隨著科技的進(jìn)步和現(xiàn)代化工業(yè)程度的提高，人們對(duì)光學(xué)功能材料性能的要求也逐漸提高，但由于傳統(tǒng)的光學(xué)材料玻璃的力學(xué)和耐熱等性能太差，在一些嚴(yán)苛環(huán)境下的應(yīng)用受到了限制，于是藍(lán)寶石、氧化鋁透明陶瓷等兼具良好力學(xué)性能、高耐熱性能的透光材料逐漸走進(jìn)大家的視野。藍(lán)寶石、氧化鋁透明陶瓷都屬于氧化鋁制品，不少人甚至認(rèn)為氧化鋁透明陶瓷是藍(lán)寶石晶體的平替，但其實(shí)由于微觀結(jié)構(gòu)的差異，它們存在著一些區(qū)別。下面小編從它們的制備工藝出發(fā)，探討一下它們?cè)谛阅堋?yīng)用上到底有何區(qū)別。

藍(lán)寶石（來源：江陰皓睿光電新材料有限公司）VS氧化鋁透明陶瓷（來源：日本礙子官網(wǎng)）

制備難度PK

作為一種氧化鋁單晶，不同于多晶陶瓷的燒結(jié)，藍(lán)寶石的制備與單晶硅一樣立足于晶體生長(zhǎng)技術(shù)，具體來說是將無(wú)定型的高純氧化鋁原料放進(jìn)長(zhǎng)晶爐中，在較高溫度下熔融后，添加單晶棒等晶種，利用熔湯與晶種之間的溫度差再結(jié)晶從而形成具有一定形狀和尺寸的人工藍(lán)寶石晶體。在這個(gè)過程中，需要精確控制溫度的變化以及晶體拉升裝置，以此控制晶體的生長(zhǎng)速度和方向，才能保證最終獲得高質(zhì)量的單晶材料，不僅對(duì)設(shè)備要求較高，溫度要求較高，成本高，而且生長(zhǎng)速度緩慢，難以制備出大尺寸的晶體材料。

提拉法制備藍(lán)寶石晶體

氧化鋁透明陶瓷的制備與普通氧化鋁陶瓷的制備工藝基本一致，主要經(jīng)過粉體制備、成型以及燒結(jié)一系列流程，具有制備周期短，生產(chǎn)成本低，可制備大尺寸的優(yōu)點(diǎn)。不過與普通氧化鋁陶瓷相比，為了避免燒結(jié)體中出現(xiàn)較多的第二相雜質(zhì)物和各種結(jié)構(gòu)缺陷，而破壞陶瓷材料的光學(xué)均勻性，降低陶瓷材料的透光性能，透明氧化鋁陶瓷對(duì)氧化鋁粉體性能要求極高，包括粉體的高純度（3N及以上）、高分散性和顆粒均一性等。此外，陶瓷的氣孔率、晶界尺寸、表面加工光潔度都與其透光度有直接的聯(lián)系，因此在成型燒結(jié)過程中，可在其中添加燒結(jié)助劑或在真空或氫氣中完成燒結(jié)，前者可抑制晶粒的長(zhǎng)大，而后者則有利于氣孔內(nèi)的氣體被置換、擴(kuò)散，從而消除氣孔。

氧化鋁透明陶瓷制備方法

總結(jié)：藍(lán)寶石的制備受限于晶體生長(zhǎng)的方式，成本較高、技術(shù)難度較大、難以制備大尺寸的材料；而氧化鋁透明陶瓷雖對(duì)粉體原料、燒結(jié)技術(shù)要求較高，但歸根結(jié)底與傳統(tǒng)普通陶瓷制備路徑大致相同，因此氧化鋁透明陶瓷的制備難度更低，且成本更低。

性能及應(yīng)用PK

藍(lán)寶石：

藍(lán)寶石是一種氧化鋁單晶，其晶體結(jié)構(gòu)是由三個(gè)氧原子和兩個(gè)鋁原子以共價(jià)鍵型式結(jié)合而成，屬于六方晶系。由于藍(lán)寶石晶體的原子之間的鍵合較強(qiáng)，晶格結(jié)構(gòu)較為規(guī)整和緊密，且避免原料因素的影響，晶體內(nèi)部幾乎沒有雜質(zhì)或缺陷，使得光線在其內(nèi)部的傳播時(shí)受到的障礙較少，不容易發(fā)生散射和吸收，從而導(dǎo)致光線能夠相對(duì)容易地穿過晶體，最終呈現(xiàn)出優(yōu)異的光學(xué)特性，其穿透波長(zhǎng)范圍為0.19nm~5.5nm，雙面拋光后的藍(lán)寶石窗口片可見光直線透過率可達(dá)86%。除此之外，藍(lán)寶石晶體與其他氧化鋁制品一樣，具有優(yōu)異的力學(xué)性能、耐磨損性、化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性以及介電性能等，但由于單晶生長(zhǎng)內(nèi)應(yīng)力大，易發(fā)生不規(guī)則脆性開裂和解理裂紋，影響后期層合及裝配。

目前藍(lán)寶石晶體在軍用紅外裝置、導(dǎo)彈、潛艇、衛(wèi)星空間技術(shù)、探測(cè)和高功率強(qiáng)激光等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，除此之外它還為微電子、光電子、半導(dǎo)體、信息顯示提供了窗口材料。

1、紅外光學(xué)窗口和整流罩

藍(lán)寶石單晶因其卓越的綜合性能，尤其是優(yōu)異的透過性，可以增強(qiáng)紅外線的穿透效果，成為了理想的中紅外窗口材料，在軍用光電設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用。用藍(lán)寶石單晶做成的紅外光學(xué)窗口和整流罩，已廣泛用于機(jī)載、星載、艦載以及潛基、陸基光電設(shè)備，尤其在高馬赫數(shù)導(dǎo)彈整流罩、透明裝甲、潛艇窗口以及高功率強(qiáng)激光等軍用設(shè)備中的地位和作用不可替代。

不過藍(lán)寶石單晶屬于六方晶系，結(jié)構(gòu)中各向異性的存在使得加工時(shí)需要以c軸垂直于紅外窗口，以避免雙折射對(duì)成像系統(tǒng)的干擾，這注定了其難以應(yīng)用于大曲率、大視角光學(xué)成像系統(tǒng)。

2、摻鈦藍(lán)寶石激光器

在實(shí)際工程中，直接產(chǎn)生大功率的激光難以獲得良好的質(zhì)量，以及激光晶體難以在諧振腔維持高能量容易損壞，通常需要在種子光后加一級(jí)光放大來獲得質(zhì)量較好、功率更高的激光束。由于具有寬波長(zhǎng)調(diào)諧范圍（可達(dá)400nm）、超短脈沖寬度以及高峰值功率等特點(diǎn)，采用鈦摻雜的藍(lán)寶石（Ti:Sapphire）晶體作為增益介質(zhì)的激光放大器，可以提供比傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器更寬的激光發(fā)射帶寬，可以提供足夠?qū)挼墓庾V來產(chǎn)生亞10飛秒的光脈沖，適當(dāng)?shù)孬@得放大的高增益，并且摻鈦藍(lán)寶石高導(dǎo)熱系數(shù)的特點(diǎn)也意味著它承載很大的熱負(fù)載，可以用于放大極短的光脈沖能量。

摻鈦藍(lán)寶石及美國(guó)Coherent公司生產(chǎn)的摻鈦藍(lán)寶石飛秒激光器

目前，Ti:Al2O3激光器已經(jīng)在激光測(cè)距、光電干擾、紅外對(duì)抗、致盲武器等軍事領(lǐng)域，以及激光通信、海洋探測(cè)、大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)、激光手術(shù)及微加工等諸多領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

3、LED基片及襯底

由于具有使用壽命長(zhǎng)、發(fā)光效率高、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，LED照明被認(rèn)為是繼白熾燈、日光燈、高壓鹵燈后第四代照明光源。與傳統(tǒng)照明不同，LED燈發(fā)光依靠的是芯片，而非燈絲，因此必須需要基片作為載體，為了保證其能夠進(jìn)行多角度發(fā)光，往往要求基片具有良好的透光性能。同時(shí)LED屬于冷光源，其依靠能帶間的電子躍遷發(fā)光，光譜中不含紅外成分，不能通過輻射進(jìn)行散熱，因此基板也要求具有良好的導(dǎo)熱性能。藍(lán)寶石襯底能夠很好的滿足這兩個(gè)要求，實(shí)現(xiàn)高性能、均勻、高效的發(fā)光效果，目前全球80%LED企業(yè)采用該襯底材料。不過近年來，隨著氧化鋁透明陶瓷的直線透光度不斷提高，其更低生產(chǎn)成本讓它成為了最具潛力的藍(lán)寶石替代品。

氧化鋁透明陶瓷：

氧化鋁透明陶瓷同樣在力學(xué)性能、耐磨損性、化學(xué)穩(wěn)定性、熱穩(wěn)定性以及介電性能等性能上表現(xiàn)突出，不過其本質(zhì)是一種多晶材料，由多種顯微組織組成，不可避免會(huì)由于晶粒、晶界、第二相、氣孔等因素，造成折射率的差異，因此氧化鋁透明陶瓷的直線透過率一般較低，通常為30%以下，其透光性類似磨砂玻璃。

單晶原子晶體結(jié)構(gòu)（左）及影響陶瓷透明度的因素（右，①晶界；②氣孔；③雜質(zhì)；④雙折射；⑤第二相；⑥表面粗糙度）

目前，透明氧化鋁陶瓷除了用于高壓鈉燈等高強(qiáng)度氣體放電燈的放電管，還能用于微波集成電路基片（利用透明氧化鋁介質(zhì)損耗小等性質(zhì)）、矯治牙齒用透明陶瓷托以及透紅外窗口材料等。

1、高壓鈉燈放電管

高壓鈉燈是一種利用鈉蒸汽放電產(chǎn)生可見光的光源，發(fā)出金白色光，屬于氣體放電燈的一種，由于具有發(fā)光效率高、耗電少、壽命長(zhǎng)、透霧能力強(qiáng)和不銹蝕等優(yōu)點(diǎn)，多用于道路、機(jī)場(chǎng)、車站、公園、廣場(chǎng)等對(duì)顯色性要求不高的場(chǎng)所。不過，鈉蒸汽不僅具有很強(qiáng)的腐蝕性，而且放電時(shí)往往會(huì)產(chǎn)生1000℃以上的高溫，普通的玻璃燈管根本就沒法耐受，因此高壓鈉燈大都采用成本比藍(lán)寶石更低，但具有一定透光性、優(yōu)異的耐熱性以及抗腐蝕性的氧化鋁透明陶瓷作為燈管材料。

高壓鈉燈

2、透明陶瓷托槽

近年來，越來越多的牙科患者，尤其是女性進(jìn)行正畸治療，因而對(duì)正畸矯治器的美學(xué)要求也就越來越高。1986年，陶瓷托槽首次被引入正畸領(lǐng)域，其后，多種類型的陶瓷托槽廣泛的應(yīng)用于臨床。

目前應(yīng)用陶瓷托槽主要為氧化鋁陶瓷和氧化鋯陶瓷。其中氧化鋁陶瓷托槽根據(jù)其制作工藝的不同，又可分為單晶透明氧化鋁陶瓷和多晶透明氧化鋁陶瓷。由于多晶透明氧化鋁陶瓷制作工藝比單晶透明氧化鋁更為簡(jiǎn)單，在透明特性上又比氧化鋯陶瓷更高，美學(xué)特性較好，粘在牙齒上隱蔽性較好，能使矯治過程悄然完成，目前應(yīng)用較為廣泛。

總結(jié)

基于氧化鋁的本征特性，藍(lán)寶石和氧化鋁透明陶瓷在力學(xué)性能、耐熱性能、化學(xué)穩(wěn)定性等方面都有著不俗的表現(xiàn)，不過藍(lán)寶石屬于單晶材料，且在制備過程中避免了雜質(zhì)的引入，在透光性能上要優(yōu)于氧化鋁透明陶瓷，更適合用于需要高透光的光學(xué)窗口、激光器以及LED基片上，而氧化鋁透明陶瓷則由于較低的制備難度和成本，更適合用于制備高壓鈉燈放電管、透明陶瓷托槽等對(duì)耐熱透光性有一定要求又需要兼具性價(jià)比的材料。

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