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6～7。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30～40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+与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Ｒ3C，a 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。

图1 蓝宝石的晶胞结构

图2 平行于（0001）的［AlO6］八面体层

图3 平行于C轴的八面体柱

图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。

图5 蓝宝石的X射线衍射图谱

蓝宝石的主要性质见表1：

表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。

图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Φ380mm（15″）蓝宝石和Φ200mm（8″）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 micro－pulling and shoulder－expanding at cooled center，SAPMAC）。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）