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藍寶石用量這么大,不是沒道理的!
2020年12月09日 發布 分類:粉體應用技術 點擊量:192
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自從手機巨頭蘋果宣布要在蘋果6/6plus應用藍寶石屏幕(雖然后面泡湯了)之后,整個藍寶石市場便瞬間沸騰了起來,全球大小廠商都想在這個領域分一杯羹。當然你也知道這事最后涼了,不過Apple Watch還是采用了藍寶石屏幕,目前看來藍寶石行業的投資熱情還是比較高的。

藍寶石

目前看來,藍寶石已經是現代工業重要的基礎材料之一,而且隨著行業產能的普遍提升、藍寶石材料制造成本以及銷售價格的下降,藍寶石材料在LED襯底、消費類電子產品領域勢頭也是一片大好。不過這些并不是藍寶石的全部哦,它其實還有超多潛能可供它大展手腳!

一、藍寶石的基本性質

藍寶石之所以被看好,除了有蘋果的助推外,最主要靠的還是自己。工業上,藍寶石一般是指中等到暗紅色至紫紅色之外的其他顏色透明的剛玉晶體,其化學成分為Al2O3,屬α-Al2O3變體,純凈時為無色透明,熔點為2030℃,沸點為3500℃,具有高表面平滑度、高電阻率及高介電性能。這些優良的光學、力學、熱學、化學及電學性能決定了藍寶石在軍事及民用領域中的重要地位和作用。

藍寶石

①耐磨損性:由于具有很高的硬度和透明度,是藍寶石晶體常用于制作耐磨損窗口或其他精密機械零件。

②化學穩定性:藍寶石具有高度的化學穩定性,在絕大多數化學反應過程中不會被腐蝕。

③機械特性:藍寶石單晶因其高硬度和高強度,可以在溫度范圍從超低溫至 1500℃高溫之間的不同環境中保持高強度、耐磨耗與高度的穩定性。同時是目前已知的硬度最高的氧化物晶體材料,僅次于金剛石達莫氏9級。

④光學透過率:藍寶石單晶材料的穿透波長范圍為 0.19nm~5.5nm,加之其優異的化學穩定性,抗磨損,高硬度和耐高溫等特性,使藍寶石制作的窗口片和傳感器光學零件廣泛應用于高真空系統、高溫爐及其他苛刻的環境。

⑤熱力學特性:2050℃左右的熔點,加之優越的化學、機械及光學特性,使藍寶石晶體廣泛應用于許多苛刻的加工環境中。

⑥介電性能:有電介質絕緣、恒定的介電常數。

⑦藍寶石還具有高拉伸強度、抗沖刷性、熱導性、顯著的抗熱沖擊性等性能。

二、藍寶石的應用

目前藍寶石最重要的商業用途是用在照明上的基底和藍寶石硅的無線電射頻集成電路中。藍寶石晶體除廣泛應用于軍用紅外裝置、導彈、潛艇、衛星空間技術、探測和高功率強激光等領域,它還為微電子、光電子、半導體、信息顯示尤其是藍(白)光LED照明產業提供了窗口材料。

1.光學窗口和整流罩

藍寶石單晶因其卓越的綜合性能成為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。

藍寶石

如:美國海軍戰區防御系統截擊導彈、斯普林特防御攔截彈(HEDI)、美國第五代近距空對空導彈(AM–9X)、以色列新一代近戰空對空導彈(Python5)以及已安裝于美、德、韓和希臘等國軍艦上的導彈(RM–116RAM)等都使用了藍寶石整流罩。

2.摻鈦藍寶石激光器及其應用

摻鈦藍寶石單晶(Ti3+:Al2O3)的激光應用最早于1982年被發現后,對其研究不斷深入,以Ti:Al2O3作為工作物質的各類激光器也迅速發展。Ti:Al2O3激光器為科學研究提供了便利和靈活的研究工具。與其他具有競爭優勢的激光材料相比,其主要特點是:①光譜輸出范圍從超窄單一頻率到寬的帶寬,覆蓋幾百納米,可提供超快脈沖;②寬的可調諧范圍,可達400nm;③高功率,如對于全固態可調諧Ti:Al2O3激光器,天津大學和中國科學院物理研究所已分別實現6W(其轉換率為22.2%)和6.44 W(其轉換率為40.25%)的激光輸出。

藍寶石

目前,Ti:Al2O3激光器已實現脈沖、準連續、連續、鎖模運轉,已涉及激光器研究領域的各個方面,包括:提高輸出功率、擴大調諧范圍、壓縮線寬、穩頻以及提高光束質量等。它在軍事與工程方面也應用廣泛。如激光測距、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。

3.摻雜藍寶石單晶熱(光)釋光材料及其應用

藍寶石單晶最早于20世紀50年代被美國Wisconsin大學的Daniels發現具有優良的熱釋光性能,但它對γ射線的熱釋光靈敏度很低。為改善藍寶石單晶的熱釋光性能,相繼研制了一系列摻雜的藍寶石單晶熱釋光材料,如α-Al2O3:(Mg,Ti,Y)、α-Al2O3:Cr和α-Al2O3:(Si,Ti)。1990年,Akselrod等采用提拉法生長了一種優良的新型熱釋光材料α-Al2O3:C晶體。目前,美國Landauer公司研制生產的α-Al2O3:C熱釋光劑量計已被歐美國家廣泛使用。

4.藍寶石光纖傳感器及其應用

藍寶石單晶光纖傳感器可采用激光加熱小基座法生長。一般用于惡劣環境,為避免其表面完整性遭到破壞而影響光纖的傳輸性能,可采用溶膠-凝膠法對藍寶石單晶光纖涂覆透明多晶氧化鋁包層。

藍寶石

藍寶石光纖傳感器

藍寶石單晶光纖傳感器因其在可見至近紅外波段具有良好的光學傳輸特性及藍寶石單晶的耐高溫特性,使得藍寶石光纖可應用于高溫傳感和生物醫學領域的近紅外激光傳輸。藍寶石單晶光纖溫度傳感器除了具有普通光纖溫度傳感器所具有的動態范圍大、靈敏度高、響應快、抗電磁干擾等優點外,還可以實現大范圍、高精度、高信噪比、大帶寬的溫度測量,并廣泛應用于等離子體沉積、高頻電加熱爐及高溫熱氣流等領域。

5.藍寶石基片和襯底

藍寶石單晶因其優良的機械性能、介電性能(適中的介電常數和較低的介電損耗)、化學穩定性以及高表面平滑度而成為制備高溫超導薄膜、紅外光學材料、微電子器件等的最優質基片和襯底材料,具體包括:①高溫超導薄膜的襯底,如Tl系薄膜TlBa2Ca2Cu3Oy;②紅外光學材料的襯底,如近紅外材料的碲鎘汞晶體,砷化鎵(GaAs)、磷化鎵(GaP)、氮化鎵(GaN),硫化鋅(ZnS)、硒化鋅(ZnSe)、碲化鎘(CdTe)、氧化鋅(ZnO)、SiO2及金剛石等;③大規模集成電路元件及微電子器件的基片,如高亮藍光LED等。

藍寶石

目前全球 80%LED 企業采用藍寶石襯底,藍寶石材料也是氮化物半導體襯底、集成電路襯底的首選材料。在隨著電子信息技術的發展,尤其是半導體照明產業的飛速發展,對藍寶石基片的市場需求也越來越強烈。

6.光學元件、探測窗口及其它應用

藍寶石單晶因其理想的光學性能及機械性能,可制作成實驗用的光學元件,如透鏡、棱鏡及反射鏡;以及科學研究用的探測儀器,如重力波探測儀等。藍寶石單晶因具有寬透過波段、高透過、高強度、耐高溫、耐磨損、耐腐蝕,而可用作在各種高溫、高壓等惡劣環境下工作的設備及儀器的觀察窗口和探測窗口,如:耐高溫的熱電偶及鍋爐水位計,耐磨損的商品條碼掃描儀窗口,耐腐蝕的煤、氣、油井探測用的傳感器及探測器窗口等。

藍寶石

紅外微透鏡

在其它民用方面,藍寶石還可用作醫用手術刀具、精密儀表殼體、精密機械軸承及高檔鐘表、首飾。還有各種杯具器皿、透明燈具及護目鏡片等。

7.5G相關的功能器件

由于在透紅外光、介電性能和抗劃傷等方面的突出優勢,藍寶石不僅可以使觸摸屏的敏感度和反應速度更高,且硬度大可以抵擋刀劃等各種磨損,因此被廣泛應用于消費電子領域,主要包括智能手機攝像頭的保護蓋板、指紋識別HOME鍵蓋板、智能手表屏幕蓋板以及未來可能推廣的智能手機屏幕蓋板等。

藍寶石

有消息稱諾基亞10 PureView可能會配備藍寶石玻璃顯示屏

目前,Apple Watch對藍寶石單晶的采購量將超過全球藍寶石單晶總產量的18%。根據IDC統計,2018年全球可穿戴市場出貨量約1.722億臺,其中,智能手表出貨量高達5131萬,同比增長54.3%。業內預計,到2021年,智能手機藍寶石蓋板的市場規模將由2016年的2.3億美元增長至139.8億美元,智能手表用藍寶石蓋板的市場規??捎?.4億美元增長至6.2億美元。

資料來源:

藍寶石單晶的生長技術及應用研究進展,范志剛,劉建軍,肖昊蘇,張旺,關春穎,苑立波。

藍寶石的現狀與未來發展,李欣,邢鵬飛。

粉體圈 NANA整理


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