藍寶石

一、晶體與結構特性

• 六方晶系結構：藍寶石屬于 α-Al?O?單晶，具有六方緊密堆積結構，晶格穩定，無晶界（區別于多晶氧化鋁陶瓷），因此力學、光學等性能呈現各向異性（如不同晶向的硬度、導熱性有差異）。

• 高純度與完整性：工業級藍寶石純度通常達 99.9% 以上，晶體缺陷（如位錯、雜質）極少，可通過人工晶體生長技術（如泡生法、導模法）制備大尺寸單晶（直徑可達 400mm 以上），滿足光學窗口、襯底等高端需求。

二、力學特性：超高硬度與結構穩定性

• 極高硬度：莫氏硬度為 9（僅次于金剛石的 10），維氏硬度約 2000-2500 HV，遠超玻璃（5-6）和多數金屬材料，耐磨性極強，不易刮擦（如手機攝像頭保護鏡片、手表表鏡）。

• 高強度與抗壓性：室溫下抗拉強度約 400-600 MPa，抗壓強度可達 2000 MPa 以上，斷裂韌性約 2-3 MPa?m1/2，雖脆性較高（無塑性變形，斷裂前無明顯征兆），但抗沖擊性能優于普通玻璃（如可承受一定程度的機械沖擊）。

• 高溫力學穩定性：在 1000℃以上高溫下，硬度和強度仍能保持穩定（如 1500℃時強度仍為室溫的 70%），遠超金屬材料（如鋼在 600℃以上強度大幅下降），適合高溫結構件（如火箭發動機燃燒室襯里）。

三、光學特性：優異的透光性與耐輻射性

• 寬波段透光性：在紫外（0.15μm）至中紅外（5μm）波段具有高透光率（可見光波段透光率達 85%-90%），且透光性能不受溫度影響（-200℃至 1000℃范圍內穩定），是極端環境下的理想光學材料（如紅外探測窗口、高溫爐觀察窗）。

• 抗輻射與耐候性：對紫外線、γ 射線等輻射不敏感，長期暴露在陽光下無老化、變色現象，耐候性遠優于玻璃和塑料（如航天器舷窗、戶外光學儀器罩）。

四、熱學特性：耐高溫與低熱膨脹

• 極高熔點與耐高溫性：熔點約 2050℃，可在 1900℃以下長期使用，短期耐受 2000℃以上高溫，且高溫下不分解、不揮發，是少數能在超高溫環境中穩定工作的材料（如核反應堆高溫部件、激光裝置靶材）。

• 低熱膨脹與高熱導率：熱膨脹系數低（約 7-8×10??/℃，室溫至 1000℃），遠低于金屬（如鋼約 12×10??/℃），尺寸穩定性優異（溫度劇烈變化時不易開裂）。同時，導熱率約 40-50 W/(m?K)（高于多數陶瓷和玻璃），散熱能力強，適合高溫散熱部件（如大功率 LED 襯底）。

五、化學與環境特性：極端穩定的耐腐蝕性

• 化學惰性極強：對酸（除氫氟酸外）、堿、鹽溶液及有機溶劑均具有優異耐腐蝕性，即使在高溫（1000℃以上）下也不與氧氣、氮氣等氣體反應，可耐受熔融金屬（如鋁、銅）的侵蝕，適合苛刻化學環境（如化工反應釜內襯、熔融金屬坩堝）。

• 耐磨損與抗沖擊：除高硬度帶來的耐磨性外，藍寶石單晶的抗熱沖擊性（溫度驟變時抗裂能力）優于多晶陶瓷，例如從 1000℃驟冷至室溫不易碎裂，適合高溫切換場景（如冶金測溫探頭保護套）。

六、功能與應用特性

• 電絕緣性：室溫下電阻率高達 101?-101? Ω?cm，是優良的電絕緣材料，且高溫下（1000℃）仍保持絕緣性（多數陶瓷在高溫下絕緣性下降），適合高溫絕緣部件（如熱電偶保護管）。

• 工藝適應性：可通過切割、研磨、拋光等精密加工技術制成薄片（厚度≤0.1mm）、異形件，表面粗糙度可控制在納米級（Ra≤0.5nm），滿足光學鏡面、半導體襯底的高精度要求（如藍寶石襯底用于 GaN 基 LED 外延生長）。

局限性

• 脆性高：無塑性變形，抗沖擊強度較低（約 20-30 MPa?m1/2），受到劇烈撞擊易碎裂，需通過復合（如與金屬結合）或表面強化改善。

• 成本較高：大尺寸單晶生長周期長（數周至數月），加工難度大（需金剛石工具），導致成本遠高于玻璃和普通陶瓷，限制了部分民用領域的大規模應用。

• 各向異性影響：部分性能（如導熱、硬度）隨晶向變化，需根據應用場景選擇特定晶向晶體。

總結