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(wěn)定性和耐熱性好等特點，手機制造企業(yè)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(jié)約成本，這將是手機面板發(fā)展的方向。
前言
2013年11月蘋果公司發(fā)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6～7。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(wěn)定性和熱穩(wěn)定性也優(yōu)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30～40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(fā)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+與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(tài)多呈腰鼓狀、柱狀，少數(shù)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。
圖1 藍寶石的晶胞結構
圖2 平行于（0001）的［AlO6］八面體層
圖3 平行于C軸的八面體柱
圖4 藍寶石的晶體形態(tài)
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。
圖5 藍寶石的X射線衍射圖譜
藍寶石的主要性質見表1：
表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(wěn)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(shù)據可以看出藍寶石作為手機面板，其性質非常優(yōu)越。
圖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(yè)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Φ380mm（15″）藍寶石和Φ200mm（8″）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(fā)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 micro－pulling and shoulder－expanding at cooled center，SAPMAC）。每種方法各有優(yōu)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）
