de recherche de chaleur. L'imagerie UV peut être utilisée pour détecter les menaces non visibles dans le spectre visible. Les détecteurs UV ont également des applications dans les missions d'astronomie spatiale. Une fenêtre unique qui pourrait être produite à l'aide du spinelle nanocristallin développé par le LNR serait transparente sur de nombreuses longueurs d'onde technologiquement importantes, alléger les exigences de conception et de poids.

Au-delà de l'utilisation d'un spinelle plus dur dans les fenêtres d'armure, il pourrait y avoir d'autres applications potentielles du DoD et civiles dans des fenêtres de bureau meilleures/plus fortes, écrans smartphones et tablettes, véhicules militaires/civils, véhicules spatiaux, et même des rovers extraterrestres.