自1891年法國化學家維爾納葉（Verneuil,A）發明火焰熔融法首次制造出了人工寶石晶體，迄今為止人工生長藍寶石晶體的研究已經有百余年歷史了。但很多人對于藍寶石“長晶”過程卻知之甚少，雖然都知道原料是氧化鋁粉體，但對其要求指標等卻沒什么概念。究竟氧化鋁粉體是怎樣“成長”為藍寶石晶體的，下面便來了解一下。

泡生法藍寶石晶體

藍寶石晶體的制備

一般情況下，用于生長藍寶石單晶的原料是純度＞99.995%的高純氧化鋁微粉（通常稱為5N氧化鋁），但是由于微粉狀的氧化鋁顆粒堆積密度較小，一般小于1g/cm3，單爐裝料量小，影響生產效率，一般先通過適當的處理使氧化鋁致密化，再進行裝料長晶。

藍寶石的生長過程

目前國際上主流的晶石生產方法是泡生法（Kyropoulos），是一種從熔融液體中生長單晶體的晶體生長法。此外還有焰熔法、提拉法、熱交換法、導模法等。合成藍寶石的化學成分和物理性質與天然藍寶石相同。

“致密化”是指什么？

致密化顧名思義，就是讓氧化鋁粉體呈現出密度更高的狀態。按照處理后原料的狀態可以大概分為顆粒料、餅料、結晶料3種。

1.顆粒料

高密度顆粒的制備主要是通過將α-氧化鋁晶粒混入高純α-氧化鋁前驅體（勃姆石、氫氧化鋁等）之后再煅燒獲得，制備技術主要被日本住友化學公司掌握。該公司在其專利中有提到，將α-氧化鋁晶粒混在高純α氧化鋁前驅體中，一起研磨后在1 200~1 400℃煅燒，可以得到體積不小于0.25px³、相對密度不低于80%、聚集體堆積密度在1.5~2.3g/cm³的α-氧化鋁粒子。

藍寶石單晶用α-氧化鋁電鏡圖

2.餅料

制備餅料是一種最常見的處理方法，它的主要目的是使得氧化鋁密度更高，而且由于坯料可以根據晶爐尺寸進行調整，所以裝填也更為方便。其步驟如下：

①混料

混料一般采用球磨法，其中最需注意的就是要避免雜質混入。成型時粘結劑的選擇是關鍵，有機粘結劑中的高分子物質在高溫下可以揮發去除，但是還有0.1～0.5wt%的殘留灰分，這些灰分會對5N氧化鋁純度造成致命傷害，所以一般選用氫氧化鋁前驅體作為粘結劑。

②壓制成型

壓制可采用干壓成型或冷等靜壓成型，主要是避免壓制過程中的二次污染。氧化鋁的硬度比較大（莫氏硬度9.0），采用金屬模具磨損嚴重，引入污染較多，但如果采用高純氧化鋁內襯就可以解決這個問題。

③燒結

燒結方式有很多種，傳統方法是采用高溫爐燒結，近年來微波燒結和等離子燒結也成為研究的熱點。燒結爐燒結時，爐體的耐火材料和發熱體的揮發物會對5N氧化鋁燒結體的純度造成影響，且效率較低；微波燒結和等離子燒結具有加熱均勻、升溫速度快、燒結溫度低、燒結時間短、生產效率高、可以得到高致密度材料等優點。

柱狀氧化鋁多晶坯體

3.結晶料

此種類型產品可通過焰熔法或冷坩堝下降法進行生產。焰熔法是使氧化鋁粉末在通過高溫的氫氧火焰后熔化，熔滴在下落過程中冷卻并在種晶上固結、逐漸生長形成晶體。得到的晶塊料是白色半透明狀，但是生產效率較低。測試結果表明，每生產1kg晶塊料需要耗損約200m³氫氣，消耗很高。而且氫氣多少有些雜質，很多雜質不可避免吹到氧化鋁晶體內——由于氧化鋁熔化溫度是2050℃，但Fe、Ti、Cr、Mg等雜質的熔化溫度在2 200℃左右，氣化溫度則高達4 000℃以上，因此雜質無法被消除。

冷坩堝法是一種從熔體中生長晶體的技術，一直以來用于生長合成立方氧化鋯晶體。其特點是晶體生長不是在高熔點金屬材料的坩堝中進行，而是直接用原料本身作坩堝，使其內部熔化、外部則裝有冷卻裝置，從而使表層不熔化，形成一層未熔殼，起到坩堝的作用。內部已熔化的晶體材料，依靠坩堝下降脫離加熱區，熔體溫度逐漸下降并結晶長大。近年來，也被開始用來制備藍寶石生長用5N氧化鋁碎晶。

資料來源：

藍寶石用高密度氧化鋁料的制備方法，賀珂。

粉體圈 小榆 整理