美軍想用它造全透明防彈鎧甲，鋁變透明後居然這麼強

2020-11-11 萬物雜誌

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撰文 七君


透明又防彈的材料，你能想到什麼？防彈玻璃？

實際上，有一種新材料比防彈玻璃更硬而且更輕巧，它就是氮氧化鋁透明陶瓷，也叫 ALON。


各式ALON透明陶瓷


早在20世紀70年代就有人開始探索氮氧化鋁的性質。1986年，首個氮氧化鋁透明陶瓷被發明，後來在2009年相關專利被美國 Surmet 公司獲得，氮氧化鋁透明陶瓷也被命名為 ALON。就這樣，氮氧化鋁透明陶瓷開始了商業化的道路。


ALON 不含玻璃的主要原材料二氧化矽，也不是高分子化合物，而是用鋁、氧和氮合成的。簡單來說，它是一種透明的陶瓷：它是用氮氧化鋁粉末在高溫下燒結而成，類似於陶瓷的製法；最後再拋光打磨，ALON 就變得透明了。


用氮氧化鋁粉末製造ALON的過程 圖片來源：Surmet


是的，透明的陶瓷聽起來很科幻，它也出現在很多科幻作品中。比如在2015年的大片《侏羅紀世界》中，球形遊覽車的外殼就是用 ALON 製造的。也有許多《星際迷航》的粉絲認為 ALON 就是《星際迷航IV》裡用來拯救未來的透明鋁。


根據《侏羅紀世界》的設定，球形遊覽車外殼就是用ALON製造的。


等等，為什麼陶瓷可以變透明？


透明指的是光能夠穿透而不會發生強烈的反射和散射。普通陶瓷內部的晶體顆粒排列不規則，光照上去會向四面八方的散射，無法穿透，因此看起來並不透明。


雲對陽光的散射 圖片來源：atmo.uiuc.edu


而以 ALON 為代表的透明陶瓷是一類新型材料，和普通陶瓷不一樣，它的內部晶粒排列整齊，光照上不會發生散射，所以是透明的。透明陶瓷因此又被稱為光學陶瓷。


因為是陶瓷，透明陶瓷比普通的玻璃和樹脂玻璃更硬、強度更大，適用於極端環境。而 ALON 是市面上最硬的多晶透明陶瓷。


ALON 是用氮氧化鋁粉末（左）製造的，陽光照到粉末狀的氮氧化鋁上發生散射，因此氮氧化鋁粉末看起來並不透明。


有多硬呢？


ALON的硬度是普通玻璃的4倍，比世界上第三硬的材料藍寶石（氧化鋁，莫氏硬度為9）差一點點，但莫氏硬度也達到了7.7。


看，用25克的花崗巖丟在1.27釐米厚的普通硼矽酸鹽玻璃上，玻璃一下就裂了——



但是ALON就沒事，看起來還是花崗巖比較痛一點——



我們再來看看用它製作的防彈鎧甲和用玻璃製作的防彈玻璃的對比。


普通防彈玻璃是兩層玻璃夾了一層聚合物的結構。實驗中的 ALON 防彈鎧甲用的是相同的聚合物，但是外層的 ALON 陶瓷更薄——



現在，用12.7×99毫米口徑的北約彈來射頭看看。



北約彈可以輕鬆射穿9.4釐米厚的防彈玻璃，威力驚人，因此屬於防空用彈藥。



但是4釐米厚的 ALON 制透明鋁鎧甲就能抵擋這種子彈的襲擊。模特莫得感情的塑料大頭沒有被射爆。



對比一下兩種防彈材料，ALON 防彈鎧甲只有一點點凸點，但是防彈玻璃就整個炸裂到模糊——



4釐米厚的 ALON 鎧甲就能夠抵擋12.7×99毫米口徑的對空子彈，這件事引起了美軍的興趣。


實際上在2005年，美國空軍就開始測試 ALON，他們想用 ALON 製造透明防彈鎧甲，用來武裝悍馬軍用汽車。


美軍悍馬軍用汽車 圖片來源：wikipedia

美國空軍的測試結果發現，ALON 在被製成小塊時防彈效果確實比較好，但是它有一個大問題，那就是價格高昂。


在當時，每平方英寸防彈玻璃的價格是3.25美金，但是 ALON 的價格要10-15美金。因為這個原因，悍馬軍用汽車並沒有被 ALON 武裝。但是在2013年，Surmet 宣布成為美國國防部的主要國防承包商，為美軍供應了一種 ALON 陶瓷玻璃窗。


Surmet 為美軍供應的ALON透明陶瓷窗


ALON 還在另外一種武器上找到了用武之地。


利用紅外線制導的飛彈的紅外導引頭需要能夠穿透紅外線的整流罩，但是普通玻璃不太容易讓紅外線穿透。


藍寶石飛彈整流罩 圖片來源：melleroptics

以前用來製造整流罩的一種常見材料是藍寶石，藍寶石對紅外線這樣的寬波段有很高的透過率，而且強度和硬度很好，因此是製造高馬赫飛彈整流罩的常見材料。不過藍寶石的價格高昂，所以各國都在尋找它的替代材料。


藍寶石的主要成分是氧化鋁 圖片來源：wikimedia


ALON 就是藍寶石的有力競爭者，它在近紫外線和紅外光下也接近透明，而且可以承受2100攝氏度的高溫。現在，已經出現了 ALON 製造的紅外飛彈整流罩。

當然，一些專用燈具也需要能透射紅外線和紫外線，因此 ALON 也被用於製造特種燈罩。


和普通玻璃相比，ALON 不會擋住近紅外線。


不過因為價格等因素，ALON 還沒有進入民用領域。2018年，蔡司曾被傳要推出首款用 ALON 製造的鏡頭，但是直到目前還是沒有動靜。


如果 ALON 的價格能降低，它就有可能取代強化玻璃，成為屏幕的常見材料。到時候手機不但能幫你擋刀，還能當菜刀，想想就令人期待呢。


穿上 ALON 鎧甲，做不容易受傷的透明鋁人。


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無標註圖片來源網絡。

參考資料儲存於石墨：

https://shimo.im/docs/vWKcq6qqG3Xg8VQY/

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