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手機面板用藍寶石玻璃性質與制備(一)

手機面板用藍寶石玻璃性質與制備

湯華娟、王承遇

摘要:藍寶石具有硬度高、耐磨性、化學穩定性和耐熱性好等特點,手機制造企業將藍寶石用于代替玻璃作手機面板的覆蓋材料。本文闡述了藍寶石的結構、性質和大尺寸藍寶石的制造方法,指出熱交換法可以制備Φ380mm的藍寶石,冷心放肩微量提拉法(SAPMAC)也是一種有特色的制備方法。最后提出由藍寶石和玻璃組成疊層材料,上層用耐磨的藍寶石,下層為玻璃,可以節約成本,這將是手機面板發展的方向。

前言

2013年11月蘋果公司發布消息稱iPhone 6可能使用藍寶石玻璃作為手機面板,此消息引起了國內外的廣泛關注。實際上iPhone 5/5S攝像鏡頭覆蓋玻璃和功能主鍵上已經使用了藍寶石玻璃,用以提高手機面板硬度和抗磨損能力,避免表面刮傷影響拍攝及指紋識別效果。嚴格來講,藍寶石玻璃(Sapphire glass)一詞是不確切的,因為采用的是藍寶石晶體(Sapphire crystal),而不是玻璃,國內也有人稱之為藍寶石水晶玻璃(Sapphire crystal glass),更容易誤解為是具有藍寶石顏色的晶質(水晶)玻璃。

藍寶石為剛玉晶體,硬度高達9(莫氏硬度),玻璃的硬度僅為67。藍寶石特別抗磨損,耐用程度為著名手機面板玻璃Gorilla的兩倍,光澤度比玻璃好,化學穩定性和熱穩定性也優于玻璃面板。但藍寶石生產工藝復雜,特別是大尺寸藍寶石手機屏幕制造成本較高,每塊價格為3040美元,比玻璃面板提高近10倍。不過,隨著藍寶石大量生產后,成本會有較大的降低空間。

本文闡述了藍寶石的結構、性質和大尺寸藍寶石制備方法以及今后發展方向。

1、藍寶石的結構與性質

藍寶石化學組成為Al2O3,理論成分為Al 52.91%、O 47.09%,無色透明,如含雜質Ti3+Fe3+,則呈藍色。藍寶石由3個氧原子和2個鋁原子以共價鍵結合,晶胞結構如圖1所示,其中黑點為氧離子,白點為鋁離子。藍寶石的晶體空間群為R3C,a h=bh=0.477nm,c h=1.304nm,Z=6。結構中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,構成兩個實心[AlO6]八面體和一個O2-圍成八面體相間排列的柱體,[AlO6]八面體沿C軸方向呈3次螺旋對稱,如圖3所示。晶體形態多呈腰鼓狀、柱狀,少數為板狀,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。

1 藍寶石的晶胞結構

2 平行于(0001)的[AlO6]八面體層

3 平行于C軸的八面體柱

4 藍寶石的晶體形態

藍寶石的X射線衍射圖譜如圖5所示,主峰對應的晶面間距為0.2086、0.2553和0.1602nm。

5 藍寶石的X射線衍射圖譜

藍寶石的主要性質見表1

1 藍寶石的主要性質

從表1中可以看出藍寶石不僅硬度高,斷裂強度、抗彎強度和斷裂韌性均比一般玻璃蓋板高;化學穩定性好,可耐水、大氣、風沙和汗水的侵蝕;透過光波段范圍為0.14~6μm,其中在0.3~5μm透過率為80%,1mm厚的藍寶石在不同波長下的透過曲線如圖6所示。從以上數據可以看出藍寶石作為手機面板,其性質非常優越。

6 1mm厚藍寶石在不同波長下的透過率曲線

2、大尺寸藍寶石的制備方法

天然藍寶石產量有限,價格昂貴,尺寸也較小,不能滿足工業需要。1902年開始研究人工制備藍寶石,但大都是小尺寸晶體。近年來開始制備大尺寸藍寶石,如美國生產了Φ380mm15″)藍寶石和Φ200mm8″)摻Ti3+藍寶石,藍寶石重量可達200kg;俄羅斯制備了300mm×310mm×85mm藍寶石窗;我國也研發了Φ360mm×260mm藍寶石晶體。

目前藍寶石制備方法很多,生產大尺寸藍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)以及對泡生法進行改良的冷心放肩微量提拉法(Sapphire growth technique with micropulling and shoulderexpanding at cooled center,SAPMAC)。每種方法各有優缺點,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,故本文對此3種方法加以闡述。(文章來源藍寶石應用)



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