Сапфир, или монокристаллический глинозем (Al₂O₃), - это высокоэффективный материал, обладающий высокой твердостью, прочностью, термостойкостью, оптическим пропусканием и химической стойкостью. Сапфир - это высокочистый, плотный монокристаллический материал без границ ‘поликристалла’ и с плотной микроструктурой без пор, за исключением участков избыточного кислорода на поверхности монокристалла. Благодаря высокой прочности сапфир обладает твердостью 9° по шкале Мооса и устойчив к царапинам, потертостям и другим повреждениям.
Сапфир пропускает ультрафиолетовый свет с длиной волны от 0,17 мкм до 0,25 мкм и далее до длины волны 5-5,5 мкм и более для оптических окон в ультрафиолетовой, видимой и инфракрасной областях. Сапфир имеет высокую температуру плавления 2030-2040 °C, отличную теплопроводность и жаропрочность, а также превосходную химическую и механическую совместимость. Сапфир уже широко используется для большинства применений в таких областях, как оптические окна, лазерные окна, подложки для полупроводников, устойчивые к царапинам защитные покрытия, научные приборы для исследований и промышленные приложения, а также в других областях, связанных с ключевыми технологиями.
Кристаллическая структура и классификация
Сапфир представляет собой монокристалл корунда α-типа с химическим составом Al₂O₃ и имеет гексагональную кристаллическую систему с ромбоэдрической симметрией 3m. Константы решетки варьируются в пределах примерно ≈ 4,75-4,79 Å и c ≈ 12,9-13,0 Å; однако благодаря плотной упаковке, отсутствию пористости и границ зерен полученный монокристалл обладает выдающейся прочностью, теплопроводностью и оптической однородностью. Поскольку сапфир представляет собой монокристалл, он значительно отличается от других алюмооксидных керамик благодаря повышенной прочности, прозрачности, однородности прочности и теплопроводности.
Например, C-тангенс используется для предотвращения двулучепреломления, обычно применяемого в точных оптических окнах; тангенциальный срез для повышения прочности и устойчивости к истиранию, обычно используемый в сложных приложениях, где прочность является приоритетом; а для экономичного использования используются углы случайной огранки. Расположение атомов внутри монокристалла гексагональное, при этом плоскость оксида алюминия занимает ион алюминия, что обеспечивает исключительную прочность и высококачественные оптические свойства монокристалла корунда.
Выращивание и обработка
Высококачественные сапфиры могут быть получены с помощью современных технологий выращивания кристаллов в соответствии с оптическими требованиями и другими промышленными стандартами. Для точного выращивания кристаллов могут использоваться процессы Kyropoulos и SAPMAC. Процесс Kyropoulos используется для выращивания кристаллов сапфира большого размера с низкой плотностью дефектов путем медленного подъема семян в расплавленном Al₂O₃ и точного управления градиентом температуры и скоростью роста. Процесс SAPMAC является усовершенствованным по сравнению с процессом Kyropoulos и позволяет лучше контролировать количество сегментов подъема и температурный контроль, что приводит к стабильному росту высококачественных кристаллов.
Выращенный кристалл сапфира не имеет границ зерен и множества зерен, что обеспечивает превосходные механические, тепловые и оптические свойства выращенного кристалла. На этапе обработки необходимо выбрать направление огранки кристалла в соответствии с требованиями, обеспечивая производительность оптического окна/механических деталей с помощью полировки и очистки. Стандартные методы обработки включают прецизионную механическую полировку, одноточечную алмазную резку, формовку стекла и другие методы, соответствующие требованиям различных размеров и качества.
Механические свойства
Он обладает исключительной механической прочностью. Его прочность на сжатие достигает 2-25 ГПа, модуль Юнга - 330-380 ГПа, что примерно вдвое больше, чем у стали. Твердость его высока (9 единиц по шкале Мооса), только рядом с алмазом, поэтому он очень устойчив к царапинам и истиранию. Его механическая прочность в значительной степени зависит от чистоты и направления кристаллов: более высокая чистота приводит к стабильной механической прочности; прочность и твердость различаются в зависимости от направления. Даже при температуре около 1200 °C он обладает определенной прочностью и механическими свойствами.
Тепловые характеристики
Теплопроводность сапфира удивительно хороша - в среднем 25-35 Вт/м-К, а коэффициент теплового расширения составляет примерно 5-6 × 10-⁶/K, что зависит от степени чистоты и ориентации кристаллов. Высокая температура плавления и стабильные значения коэффициента теплового расширения делают его идеальным для использования в высокотемпературных приложениях с хорошей оптической и механической прочностью. Удельная теплоемкость находится в диапазоне 700-800 Дж/кг-К, что обеспечивает эффективное распределение тепловой энергии. Внутренние напряжения в кристалле уменьшаются при высоких температурах или температурных градиентах, что делает его менее склонным к разрушению и искривлению.
Оптические характеристики
Сапфир имеет широкий диапазон оптического пропускания - от примерно 0,17 мкм в УФ-области до 5-5,5 мкм в средней инфракрасной области. Для сапфирового окна оптического класса обычным является светопропускание 80-90% или выше (с покрытием или без покрытия), хотя чувствительность к ультрафиолету зависит от области энергетического зазора с низким пропусканием в области 140-240 нм; ИК-пропускание обычно более стабильно. Показатель преломления составляет No ≈ 1,75 и Ne ≈ 1,74 при длине волны 1 мкм, с небольшим эффектом двулучепреломления и C-образной огранкой, которая снижает эффект двулучепреломления до пренебрежимо малого значения.
Примеры применения
Сапфир используется в различных сложных оптических, промышленных и научных приложениях, включая следующие:
- Высокоточный оптическое окно, Лазерное окно, смотровое окно для научных приборов
- Поверхность часов и защитная крышка
- Полупроводниковые подложки и электронные устройства
- Лазерная обработка, аэрокосмическое и оборонное оборудование
- Промышленные детали и износостойкие компоненты
Особые свойства делают его ценным активом для применения в условиях высоких температур, высокого давления, коррозии и износостойкости.
Заключение
Сапфир (Al₂O₃) является отличным кандидатом для использования в сложных оптических и промышленных приложениях благодаря своей высокой твердости, прочности, а также хорошим тепловым и оптическим свойствам. С появлением сложных технологий роста Kyropoulos и SAPMAC, а также сложной резки и обработки, возможности кристаллов сапфира могут быть использованы в полной мере. Сочетание конкретного направления кристалла с конкретной технологией обработки позволяет использовать комбинацию механики, оптики и тепла для производства высоконадежных и долговечных компонентов, независимо от того, используются ли эти компоненты в виде оптических окон, полупроводниковых пластин или быстроизнашивающихся деталей.
