Il Dipartimento della Difesa ha bisogno di materiali per le finestre blindate che forniscano una protezione essenziale sia per il personale che per le attrezzature pur mantenendo un alto grado di trasparenza. Per soddisfare tale esigenza, gli scienziati del Naval Research Laboratory (NRL) hanno sviluppato un metodo per fabbricare spinelli nanocristallini che è il 50% più duro degli attuali materiali per armature di spinello utilizzati nei veicoli militari. Con la più alta durezza riportata per spinello, Lo spinello nanocristallino di NRL dimostra che la durezza della ceramica trasparente può essere aumentata semplicemente riducendo la dimensione del grano a 28 nanometri. Questo spinello più duro offre il potenziale per migliori finestre di armatura nei veicoli militari, che darebbe personale e attrezzature, come sensori, protezione migliorata, insieme ad altri vantaggi.

Questa ricerca è stata pubblicata il 30 gennaio 2014, numero della rivista Acta Materialia .

Per creare lo spinello più duro, il team di ricerca NRL sinterizza, o consolida, nanopolveri commerciali in materiali nanocristallini completamente densi. La sinterizzazione è un metodo comune utilizzato per creare grandi componenti ceramici e metallici da polveri. Però, il team NRL è il primo a riuscire a rendere questo spinello più duro attraverso lo sviluppo dell'approccio Enhanced High Pressure Sintering (EHPS), spiega il dottor James Wollmershauser, uno dei principali investigatori della ricerca. L'approccio EHPS utilizza pressioni elevate (fino a 6 GPa) per ritardare i tassi di diffusione di massa, rompere gli agglomerati di polvere, e riposizionare le nanoparticelle molto vicine tra loro per aiutare ad eliminare la porosità nella ceramica sinterizzata. I ricercatori dell'NRL possono quindi sfruttare l'aumento del potenziale superficiale delle nanoparticelle per la densificazione guidata dall'energia superficiale senza ingrossamento.

Utilizzando questo approccio EHPS per creare lo spinello nanocristallino, il team di ricerca dell'NRL non ha osservato alcun calo di densità o resistenza alla frattura a causa della porosità residua. Altri ricercatori hanno provato a produrre spinelli nanocristallini, ma tutti hanno avuto problemi con il prodotto finale, come, una densità ridotta, ridotta resistenza alla frattura, o ridotta trasparenza. La ridotta densità nel lavoro di altri ricercatori è causata da vuoti che non possono essere rimossi durante la lavorazione, che può ridurre la durezza, resistenza alla frattura e trasparenza. Wollmershauser di NRL osserva che alcune teorie suggeriscono che la resistenza alla frattura dovrebbe diminuire quando si realizza un materiale ceramico nanocristallino. Però, nel loro lavoro, i ricercatori dell'NRL hanno dimostrato che la resistenza alla frattura non cambia suggerendo che le ceramiche nanocristalline possono avere una tenacità equivalente alle ceramiche microcristalline, che è importante per la durata delle finestre elevate.

La relazione Hall-Petch è stata utilizzata per descrivere il fenomeno in cui la resistenza e la durezza di un materiale possono essere aumentate diminuendo la dimensione media dei grani di cristallite. Però, precedenti lavori sperimentali avevano mostrato una rottura in questa relazione (dove la durezza inizia a diminuire con la diminuzione della dimensione del grano) per alcune ceramiche a ~ 130 nanometri. Sorprendentemente, i ricercatori dell'NRL hanno smentito l'esistenza di una rottura dell'effetto Hall-Perch a queste dimensioni dei grani su scala nanometrica misurando una durezza crescente fino a una dimensione del grano di cristallite di almeno 28 nanometri. Il nuovo, elevati valori di durezza sono stati misurati su campioni con queste granulometrie medie estremamente piccole.

Nelle applicazioni attuali, spinello e zaffiro (che è anche molto duro), sono usati per creare materiali per finestre di armature militari. Uno svantaggio dello zaffiro è che è costoso trasformarlo in finestre. Aumentando ulteriormente la durezza dello spinello, I ricercatori della NRL possono rendere un materiale più duro dello zaffiro e possibilmente sostituire le finestre in zaffiro con finestre realizzate in spinello nanocristallino. Anche, le finestre di spinello nanocristallino più dure possono essere rese più sottili e soddisfare ancora le attuali specifiche militari. Questa sottigliezza si traduce in un risparmio di peso sul veicolo. Quindi lo spinello nanocristallino sviluppato da NRL porta miglioramenti in durezza, spessore e peso della finestra, e costo.

Un vantaggio finale è che lo spinello nanocristallino sviluppato da NRL è altamente trasparente, rendendolo utile in UV, ottica visibile e infrarossa. Il materiale dell'armatura utilizzato dai militari deve essere trasparente in modo che sia l'equipaggiamento che il personale possano vedere. Diversi sensori "vedono" diverse lunghezze d'onda della luce. L'infrarosso è importante per le capacità di ricerca del calore. L'imaging UV può essere utilizzato per rilevare minacce non visibili nello spettro visibile. I rivelatori UV hanno anche applicazioni nelle missioni astronomiche spaziali. Una singola finestra che potrebbe essere prodotta utilizzando lo spinello nanocristallino sviluppato da NRL sarebbe trasparente su molte lunghezze d'onda tecnologicamente importanti, alleggerimento dei requisiti di design e peso.

Oltre all'uso di uno spinello più duro nelle finestre delle armature, potrebbero esserci altre potenziali applicazioni del Dipartimento della Difesa e civili in finestre di uffici migliori/più resistenti, schermi di smartphone e tablet, veicoli militari/civili, veicoli spaziali, e persino rover extraterrestri.