手機(jī)面板用藍(lán)寶石玻璃性質(zhì)與制備
湯華娟、王承遇
摘要：藍(lán)寶石具有硬度高、耐磨性、化學(xué)穩(wěn)定性和耐熱性好等特點(diǎn)，手機(jī)制造企業(yè)將藍(lán)寶石用于代替玻璃作手機(jī)面板的覆蓋材料。本文闡述了藍(lán)寶石的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和大尺寸藍(lán)寶石的制造方法，指出熱交換法可以制備Φ380mm的藍(lán)寶石，冷心放肩微量提拉法（SAPMAC）也是一種有特色的制備方法。最后提出由藍(lán)寶石和玻璃組成疊層材料，上層用耐磨的藍(lán)寶石，下層為玻璃，可以節(jié)約成本，這將是手機(jī)面板發(fā)展的方向。
前言
2013年11月蘋果公司發(fā)布消息稱iPhone 6可能使用藍(lán)寶石玻璃作為手機(jī)面板，此消息引起了國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。實(shí)際上iPhone 5/5S攝像鏡頭覆蓋玻璃和功能主鍵上已經(jīng)使用了藍(lán)寶石玻璃，用以提高手機(jī)面板硬度和抗磨損能力，避免表面刮傷影響拍攝及指紋識(shí)別效果。嚴(yán)格來講，藍(lán)寶石玻璃（Sapphire glass）一詞是不確切的，因?yàn)椴捎玫氖撬{(lán)寶石晶體（Sapphire crystal），而不是玻璃，國內(nèi)也有人稱之為藍(lán)寶石水晶玻璃（Sapphire crystal glass），更容易誤解為是具有藍(lán)寶石顏色的晶質(zhì)（水晶）玻璃。
藍(lán)寶石為剛玉晶體，硬度高達(dá)9（莫氏硬度），玻璃的硬度僅為6～7。藍(lán)寶石特別抗磨損，耐用程度為著名手機(jī)面板玻璃Gorilla的兩倍，光澤度比玻璃好，化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性也優(yōu)于玻璃面板。但藍(lán)寶石生產(chǎn)工藝復(fù)雜，特別是大尺寸藍(lán)寶石手機(jī)屏幕制造成本較高，每塊價(jià)格為30～40美元，比玻璃面板提高近10倍。不過，隨著藍(lán)寶石大量生產(chǎn)后，成本會(huì)有較大的降低空間。
本文闡述了藍(lán)寶石的結(jié)構(gòu)、性質(zhì)和大尺寸藍(lán)寶石制備方法以及今后發(fā)展方向。
1、藍(lán)寶石的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)
藍(lán)寶石化學(xué)組成為Al2O3，理論成分為Al 52.91%、O 47.09%，無色透明，如含雜質(zhì)Ti3+與Fe3+，則呈藍(lán)色。藍(lán)寶石由3個(gè)氧原子和2個(gè)鋁原子以共價(jià)鍵結(jié)合，晶胞結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中黑點(diǎn)為氧離子，白點(diǎn)為鋁離子。藍(lán)寶石的晶體空間群為Ｒ3C，a h=bh=0.477nm，c h=1.304nm，Z=6。結(jié)構(gòu)中O2－作六方最緊密堆積，堆積層垂直于3次軸，Al3+填充于其中2/3八面體空隙，垂直于C軸方向上［AlO6］八面體連接成層，如圖2所示。平行于C軸方向［AlO6］八面體以其面或頂角方向連接，構(gòu)成兩個(gè)實(shí)心［AlO6］八面體和一個(gè)O2－圍成八面體相間排列的柱體，［AlO6］八面體沿C軸方向呈3次螺旋對(duì)稱，如圖3所示。晶體形態(tài)多呈腰鼓狀、柱狀，少數(shù)為板狀，如圖4所示。主要晶形有六方柱、六方雙錐、菱面體和平行雙晶。
圖1 藍(lán)寶石的晶胞結(jié)構(gòu)
圖2 平行于（0001）的［AlO6］八面體層
圖3 平行于C軸的八面體柱
圖4 藍(lán)寶石的晶體形態(tài)
藍(lán)寶石的X射線衍射圖譜如圖5所示，主峰對(duì)應(yīng)的晶面間距為0.2086、0.2553和0.1602nm。
圖5 藍(lán)寶石的X射線衍射圖譜
藍(lán)寶石的主要性質(zhì)見表1：
表1 藍(lán)寶石的主要性質(zhì)
從表1中可以看出藍(lán)寶石不僅硬度高，斷裂強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度和斷裂韌性均比一般玻璃蓋板高；化學(xué)穩(wěn)定性好，可耐水、大氣、風(fēng)沙和汗水的侵蝕；透過光波段范圍為0.14～6μm，其中在0.3～5μm透過率為80%，1mm厚的藍(lán)寶石在不同波長下的透過曲線如圖6所示。從以上數(shù)據(jù)可以看出藍(lán)寶石作為手機(jī)面板，其性質(zhì)非常優(yōu)越。
圖6 1mm厚藍(lán)寶石在不同波長下的透過率曲線
2、大尺寸藍(lán)寶石的制備方法
天然藍(lán)寶石產(chǎn)量有限，價(jià)格昂貴，尺寸也較小，不能滿足工業(yè)需要。1902年開始研究人工制備藍(lán)寶石，但大都是小尺寸晶體。近年來開始制備大尺寸藍(lán)寶石，如美國生產(chǎn)了Φ380mm（15″）藍(lán)寶石和Φ200mm（8″）摻Ti3+藍(lán)寶石，藍(lán)寶石重量可達(dá)200kg；俄羅斯制備了300mm×310mm×85mm藍(lán)寶石窗；我國也研發(fā)了Φ360mm×260mm藍(lán)寶石晶體。
目前藍(lán)寶石制備方法很多，生產(chǎn)大尺寸藍(lán)寶石主要方法有泡生法（Kyropoulos method）、熱交換法（Heat exchanger method）、溫梯法（Temperature gradient technique）以及對(duì)泡生法進(jìn)行改良的冷心放肩微量提拉法（Sapphire growth technique with micro－pulling and shoulder－expanding at cooled center，SAPMAC）。每種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，常用的方法有熱交換法、泡生法以及富有特色的冷心放肩微量提拉法，故本文對(duì)此3種方法加以闡述。（文章來源藍(lán)寶石應(yīng)用）
