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手机面板用蓝宝石玻璃性质与制备(一)

手机面板用蓝宝石玻璃性质与制备

汤华娟、王承遇

摘要:蓝宝石具有硬度高、耐磨性、化学稳定性和耐热性好等特点,手机制造企业将蓝宝石用于代替玻璃作手机面板的覆盖材料。本文阐述了蓝宝石的结构、性质和大尺寸蓝宝石的制造方法,指出热交換法可以制备Φ380mm的蓝宝石,冷心放肩微量提拉法(SAPMAC)也是一种有特色的制备方法。最后提出由蓝宝石和玻璃组成叠层材料,上层用耐磨的蓝宝石,下层为玻璃,可以节约成本,这将是手机面板发展的方向。

前言

2013年11月苹果公司发布消息称iPhone 6可能使用蓝宝石玻璃作为手机面板,此消息引起了国内外的广泛关注。实际上iPhone 5/5S摄像镜头覆盖玻璃和功能主键上已经使用了蓝宝石玻璃,用以提高手机面板硬度和抗磨损能力,避免表面刮伤影响拍摄及指纹识别效果。严格来讲,蓝宝石玻璃(Sapphire glass)一词是不确切的,因为采用的是蓝宝石晶体(Sapphire crystal),而不是玻璃,国内也有人称之为蓝宝石水晶玻璃(Sapphire crystal glass),更容易误解为是具有蓝宝石颜色的晶质(水晶)玻璃。

蓝宝石为刚玉晶体,硬度高达9(莫氏硬度),玻璃的硬度仅为67。蓝宝石特别抗磨损,耐用程度为著名手机面板玻璃Gorilla的两倍,光泽度比玻璃好,化学稳定性和热稳定性也优于玻璃面板。但蓝宝石生产工艺复杂,特别是大尺寸蓝宝石手机屏幕制造成本较高,每块价格为3040美元,比玻璃面板提高近10倍。不过,随着蓝宝石大量生产后,成本会有较大的降低空间。

本文阐述了蓝宝石的结构、性质和大尺寸蓝宝石制备方法以及今后发展方向。

1、蓝宝石的结构与性质

蓝宝石化学组成为Al2O3,理论成分为Al 52.91%、O 47.09%,无色透明,如含杂质Ti3+Fe3+,则呈蓝色。蓝宝石由3个氧原子和2个铝原子以共价键结合,晶胞结构如图1所示,其中黑点为氧离子,白点为铝离子。蓝宝石的晶体空间群为R3Ca h=bh=0.477nm,c h=1.304nm,Z=6。结构中O2-作六方最紧密堆积,堆积层垂直于3次轴,Al3+填充于其中2/3八面体空隙,垂直于C轴方向上[AlO6]八面体连接成层,如图2所示。平行于C轴方向[AlO6]八面体以其面或顶角方向连接,构成两个实心[AlO6]八面体和一个O2-围成八面体相间排列的柱体,[AlO6]八面体沿C轴方向呈3次螺旋对称,如图3所示。晶体形态多呈腰鼓状、柱状,少数为板状,如图4所示。主要晶形有六方柱、六方双锥、菱面体和平行双晶。

1 蓝宝石的晶胞结构

2 平行于(0001)的[AlO6]八面体层

3 平行于C轴的八面体柱

4 蓝宝石的晶体形态

蓝宝石的X射线衍射图谱如图5所示,主峰对应的晶面间距为0.2086、0.2553和0.1602nm。

5 蓝宝石的X射线衍射图谱

蓝宝石的主要性质见表1

1 蓝宝石的主要性质

从表1中可以看出蓝宝石不仅硬度高,断裂强度、抗弯强度和断裂韧性均比一般玻璃盖板高;化学稳定性好,可耐水、大气、风沙和汗水的侵蚀;透过光波段范围为0.14~6μm,其中在0.3~5μm透过率为80%1mm厚的蓝宝石在不同波长下的透过曲线如图6所示。从以上数据可以看出蓝宝石作为手机面板,其性质非常优越。

6 1mm厚蓝宝石在不同波长下的透过率曲线

2、大尺寸蓝宝石的制备方法

天然蓝宝石产量有限,价格昂贵,尺寸也较小,不能满足工业需要。1902年开始研究人工制备蓝宝石,但大都是小尺寸晶体。近年来开始制备大尺寸蓝宝石,如美国生产了Φ380mm15″)蓝宝石和Φ200mm8″)掺Ti3+蓝宝石,蓝宝石重量可达200kg;俄罗斯制备了300mm×310mm×85mm蓝宝石窗;我国也研发了Φ360mm×260mm蓝宝石晶体。

目前蓝宝石制备方法很多,生产大尺寸蓝宝石主要方法有泡生法(Kyropoulos method)、热交换法(Heat exchanger method)、温梯法(Temperature gradient technique)以及对泡生法进行改良的冷心放肩微量提拉法(Sapphire growth technique with micropulling and shoulderexpanding at cooled centerSAPMAC)。每种方法各有优缺点,常用的方法有热交换法、泡生法以及富有特色的冷心放肩微量提拉法,故本文对此3种方法加以阐述。(文章来源蓝宝石应用)



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