p O Departamento de Defesa precisa de materiais para janelas de blindagem que forneçam proteção essencial para o pessoal e o equipamento, mantendo um alto grau de transparência. Para atender a essa necessidade, cientistas do Naval Research Laboratory (NRL) desenvolveram um método para fabricar espinélio nanocristalino que é 50% mais duro do que os materiais de blindagem de espinélio atuais usados ​​em veículos militares. Com a maior dureza relatada para espinélio, O espinélio nanocristalino do NRL demonstra que a dureza da cerâmica transparente pode ser aumentada simplesmente reduzindo o tamanho do grão para 28 nanômetros. Este espinélio mais duro oferece o potencial para melhores janelas de blindagem em veículos militares, que daria pessoal e equipamento, como sensores, proteção aprimorada, junto com outros benefícios. p Esta pesquisa foi relatada em 30 de janeiro, 2014, edição do jornal Acta Materialia .

p Para criar o espinélio mais duro, a equipe de pesquisa NRL sinteriza, ou consolida, nanopós comerciais em materiais nanocristalinos totalmente densos. A sinterização é um método comum usado para criar grandes componentes de cerâmica e metal a partir de pós. Contudo, a equipe NRL é a primeira a ter sucesso em tornar este espinélio mais difícil por meio do desenvolvimento da abordagem Enhanced High Pressure Sintering (EHPS), explica o Dr. James Wollmershauser, um investigador líder na pesquisa. A abordagem EHPS usa altas pressões (até 6 GPa) para retardar as taxas de difusão em massa, quebrar aglomerados de pó, e reposicionar nanopartículas muito próximas umas das outras para ajudar a eliminar a porosidade na cerâmica sinterizada. Os pesquisadores de NRL, então, podem explorar o potencial de superfície aumentado das nanopartículas para densificação impulsionada pela energia de superfície sem engrossamento.

p Usando esta abordagem EHPS para criar o espinélio nanocristalino, a equipe de pesquisa do NRL não observou qualquer declínio na densidade ou resistência à fratura devido à porosidade residual. Outros pesquisadores tentaram fazer espinélios nanocristalinos, mas todos tiveram problemas com o produto final, tal como, uma densidade reduzida, resistência à fratura reduzida, ou transparência reduzida. A densidade reduzida no trabalho de outros pesquisadores é causada por vazios que não podem ser removidos durante o processamento, o que pode reduzir a dureza, resistência à fratura e transparência. Wollmershauser da NRL observa que algumas teorias sugerem que a resistência à fratura deve diminuir quando você faz um material cerâmico nanocristalino. Contudo, em seu trabalho, os pesquisadores do NRL mostraram que a resistência à fratura não muda, sugerindo que a cerâmica nanocristalina pode ter uma resistência equivalente à da cerâmica microcristalina, o que é importante para grandes durações de janela.

p A relação Hall-Petch foi usada para descrever o fenômeno onde a resistência e dureza de um material podem ser aumentadas diminuindo o tamanho médio de grão do cristalito. Contudo, trabalhos experimentais anteriores mostraram uma quebra nesta relação (onde a dureza começa a reduzir com a diminuição do tamanho do grão) para certas cerâmicas em ~ 130 nanômetros. Notavelmente, os pesquisadores do NRL contestaram que existe uma quebra no efeito Hall-Perch nesses tamanhos de grão em nanoescala medindo uma dureza crescente até pelo menos 28 nanômetros de tamanho de grão de cristalito. O novo, altos valores de dureza foram medidos em amostras com esses tamanhos médios de grão extremamente pequenos.

p Nos aplicativos atuais, espinélio e safira (que também são muito duros), são usados ​​para criar materiais para janelas de blindagem militar. Uma desvantagem da safira é que ela é cara para fazer janelas. Ao aumentar ainda mais a dureza do espinélio, Os pesquisadores do NRL podem fazer um material mais duro do que a safira e possivelmente substituir as janelas de safira por janelas feitas de espinélio nanocristalino. Também, As janelas de espinélio nanocristalino mais duras podem ser feitas mais finas e ainda atender às especificações militares atuais. Essa magreza se traduz em economia de peso no veículo. Portanto, o espinélio nanocristalino desenvolvido por NRL traz melhorias na dureza, espessura e peso da janela, e custo.

p Um benefício final é que o espinélio nanocristalino desenvolvido por NRL é altamente transparente, tornando-o útil em UV, óptica visível e infravermelha. O material da armadura usado pelos militares precisa ser transparente para que o equipamento e o pessoal possam ver. Sensores diferentes "veem" diferentes comprimentos de onda de luz. O infravermelho é importante para recursos de busca de calor. A imagem UV pode ser usada para detectar ameaças não vistas no espectro visível. Os detectores de UV também têm aplicações em missões de astronomia no espaço. Uma única janela que poderia ser produzida usando o espinélio nanocristalino desenvolvido por NRL seria transparente em muitos comprimentos de onda tecnologicamente importantes, facilitando os requisitos de design e peso.

p Além do uso de um espinélio mais duro em janelas de armadura, pode haver outras aplicações potenciais do DoD e civis em janelas de escritório melhores / mais fortes, telas de smartphones e tablets, veículos militares / civis, veículos espaciais, e até veículos extraterrestres.