中國粉體網訊 Al2O3單晶又稱藍寶石，俗稱剛玉，是一種簡單配位型氧化物，常因含微量元素鈦(Ti4+)或鐵(Fe2+)而呈藍色。隨著科學技術的迅猛發展，藍寶石晶體已經成為現代工業尤其是微電子及光電子產業極為重要的基礎材料。
圖片來源：宣城晶瑞
用于生長藍寶石晶體的原料是高純氧化鋁微粉（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，單爐裝料量小，影響生產效率，這就需要適當的處理使氧化鋁致密化，再進行裝料長晶。一般，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。
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US2011123805A1、CN201010621551.1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1200～1400℃煅燒，可以得到體積不小于0.01cm3、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。
日本住友化學藍寶石單晶用α-氧化鋁的掃描電鏡圖
此外該公司還在專利US2011223423A1和CN201110059229.9中提到，可以通過顆粒級配的方法，用上述的燒結粒子和一定比表面積和堆積密度的α氧化鋁顆粒實現最佳裝填，從而更好地提高長晶效率。
餅料
制備餅料是一種最常見的處理方法。這種方法制得的氧化鋁料密度更高，而且可以得到和長晶爐尺寸匹配的坯料，所以裝填也更為方便。其步驟如下：
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（1）混料
混料一般采用球磨法，研磨球和研磨腔體都需經過特殊處理，避免球磨過程引入雜質。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，也可以加入一定量硝酸，但高溫下分解出的氧化氮氣體會對環境造成污染，同時也會腐蝕燒結爐。
（2）壓制成型
壓制的方法可以是干壓成型也可以是冷等靜壓成型，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。
結晶料
此種類型產品傳統的生產方法是焰熔法，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。
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1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。此方法可以通過提高溫度梯度，控制界面前沿的液體流動，利用單向凝固/偏析提純原理，實現對原料的二次提純，但該技術并不容易掌握。
參考來源：
[1]賀珂.藍寶石用高密度氧化鋁料的制備方法
[2]劉杰.藍寶石晶體的制備方法及特點概述
（中國粉體網編輯整理/山川）
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