中国粉体网讯  Al₂O₃单晶又称蓝宝石，俗称刚玉，是一种简单配位型氧化物，常因含微量元素钛(Ti⁴⁺)或铁(Fe²⁺)而呈蓝色。随着科学技术的迅猛发展，蓝宝石晶体已经成为现代工业尤其是微电子及光电子产业极为重要的基础材料。

图片来源：宣城晶瑞

用于生长蓝宝石晶体的原料是高纯氧化铝微粉（通常称为5N氧化铝），但是由于微粉状的氧化铝颗粒堆积密度较小，单炉装料量小，影响生产效率，这就需要适当的处理使氧化铝致密化，再进行装料长晶。一般，按照处理后原料的状态可以大概分为颗粒料、饼料、结晶料3种。

颗粒料

高密度颗粒的制备主要是通过将α-氧化铝晶粒混入高纯α-氧化铝前驱体（勃姆石、氢氧化铝等）之后再煅烧获得，制备技术主要被日本住友化学公司掌握。该公司在其专利US2011123805A1、CN201010621551.1提到，将α氧化铝晶粒混在高纯α氧化铝前驱体中，一起研磨后在1200～1400℃煅烧，可以得到体积不小于0.01cm³、相对密度不低于80%、聚集体堆积密度在1.5～2.3g/cm³的α-氧化铝粒子。

日本住友化学蓝宝石单晶用α-氧化铝的扫描电镜图

此外该公司还在专利US2011223423A1和CN201110059229.9中提到，可以通过颗粒级配的方法，用上述的烧结粒子和一定比表面积和堆积密度的α氧化铝颗粒实现最佳装填，从而更好地提高长晶效率。

饼料

制备饼料是一种最常见的处理方法。这种方法制得的氧化铝料密度更高，而且可以得到和长晶炉尺寸匹配的坯料，所以装填也更为方便。其步骤如下：

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（1）混料

混料一般采用球磨法，研磨球和研磨腔体都需经过特殊处理，避免球磨过程引入杂质。成型时粘结剂的选择是关键，有机粘结剂中的高分子物质在高温下可以挥发去除，但是还有0.1～0.5wt%的残留灰分，这些灰分会对5N氧化铝纯度造成致命伤害，所以一般选用氢氧化铝前驱体作为粘结剂，也可以加入一定量硝酸，但高温下分解出的氧化氮气体会对环境造成污染，同时也会腐蚀烧结炉。

（2）压制成型

压制的方法可以是干压成型也可以是冷等静压成型，主要是避免压制过程中的二次污染。氧化铝的硬度比较大（莫氏硬度9.0），采用金属模具磨损严重，引入污染较多，但如果采用高纯氧化铝内衬就可以解决这个问题。

（3）烧结

烧结方式有很多种，传统方法是采用高温炉烧结，近年来微波烧结和等离子烧结也成为研究的热点。烧结炉烧结时，炉体的耐火材料和发热体的挥发物会对5N氧化铝烧结体的纯度造成影响，且效率较低；微波烧结和等离子烧结具有加热均匀、升温速度快、烧结温度低、烧结时间短、生产效率高、可以得到高致密度材料等优点。

结晶料

此种类型产品传统的生产方法是焰熔法，焰熔法是使氧化铝粉末在通过高温的氢氧火焰后熔化，熔滴在下落过程中冷却并在种晶上固结、逐渐生长形成晶体。得到的晶块料是白色半透明状，但是生产效率较低。

冷坩埚法是一种从熔体中生长晶体的技术，一直以来用于生长合成立方氧化锆晶体。其特点是晶体生长不是在高熔点金属材料的坩埚中进行，而是直接用原料本身作坩埚，使其内部熔化、外部则装有冷却装置，从而使表层不熔化，形成1层未熔壳，起到坩埚的作用。内部已熔化的晶体材料，依靠坩埚下降脱离加热区，熔体温度逐渐下降并结晶长大。近年来，也被开始用来制备蓝宝石生长用5N氧化铝碎晶。此方法可以通过提高温度梯度，控制界面前沿的液体流动，利用单向凝固/偏析提纯原理，实现对原料的二次提纯，但该技术并不容易掌握。

参考来源：

[1]贺珂.蓝宝石用高密度氧化铝料的制备方法

[2]刘杰.蓝宝石晶体的制备方法及特点概述

（中国粉体网编辑整理/山川）

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