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蓝宝石应用
 
蓝宝石的基本结构:
蓝宝石的组成为氧化铝(Al2O3),是由三个氧原子和两个铝原子以共价键型式结合而成,其晶体结构为六方晶格结构,蓝宝石晶体在晶体的对称分类中属于中级晶族,三方晶系。
就颜色而言,单纯的氧化铝结晶是呈现透明无色的,因不同颜色元素离子渗透与生长中的蓝宝石,因而使蓝宝石显现出不同的颜色。在自然界中蓝宝石晶体内含有钛离子(Ti3+)与铁离子(Fe3+)时,会使晶体呈现而成为蓝色蓝宝石(Blue Sapphire)。

晶体性能
化学式 Al2O3
晶体结构 六方晶系
晶格常数 a=b=0.4758nm,c=1.2991nm α=β=90°,γ=120°
空间群 R3c
单位晶胞中的分子数 2
光学性能
透过波段(μm) 0.14-6(其中在0.3-5范围内T≈80%)
dn/dt(/K @633nm) 13x10-6
折射率 n0=1.768    ne=1.760
吸收系数α 3μm—0.0006 4μm—0.055 5μm—0.92
折射系数n 3μm—1.713 4μm—1.677 5μm—1.627
机械和热学性能
密度(g/cm3) 3.95—4.1
莫氏硬度 9(仅次于钻石:10)
杨氏模量(GPa-1) 380
断裂强度(MPa-1) 400
弯曲强度 895MPa
抗压强度 2GPa
熔点(℃) 2040—2050
沸点(℃) 3000
热导率(W·m-1·K-1) 24
热膨胀系数(K-1) 8.8×10-6
比热(J/g) 0.782
热容(J/mol·K) 77
泊松比 0.27—0.29
电阻率(Ω·cm) 1014
介电常数(F·m-1) 11.5(∥c),9.3(⊥c)
玻璃材质导热率对比
白板 1.00W/m·K
石英 1.40W/m·K
水晶 8.00W/m·K
蓝宝石 42.0W/m·K


蓝宝石的特点及应用
1、蓝宝石以其综合性能最好,成为使用最广泛的氧化物衬底材料(substrate materials),主要用作半导体薄膜衬底材料、大规模集成电路衬底等。
2、蓝宝石晶体还是红外军用装置、导弹、潜艇、卫星空间技术、探测和高功率强激光(laser)等的优良窗口材料(window materials),优质光学材料,耐磨轴承材料等,尤其在导弹整流罩、潜艇窗口和原子钟等军品中具有不可替代的作用。
3、光学元件、手表表镜、光学窗口、探测窗口及其应用
蓝宝石单晶因其理想的光学性能及机械性能,可制作成实验用的光学元件,如透镜、棱镜及反射镜;以及科学研究用的探测仪器,如重力波探测仪等。
蓝宝石单晶因具有宽透过波段、高透过、高强度、耐高温、耐磨损、耐腐蚀,低散射、高硬度、高强度、低弹性模量,高熔点、高热导率、高抗热冲击品质因子、低热辐射、耐喷气燃料、冰雹、雨水、海水、盐雾及砂粒的冲刷和腐蚀,耐强光辐照而可用作在各种高温、高压等恶劣负责环境下工作的设备观察窗口和探测窗口,如:耐高温的热电偶及锅炉水位计,耐磨损的商品条码扫描仪窗口。
是目前的多光谱硫基窗口材料的优良替代材料。
4、蓝宝石光纤传感器及其应用
蓝宝石单晶光纤传感器因其在可见至近红外波段具有良好的光学传输特性及蓝宝石单晶的耐高温特性,使得蓝宝石光纤可应用于高温传感和生物医学领域的近红外激光传输。
蓝宝石单晶光纤温度传感器除了具有普通光纤温度传感器的动态范围大、灵敏度高、响应快、抗电磁干扰等优点外,还可以实现大范围(室温—2000℃)、高精度(0.2%,1000℃时)、高信噪比(1×106dB,1000℃时)、大带宽(10kHz)的温度测量,并广泛应用于等离子体沉积、高频电加热炉及高温热气流等领域。
蓝宝石光纤传感器除了用于测量温度及近红外激光传输外,还可以连续监测高达1600℃高温、酸性、碱性恶劣环境中系统的运行情况,如:结构性能、材料劣化,以及测量诸如压强、应力、应变和化学物质浓度等物化参数。
5、掺杂蓝宝石单晶热(光)释光材料及其应用
α- Al2O3 :C晶体用于制造热释光探测器主要有以下特点:
(1)热释光灵敏度高,为常用热释光晶体LiF:(Mg,Ti)的40—60倍;187℃附近的发光峰型单一,有效原子序数相对较低(10.2);
(2)低本底剂量响应临界值(10-6Gy),辐射剂量响应为线性—亚线性,线性响应范围宽(10-6—10Gy);
(3)α- Al2O3 :C晶体420nm处的发射峰正好处于光电倍增管响应的最佳峰值,在低剂量条件下, α- Al2O3 :C晶体探测器可重复使用且无需退火处理。
 
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