隨著科技的進步和現代化工業程度的提高，人們對光學功能材料性能的要求也逐漸提高，但由于傳統的光學材料玻璃的力學和耐熱等性能太差，在一些嚴苛環境下的應用受到了限制，于是藍寶石、氧化鋁透明陶瓷等兼具良好力學性能、高耐熱性能的透光材料逐漸走進大家的視野。藍寶石、氧化鋁透明陶瓷都屬于氧化鋁制品，不少人甚至認為氧化鋁透明陶瓷是藍寶石晶體的平替，但其實由于微觀結構的差異，它們存在著一些區別。下面小編從它們的制備工藝出發，探討一下它們在性能、應用上到底有何區別。

藍寶石（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）

制備難度PK

作為一種氧化鋁單晶，不同于多晶陶瓷的燒結，藍寶石的制備與單晶硅一樣立足于晶體生長技術，具體來說是將無定型的高純氧化鋁原料放進長晶爐中，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晶從而形成具有一定形狀和尺寸的人工藍寶石晶體。在這個過程中，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速度和方向，才能保證最終獲得高質量的單晶材料，不僅對設備要求較高，溫度要求較高，成本高，而且生長速度緩慢，難以制備出大尺寸的晶體材料。

提拉法制備藍寶石晶體

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，主要經過粉體制備、成型以及燒結一系列流程，具有制備周期短，生產成本低，可制備大尺寸的優點。不過與普通氧化鋁陶瓷相比，為了避免燒結體中出現較多的第二相雜質物和各種結構缺陷，而破壞陶瓷材料的光學均勻性，降低陶瓷材料的透光性能，透明氧化鋁陶瓷對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系，因此在成型燒結過程中，可在其中添加燒結助劑或在真空或氫氣中完成燒結，前者可抑制晶粒的長大，而后者則有利于氣孔內的氣體被置換、擴散，從而消除氣孔。

氧化鋁透明陶瓷制備方法

總結：藍寶石的制備受限于晶體生長的方式，成本較高、技術難度較大、難以制備大尺寸的材料；而氧化鋁透明陶瓷雖對粉體原料、燒結技術要求較高，但歸根結底與傳統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。

性能及應用PK

藍寶石：

藍寶石是一種氧化鋁單晶，其晶體結構是由三個氧原子和兩個鋁原子以共價鍵型式結合而成，屬于六方晶系。由于藍寶石晶體的原子之間的鍵合較強，晶格結構較為規整和緊密，且避免原料因素的影響，晶體內部幾乎沒有雜質或缺陷，使得光線在其內部的傳播時受到的障礙較少，不容易發生散射和吸收，從而導致光線能夠相對容易地穿過晶體，最終呈現出優異的光學特性，其穿透波長范圍為0.19nm~5.5nm，雙面拋光后的藍寶石窗口片可見光直線透過率可達86%。除此之外，藍寶石晶體與其他氧化鋁制品一樣，具有優異的力學性能、耐磨損性、化學穩定性、熱穩定性以及介電性能等，但由于單晶生長內應力大，易發生不規則脆性開裂和解理裂紋，影響后期層合及裝配。

目前藍寶石晶體在軍用紅外裝置、導彈、潛艇、衛星空間技術、探測和高功率強激光等領域有著廣泛的應用，除此之外它還為微電子、光電子、半導體、信息顯示提供了窗口材料。

1、紅外光學窗口和整流罩

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

不過藍寶石單晶屬于六方晶系，結構中各向異性的存在使得加工時需要以c軸垂直于紅外窗口，以避免雙折射對成像系統的干擾，這注定了其難以應用于大曲率、大視角光學成像系統。

2、摻鈦藍寶石激光器

在實際工程中，直接產生大功率的激光難以獲得良好的質量，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光放大來獲得質量較好、功率更高的激光束。由于具有寬波長調諧范圍（可達400nm）、超短脈沖寬度以及高峰值功率等特點，采用鈦摻雜的藍寶石（Ti:Sapphire）晶體作為增益介質的激光放大器，可以提供比傳統半導體激光器更寬的激光發射帶寬，可以提供足夠寬的光譜來產生亞10飛秒的光脈沖，適當地獲得放大的高增益，并且摻鈦藍寶石高導熱系數的特點也意味著它承載很大的熱負載，可以用于放大極短的光脈沖能量。

摻鈦藍寶石及美國Coherent公司生產的摻鈦藍寶石飛秒激光器

目前，Ti:Al2O3激光器已經在激光測距、光電干擾、紅外對抗、致盲武器等軍事領域，以及激光通信、海洋探測、大氣環境監測、激光手術及微加工等諸多領域得到廣泛應用。

3、LED基片及襯底

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

氧化鋁透明陶瓷：

氧化鋁透明陶瓷同樣在力學性能、耐磨損性、化學穩定性、熱穩定性以及介電性能等性能上表現突出，不過其本質是一種多晶材料，由多種顯微組織組成，不可避免會由于晶粒、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。

單晶原子晶體結構（左）及影響陶瓷透明度的因素（右，①晶界；②氣孔；③雜質；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損耗小等性質）、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生可見光的光源，發出金白色光，屬于氣體放電燈的一種，由于具有發光效率高、耗電少、壽命長、透霧能力強和不銹蝕等優點，多用于道路、機場、車站、公園、廣場等對顯色性要求不高的場所。不過，鈉蒸汽不僅具有很強的腐蝕性，而且放電時往往會產生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寶石更低，但具有一定透光性、優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，尤其是女性進行正畸治療，因而對正畸矯治器的美學要求也就越來越高。1986年，陶瓷托槽首次被引入正畸領域，其后，多種類型的陶瓷托槽廣泛的應用于臨床。

目前應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單，在透明特性上又比氧化鋯陶瓷更高，美學特性較好，粘在牙齒上隱蔽性較好，能使矯治過程悄然完成，目前應用較為廣泛。

總結

基于氧化鋁的本征特性，藍寶石和氧化鋁透明陶瓷在力學性能、耐熱性能、化學穩定性等方面都有著不俗的表現，不過藍寶石屬于單晶材料，且在制備過程中避免了雜質的引入，在透光性能上要優于氧化鋁透明陶瓷，更適合用于需要高透光的光學窗口、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、透明陶瓷托槽等對耐熱透光性有一定要求又需要兼具性價比的材料。

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