本发明是在美国空军研究实验室(Air Force Research Laboratory)授予通用技术公司(Universal Technology Corporation)的合同号FA8650-11-D-5703和通用技术公司与圣戈班陶瓷与塑料公司(Saint-Gobain Ceramics and Plastics,Inc.)之间的合同号13-S7507-02-C1的美国政府支持下进行。美国政府在本发明中具有某些权利。
技术领域
本申请涉及陶瓷材料，和制造陶瓷材料的方法，且更确切地说，涉及具有复杂几何形状的透明陶瓷材料。
背景技术：
透明陶瓷包括具有传光能力的高强度、鲁棒材料。尽管在某些应用中，可能需要透明陶瓷具有复杂几何形状，这由于透明陶瓷的低柔性而可能难以实现。需要具有复杂几何形状的改进的透明陶瓷材料。
技术实现要素：
本发明涉及一种包含透明陶瓷面板的陶瓷产品，所述透明陶瓷面板具有包括弯曲部的非平面几何形状，在弯曲部具有混浊度变化、厚度变化、位错密度变化或其任何组合。
本发明进一步涉及一种形成陶瓷产品的方法，其包含：
提供透明陶瓷面板；
加热所述面板；和
弯曲所述面板以符合非平面几何形状。
附图说明
在附图中以举例方式说明实施例，并且不作限制。
图1包括可用于本文所述的方法的实施例的弯曲夹具的图解说明。
熟练的技术人员应了解，图中的元件仅为简单和清晰起见而进行说明，但不一定按比例绘制。举例来说，图中一些元件的尺寸可能相对于其它元件而夸大以帮助改进对本发明的实施例的理解。
具体实施方式
结合附图提供以下说明来帮助理解本文公开的教示内容。以下论述将集中于教示内容的特定实施方案和实施例上。提供此焦点以帮助描述教示内容，并且其不应被解释为对所述教示内容的范围或适用性的限制。然而，可以基于如本申请中所公开的教示内容来使用其它实施例。
术语“包含(comprises/comprising)”、“包括(includes/including)”、“具有(has/having)”或其任何其它变化形式打算涵盖非独占的包括。举例来说，包含特征列表的方法、物品或设备不一定仅限于那些特征，但可以包括没有明确列出的其它特征或所述方法、物品或设备所固有的其它特征。另外，除非明确相反地陈述，否则“或”是指包括性的或，而非排它性的或。举例来说，条件A或B通过以下中的任举例来说，条件A或B通过以下中的任一者来得到满足：A是真的(或存在的)并且B是假的(或不存在的)、A是假的(或不存在的)并且B是真的(或存在的)以及A和B都是真的(或存在的)。
而且，使用“一”是用于描述本文中所述的元件和组件。这样做只是为方便起见并且给出本发明范围的一般性含义。除非显而易见指的是其它情况，否则此描述应将包括一个、至少一个或单数个解读为也包括多个，或反之亦然。举例来说，当本文中描述单个项目时，可以使用一个以上项目来代替单个项目。类似地，在此处描述一个以上项目时，可以用单个项目取代一个以上项目。
除非另外限定，否则在此所用的所有技术和科学术语具有与本发明所属领域的普通技术人员通常所理解相同的含义。材料、方法和实例仅是说明性的并且不欲为限制性的。关于具体材料和加工行为的许多细节是常规的并且可以见于陶瓷领域的教科书和其它来源中，直到本文未描述的程度。
陶瓷材料可展现多种适用于经受例如磨耗、高温或高速冲击的产品的机械特性。举例来说，极好的强度与重量比和优良硬度意味着陶瓷可通常替换和改进如钢、聚合物和玻璃的结构材料。
陶瓷材料可为不透明、半透明或透明的。透明陶瓷材料备受关注，因为其可提供可替换透明玻璃或聚合物的耐冲击、耐刮擦和耐热性材料。尽管透明陶瓷材料薄片通常比玻璃或聚合薄片更难以生产，此类陶瓷材料的优良特性可使其为在极端条件下或恶劣环境中需要耐刮擦、高强度和传光时，或需要在玻璃或聚合物的情况下不可能的波长下传输时的所选材料。
“半透明”陶瓷材料为所属领域的技术人员已知且允许传光但不提供通过材料观看的目标的透明图像，而“透明”陶瓷材料为所属领域的技术人员已知且允许传光且提供通过材料观看的目标的清晰、可辩别图像。
透明陶瓷材料可为坚硬且脆性的，使其难以将平坦透明陶瓷面板折弯为具有复杂几何形状的透明陶瓷面板。因此，现有技术已尝试通过从梨晶(boule)切割所需几何形状或使用生坯成形技术直接形成为近净形状而实现具有复杂几何形状的透明陶瓷面板。然而，此类方法可为高成本和费时的。另外，与弯曲之前抛光平板相反，此类材料仍需要经复杂几何形状的抛光。
本文所公开的陶瓷产品的某些实施例具有如下显著优势：包括起初以平坦或非平面几何形状形成且接着弯曲以符合复杂几何形状的透明陶瓷面板。本文所公开的陶瓷产品的其它实施例具有如下显著优势：透明陶瓷面板可在弯曲之前抛光且在弯曲之后保留抛光的至少一部分。
在某些实施例中，陶瓷产品可包括弯曲以符合复杂几何形状的透明陶瓷面板。在弯曲之前，透明陶瓷面板可具有平坦或平面几何形状。在某些实施例中，透明陶瓷面板可包括单一连续陶瓷薄片而非边对边邻接的薄片嵌合体或系列。
在某些实施例中，透明陶瓷面板可包括多晶或单晶陶瓷材料。在一些情况下，面板可为烧结的陶瓷薄片，但单晶陶瓷由于例如优良光学质量、较好回弹性或这两者而通常为优选的。适合陶瓷材料的非穷尽性实例包括多晶Al2O3；单晶蓝宝石(Al2O3)；氮氧化铝，如(AlN)x(Al2O3)1-x，其中x在0到1范围内(在下文中为“AlON”)；和尖晶石(MgAl2O4)。在特定实施例中，透明陶瓷面板可包括具有沿a-平面安置的主表面或沿c-平面安置的主表面的蓝宝石。
弯曲之前的透明陶瓷面板(如具有平坦或非平面几何形状)可从梨晶的横截面产生。然而，从梨晶的横截面产生的陶瓷薄片可由于梨晶通常为圆柱形且因此具有圆形横截面而受限。因此，从梨晶切割的陶瓷薄片一般具有限于梨晶直径的宽度。尽管正方形薄片可在最少浪费的情况下切割，矩形薄片的制造成本可能更高且可涉及额外切割，伴以对应浪费，以生产具有大于宽度的长度的陶瓷薄片。尽管可从梨晶切出不同形状，从透明陶瓷块切割薄片可为昂贵且费时的。
在一些实施例中，使用具有较大表面积的单一陶瓷薄片可通过例如更有效地分散冲击力而产生改进的性能以及提供改进的视界。较大面积薄片可使用Stepanov(SP)技术或限边馈膜生长(EFG)法制得。EFG技术可包括(但不限于)2008年3月25日授权的洛赫尔(Locher)等人的标题为“单晶和其制造方法(Single Crystals and Methods for Fabricating Same)”的共有的美国专利第7,348,076号中描述的那些，所述专利以全文引用的方式并入本文中。
在某些实施例中，透明陶瓷面板可具有至少30cm、至少35cm、至少40cm、至少45cm或甚至至少50cm的长度。在特定实施例中，使用生长技术，透明陶瓷面板可具有至少60cm或甚至至少70cm的长度。长度是指具有最大尺寸的维度。
在其它实施例中，透明陶瓷面板可具有为具有第二最大尺寸(或在正方形构形中，等于长度)的维度且可小于或等于长度的90％、80％、70％或60％的宽度。在特定实施例中，透明陶瓷面板可具有至少10cm、至少15cm或甚至至少20cm的宽度。
在其它实施例中，透明陶瓷面板可具有小于或等于透明陶瓷面板的宽度的厚度。举例来说，宽度可在弯曲之前基本上一致，且可为至少0.05cm、至少0.07cm、至少0.1cm、至少0.2cm、至少0.3cm、至少0.4cm、至少0.5cm、至少0.7cm或甚至至少1cm。类似地，薄片的厚度可为不大于0.05cm、不大于0.07cm、不大于0.1cm、不大于0.2cm、不大于0.3cm、不大于0.4cm、不大于0.5cm、不大于0.7cm、不大于1cm、不大于2cm或甚至不大于3cm。
在一些实施例中，的透明陶瓷面板在弯曲之前可以基本上圆形或任何多边形形状形成。在特定实施例中，多边形形状包括正方形或矩形。在其它特定实施例中，透明陶瓷面板可包括其它形状，如杆状。此外，透明陶瓷面板的表面积可为至少650cm2、至少850cm2、至少1050cm2、至少1250cm2、至少1450cm2或至少1650cm2，或大于1650cm2。
在某些实施例中，透明陶瓷面板可允许传输大于25％、50％、70％、80％或90％的可见光、红外光和/或紫外光。尽管可能需要甚至较大的传输，透明陶瓷面板可具有不大于97％、不大于95％或甚至不大于93％的传输。也可实现下至约200nm并且高达约2到3μm的波长的显著传输。举例来说，取决于材料，透明陶瓷材料可传输至少80％高达至少4μm的波长、至少60％高达至少5μm的波长和至多约60％在5到7μm范围内的波长。举例来说，蓝宝石、尖晶石和AlON可具有光传输，如金(Kim)等人,“用于高能激光的陶瓷窗和增益介质(Ceramic windows and gain media for high-energy lasers)”,光学工程(Opt.Eng.)52(2),021003(2012年10月05日)中所述，其关于透明陶瓷材料的传输(包括所述文章的图1和相关文本)以引用的方式并入本文中。光传输值可根据所属领域的技术人员已知的方法测量。
在某些实施例中，陶瓷产品可包括在弯曲之后具有复杂几何形状的透明陶瓷面板。如先前所论述，透明陶瓷面板可具有平面几何形状且可从平面几何形状弯曲以符合复杂几何形状。如本文所用，术语“复杂几何形状”是指具有至少一个弯曲部的非平面几何形状。在特定实施例中，透明陶瓷面板的复杂几何形状可包括至少两个弯曲部、至少三个弯曲部或至少四个弯曲部。在某些实施例中，弯曲部可具有从平坦片件的弯曲实现的任何曲率半径。在其它实施例中，弯曲部的曲率半径可不大于120cm、不大于100cm、不大于80cm、不大于60cm、不大于40cm或甚至不大于30cm。
非平面几何形状可包括弯曲部中在弯曲过程的人为产物。举例来说，弯曲部可展现滑动平面、增加的混浊度、非均一厚度或其组合。举例来说，滑动平面是指透明陶瓷面板的晶体结构的塑性变形。变形可为由弯曲期间的连续键断裂和键重组引起的位错的结果。滑动平面可具有每单位体积包括多个位错的位错密度。在某些实施例中，复杂几何形状可具有由弯曲过程引起的位错密度的变化。举例来说，复杂几何形状可包括弯曲部边缘处增加的位错密度或顶点处减小的密度。相信在不弯曲的情况下直接由梨晶或生坯成形技术形成的复杂几何形状不具有此类位错密度变化。位错密度可基于XRT分析和计算给定区域中的位错数目而测定。
另外，透明陶瓷面板可包括弯曲部处增加的混浊度。如本文所用，术语“混浊度”是指光穿过透明材料时的光散射，导致可见度的减小或眩光且可根据ASTM D1003测量。混浊度可由陶瓷材料的弯曲产生且因此局限于弯曲部处。在某些实施例中，透明陶瓷面板中的弯曲部可展现弯曲部处的混浊度变化。举例来说，弯曲部可具有相对于面板边缘增加的混浊度。在特定实施例中，弯曲部可具有在至少1％、至少2％或至少3％范围内的混浊度。在其它特定实施例中，弯曲部可具有在不大于10％、不大于7％或不大于5％范围内的混浊度。类似地，相信在不弯曲的情况下直接从梨晶或生坯成形技术形成的复杂几何形状不具有弯曲部处的混浊度的此类局部增加。
此外，透明陶瓷面板可包括非均一厚度。非均一厚度是指由于弯曲所致的弯曲部处的厚度变化。举例来说，在面板弯曲时，弯曲部顶点处的材料的厚度可相对于弯曲部邻接区域减小。在某些实施例中，厚度变化可通过发现沿弯曲部的顶点的点测量的厚度与沿弯曲部邻接区域的点测量的厚度之间的差异计算。在特定实施例中，差异可为至少0.1％、至少0.5％或至少1％。在其它特定实施例中，差异可不大于10％、不大于5％或不大于3％。类似地，相信在不弯曲的情况下直接从梨晶或生坯成形技术形成的复杂几何形状不具有弯曲部处的此类局部厚度变化。
在特定实施例中，陶瓷产品可包括具有复杂几何形状的抛光透明陶瓷面板。另外，透明陶瓷面板可在弯曲之前抛光且可在弯曲之后保留其抛光。
如先前所论述，现有技术已尝试通过从梨晶切割所需几何形状或使用生坯成形技术以近净形状形成材料而实现复杂几何形状。然而，此类材料仍需要在实现复杂几何形状之后抛光，其可为高成本和费时的。申请人已开发一种形成陶瓷产品的方法，其不需要从梨晶切割或生坯成形技术以实现复杂几何形状。所述方法可包括由任何生长技术形成的透明陶瓷面板。在某些实施例中，方法包括从生长技术，如上文所述的EFG或SP技术产生面板。在其它实施例中，面板可从梨晶切割或使用生坯成形技术形成。如上文所论述，所述方法不需要从梨晶切割或使用生坯成形技术形成。举例来说，方法不包含从梨晶产生透明陶瓷面板，或方法不包含从任何生坯成形技术产生透明陶瓷面板。
在特定实施例中，提供透明陶瓷面板包括在弯曲之前提供平面或平坦透明陶瓷面板。在其它实施例中，提供透明陶瓷面板包括在弯曲之前抛光透明陶瓷面板。此外，方法包括透明陶瓷面板在弯曲之后保留其抛光。
在某些实施例中，所述方法可包括提供透明陶瓷面板、加热面板、弯曲面板以符合复杂几何形状。尽管提供透明陶瓷面板可包括任何用于实现透明陶瓷面板的技术，通过生长技术实现的透明陶瓷面板可提供具有优于使用其它技术形成的薄片的优点的透明陶瓷面板。尽管方法不需要面板经抛光，本文所公开的方法允许面板在弯曲之前抛光且在弯曲之后保留其抛光。
在特定实施例中，抛光的透明陶瓷面板可置于弯曲夹具之间。弯曲夹具可包括由任何高温耐火金属形成的抛光弯曲夹具，只要其在弯曲温度下维持其强度。在某些实施例中，耐火金属可包括钨、铱、钼、铼、其任何合金，或其任何组合。弯曲夹具可为如图1中所示的弯曲夹具组合件10的一部分，所述组合件包括夹具连接点20、可移动夹具30和固定夹具40。透明陶瓷面板50可置于可移动夹具30与固定夹具40之间。可移动夹具和固定夹具可以互补方式界定复杂几何形状。
在将透明陶瓷面板置于夹具组合件中之后，夹具组合件可加热到低于透明陶瓷面板的熔点的温度。如果温度过低，那么透明陶瓷面板将不具有足够用于弯曲的塑性且可破裂。举例来说，加热面板可包括将夹具组合件加热到低于面板的熔点至少500℃、低于面板的熔点至少100℃、低于面板的熔点至少60℃、低于面板的熔点至少20℃或甚至低于面板的熔点至少10℃的温度。然而，如果温度过高，那么透明陶瓷面板将开始熔融且丧失所有结构。加热面板可包括将面板加热到低于面板的熔点不大于0.01℃、低于面板的熔点不大于1℃、低于面板的熔点不大于3℃或低于面板的熔点不大于5℃的温度。在特定实施例中，面板的至少一部分可加热到其熔点，只要面板的一部分保持低于其熔点。另外，夹具组合件可包括绝热材料，如碳绝热材料。
在将夹具组合件加热到所需温度后，透明陶瓷面板可在两个夹具30与40之间按压。高温允许透明陶瓷面板通过滑动为复杂几何形状而变形。如上文所论述，复杂几何形状可包括包括弯曲部的非平面几何形状。弯曲部可由于弯曲过程而展现滑动平面、增加的混浊度、非均一厚度或其组合。另外，用于夹具的材料可允许透明陶瓷面板在最少后处理的情况下维持抛光的至少一部分。
如上文所论述，陶瓷产品可包括透明陶瓷面板弯曲部以符合复杂几何形状。在某些实施例中，复杂几何形状可设计用于透明装甲应用。在其它实施例中，复杂几何形状可设计用于电光窗。根据以上方法制得的陶瓷产品可以有效方式且在不过度浪费材料的情况下产生此类几何形状。
许多不同方面和实施例是可能的。下文描述那些方面及实施例中的一些。阅读本说明书以后，熟练的技术人员将了解到，那些方面和实施例仅仅是说明性的，并且不限制本发明的范围。实施例可根据如下所列实施例中的任何一或多个。
实施例1.一种包含透明陶瓷面板的陶瓷产品，所述透明陶瓷面板具有包括弯曲部的非平面几何形状，在弯曲部具有混浊度变化、厚度变化、位错密度变化或其任何组合。
实施例2.一种形成陶瓷产品的方法，其包含：
提供透明陶瓷面板；
加热所述面板；和
弯曲所述面板以符合非平面几何形状。
实施例3.根据实施例2所述的方法，其中所述非平面几何形状包括弯曲部，在弯曲部具有混浊度变化、厚度变化、位错密度变化或其任何组合。
实施例4.根据实施例2到3中任一实施例所述的方法，其中所述透明陶瓷面板在弯曲之前具有平面几何形状。
实施例5.根据实施例2到4中任一实施例所述的方法，其中提供透明陶瓷面板包括在弯曲之前抛光透明陶瓷面板。
实施例6.根据实施例5所述的方法，其中透明陶瓷面板在弯曲之后保留抛光的至少一部分。
实施例7.根据实施例2到6中任一实施例所述的方法，其中加热所述面板包括在低于面板的熔点至少500℃、低于面板的熔点至少100℃、低于面板的熔点至少60℃、低于面板的熔点至少20℃或甚至低于面板的熔点至少10℃的温度下加热面板。
实施例8.根据实施例2到7中任一实施例所述的方法，其中加热所述面板包括在低于面板的熔点不大于0.01℃、低于面板的熔点不大于1℃、低于面板的熔点不大于3℃或低于面板的熔点不大于5℃的温度下加热面板。
实施例9.根据实施例2到8中任一实施例所述的方法，其中弯曲面板以符合非平面几何形状包括用具有非平面几何形状的弯曲夹具施加负荷。
实施例10.根据实施例2到9中任一实施例所述的方法，其中提供透明陶瓷面板包括使用限边馈膜生长(EFG)技术或Stepanov(SP)技术生长面板、从梨晶产生透明陶瓷面板或从生坯成形技术产生透明陶瓷面板。
实施例11.根据实施例2到9中任一实施例所述的方法，其中所述方法部包含从梨晶产生透明陶瓷面板。
实施例12.根据实施例2到9中任一实施例所述的方法，其中所述方法部包含从任何生坯成形技术产生透明陶瓷面板。
实施例13.根据实施例1和3到12中任一实施例所述的陶瓷产品或方法，其中非均一厚度包括接近弯曲部的顶点而减小的厚度。
实施例14.根据实施例1和3到13中任一实施例所述的陶瓷产品或方法，其中非平面几何形状包括至少两个弯曲部、至少三个弯曲部或至少四个弯曲部。
实施例15.根据前述实施例中任一实施例所述的陶瓷产品或方法，其中陶瓷产品经抛光。
实施例16.根据前述实施例中任一实施例所述的陶瓷产品或方法，其中陶瓷产品包括单晶透明陶瓷材料。
实施例17.根据前述实施例中任一实施例所述的陶瓷产品或方法，其中陶瓷产品包括多晶透明陶瓷材料。
实施例18.根据前述实施例中任一实施例所述的陶瓷产品或方法，其中陶瓷产品包括包含蓝宝石、AlON或尖晶石的透明陶瓷材料。
实施例19.根据实施例18所述的陶瓷产品或方法，其中陶瓷产品包括包含蓝宝石的透明陶瓷材料。
实施例20.根据实施例19所述的陶瓷产品或方法，其中蓝宝石包含沿a-平面或c-平面安置的主表面。
实施例21.根据前述实施例中任一实施例所述的陶瓷产品或方法，其中非平面几何形状的曲率半径为不大于120cm、不大于100cm、不大于80cm、不大于60cm、不大于40cm、或甚至不大于30cm。
实施例22.根据前述实施例中任一实施例所述的陶瓷产品或方法，其中弯曲之前的透明陶瓷面板的长度为至少30cm、至少35cm、至少40cm、至少45cm、或甚至至少50cm。
实施例23.根据前述实施例中任一实施例所述的陶瓷产品或方法，其中弯曲之前的透明陶瓷面板的宽度为至少10cm、至少15cm、至少20cm、或甚至至少100cm。
实施例24.根据前述实施例中任一实施例所述的陶瓷产品或方法，其中透明陶瓷面板的表面积为至少650cm2、至少850cm2、至少1050cm2、至少1250cm2、至少1450cm2、或至少1650cm2。
实施例25.一种陶瓷装甲子组件，其包含根据前述实施例中任一实施例所述的陶瓷产品。
实施例26.一种窗，其包含根据前述实施例中任一实施例所述的陶瓷产品。
应注意，并非在上文一般描述或实例中所描述的所有活动都是需要的，一部分具体活动可能是不需要的，并且可以执行除所述活动之外的一或多种其它活动。再者，所列的活动顺序不一定是其进行顺序。
上文已关于特定实施例描述了益处、其它优势和对问题的解决方案。然而，所述益处、优势、对问题的解决方案以及可使任何益处、优势或解决方案出现或变得更突出的任何特征不应该被理解为任何或所有权利要求的关键的、所需要的或基本的特征。
本文所描述的说明书和对实施例的说明意图提供对各种实施例的结构的一般理解。所述说明和图示并不打算充当使用本文所描述的结构或方法的设备和系统的所有元件和特征的详尽并且全面的描述。在单个实施例中也可以按组合形式提供单独的实施例，并且反之，为简洁起见，在单个实施例的情况下所描述的各种特征也可以单独地或以任何次组合形式提供。另外，在范围中所陈述的参考值包括那个范围内的每一个值。仅在阅读本说明书之后，熟练的技术人员就可以清楚许多其它实施例。可使用其它实施例且所述实施例可从本申请导出，使得在不脱离本申请的范围的情况下，可进行结构替代、逻辑替代或另一变化。因此，本申请应被视为说明性的而非限制性的。