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藍寶石應用

時間:2023-06-29

藍寶石的基本結構:
藍寶石的組成為氧化鋁(Al2O3),是由三個氧原子和兩個鋁原子以共價鍵型式結合而成,其晶體結構為六方晶格結構,藍寶石晶體在晶體的對稱分類中屬于中級晶族,三方晶系。
就顏色而言,單純的氧化鋁結晶是呈現透明無色的,因不同顏色元素離子滲透與生長中的藍寶石,因而使藍寶石顯現出不同的顏色。在自然界中藍寶石晶體內含有鈦離子(Ti3+)與鐵離子(Fe3+)時,會使晶體呈現而成為藍色藍寶石(Blue Sapphire)。

晶體性能
                化學式                 Al2O3
                晶體結構                 六方晶系
                晶格常數                 a=b=0.4758nm,c=1.2991nm        α=β=90°,γ=120°
                空間群                 R3c
                單位晶胞中的分子數                 2
光學性能
                透過波段(μm)                 0.14-6(其中在0.3-5范圍內T≈80%)
                dn/dt(/K @633nm)                 13x10-6
                折射率                 n0=1.768    ne=1.760
                吸收系數α                 3μm—0.0006        4μm—0.055      5μm—0.92
                折射系數n                 3μm—1.713        4μm—1.677      5μm—1.627
機械和熱學性能
                密度(g/cm3)                 3.95—4.1
                莫氏硬度                 9(僅次于鉆石:10)
                楊氏模量(GPa-1)                 380
                斷裂強度(MPa-1)                 400
                彎曲強度                 895MPa
                抗壓強度                 2GPa
                熔點(℃)                 2040—2050
                沸點(℃)                 3000
                熱導率(W·m-1·K-1)                 24
                熱膨脹系數(K-1)                 8.8×10-6
                比熱(J/g)                 0.782
                熱容(J/mol·K)                 77
                泊松比                 0.27—0.29
                電阻率(Ω·cm)                 1014
                介電常數(F·m-1)                 11.5(∥c),9.3(⊥c)


藍寶石的特點及應用
1、藍寶石以其綜合性能[敏感詞],成為使用廣泛的氧化物襯底材料(substrate materials),主要用作半導體薄膜襯底材料、大規模集成電路襯底等。
2、藍寶石晶體還是紅外軍用裝置、導彈、潛艇、衛星空間技術、探測和高功率強激光(laser)等的優良窗口材料(window materials),優質光學材料,耐磨軸承材料等,尤其在導彈整流罩、潛艇窗口和原子鐘等軍品中具有不可替代的作用。
3、光學元件、手表表鏡、光學窗口、探測窗口及其應用
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,低散射、高硬度、高強度、低彈性模量,高熔點、高熱導率、高抗熱沖擊品質因子、低熱輻射、耐噴氣燃料、冰雹、雨水、海水、鹽霧及砂粒的沖刷和腐蝕,耐強光輻照而可用作在各種高溫、高壓等惡劣負責環境下工作的設備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。
是目前的多光譜硫基窗口材料的優良替代材料。
4、藍寶石光纖傳感器及其應用
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(室溫—2000℃)、高精度(0.2%,1000℃時)、高信噪比(1×106dB,1000℃時)、大帶寬(10kHz)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。
藍寶石光纖傳感器除了用于測量溫度及近紅外激光傳輸外,還可以連續監測高達1600℃高溫、酸性、堿性惡劣環境中系統的運行情況,如:結構性能、材料劣化,以及測量諸如壓強、應力、應變和化學物質濃度等物化參數。
5、摻雜藍寶石單晶熱(光)釋光材料及其應用
α- Al2O3 :C晶體用于制造熱釋光探測器主要有以下特點:
(1)熱釋光靈敏度高,為常用熱釋光晶體LiF:(Mg,Ti)的40—60倍;187℃附近的發光峰型單一,有效原子序數相對較低(10.2);
(2)低本底劑量響應臨界值(10-6Gy),輻射劑量響應為線性—亞線性,線性響應范圍寬(10-6—10Gy);
(3)α- Al2O3 :C晶體420nm處的發射峰正好處于光電倍增管響應的[敏感詞]峰值,在低劑量條件下, α- Al2O3 :C晶體探測器可重復使用且無需退火處理。

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