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氧化铝的晶体、玻璃和陶瓷的区别

编辑:湖北英特利电气有限公司时间:2018-05-30

晶体、玻璃和陶瓷


      远古时期,人类从宝石开始认识晶体。红宝石、蓝宝石、祖母绿等晶体以其晶莹剔透的外观,棱角分明的形状和艳丽的色彩,震憾人们的感官。名贵的宝石镶嵌在帝王的王冠上,成为权力与财富的象征,而现代人类合成出来晶体,如超导晶体YBaCuO、光学晶体BaB2O4、LiNbO3、磁学晶体NdFeB等高科技产品,则推动着人类的现代化进程。

       而传统认为的玻璃物质外观看起来和晶体其实是极其类似的,很具有迷惑性;用个稍微学术的描述,它们分别归类于“晶态”与“非晶态”,本质上是完全不同状态。

       传统的玻璃是典型的“非晶态”材料,而现代工业中的“非晶态”材料并不一定透明或晶莹剔透;比如现在手机工业上流行的“液态金属”就是一种典型的“非晶态”材料。

       个人认为“液态金属”的叫法并不确切,首先应该叫“金属玻璃”或“非晶态”金属,其次,“液态金属”是另外一个行业常用的名字,常温液态的镓合金习惯叫常温“液态金属”,用于取代金属汞。

      “非晶态”金属不是一个新鲜玩意,1959年杜威(P.Duwez)在实验室发明了一种泼溅淬火(splat quenching)技术,开创了“金属玻璃”制造的新纪元。说的通俗点,把液体急冷就能做成玻璃,来不及规范排列(结晶)就成了固体——非晶态。一般认为熔体粘度越大越容易成玻璃,降温速度越快越容易成玻璃。所以玻璃一定意义上也可以叫“过冷液体”,这大概是“液态金属”叫法的由来。

 

    晶态:长程有序;晶格、晶胞有规律的重复出现。

    非晶态:短程有序,长程无序;即原子排列从总体上是无规则的,但是,近邻的  原子排列是有一定的规律,材料的物理化学性能连续并且均匀。

    晶态和非晶态是规律性和混沌态的两个极端;而陶瓷是这二者结合,晶态的小颗粒被非晶态包裹形成的材料可以成为陶瓷。

   对于非晶态的代表玻璃、晶体和陶瓷可以用一个通俗的,日常可见的例子来形象说明一下。

    日常可见的“冰糖”或“单晶冰糖”,一定程度可以认为是一个比较大的“单晶”;白砂糖可以认为是一个个小单晶体颗粒。

    庙会上常见的糖画,就是把白糖或冰糖高温熔化,浇在大理石板或钢板上形成了玻璃态的糖或“非晶态”的糖,也很亮很脆。糖画的糖往往是焦黄色的,这是高温氧化或分解的混合物的糖浆的原因,多组分的混合物也容易成玻璃。

    把白砂糖和糖浆混在一起,白砂糖颗粒没有完全融化,而且均匀的混合在一起,我们可以认为做成了“陶瓷”糖。各个陶瓷配方的不同,在于糖浆的种类和数量。

我理解的晶体、玻璃和陶瓷的区别就是这个样子。


蓝宝石和彩色宝石

     很多业内外的人士,经常会有一个疑问:为什么无色的氧化铝单晶材料会被称之为“蓝宝石”?

     氧化铝单晶的确应该叫做白宝石或无色宝石,可能是在早期的一些研究中,曾经使用蓝宝石(掺Fe+3 和 Ti +4的氧化铝单晶,天然容易找到)来代替白宝石,所以后来的文献或习惯性叫法被保留了下来,俗称约定了把氧化铝单晶叫蓝宝石。

    根据中华人民共和国现行的国标GB/T 31092-2014《蓝宝石单晶晶锭》3.1条之约定,在工业、半导体行业中“蓝宝石”特指“人工生长的,有确定晶向的单晶氧化铝材料”,是行业通行的认识和命名方式 。电子或光电子行业所称“蓝宝石”并不代表“天然蓝宝石”,也无需在“蓝宝石”前冠以“人工合成”的字样。

      众所周知,白光是一种混合光,由各种波长(各种颜色)混合显色的结果。当白光入射的时候,如所有的光都通过的时候,则氧化铝单晶为无色;全部反射,则呈现白色;部分吸收,则呈现剩余光的颜色。例如:吸收红光蓝宝石呈现青色;吸收黄光蓝宝石呈现紫色;吸收绿光呈现蓝色;反之则反。

      蓝宝石的颜色形成机理是这样的,都是由于过渡族离子、稀土元素离子或其他离子以及色心引起的光吸收而形成的。杂质离子的吸收受晶体结构、价态、配位结构、晶体缺陷所影响;同种离子在不同晶体中的颜色往往会不一样;同种元素在同一晶体中,不同的条件下颜色也是不一样的。


       红宝石一般是在氧化铝单晶中掺入了微量的Cr+3而呈现红色。红宝石是专属名词,是世界上第一台激光器的激光晶体,英文有个专属单词:Ruby,其他掺杂的氧化铝单晶无论呈现什么颜色都称为蓝宝石,比如红色蓝宝石,黄色蓝宝石等,英文统称为Sapphire。

      有一个重要的激光晶体,钛宝石(Ti:sapphire,Ti3+:Al2O3)也是呈现红色,是当今最优秀的可调谐激光晶体。钛宝石的红色有的时候很漂亮,称之为“鸽血红”。一般光电子行业“钛宝石”指的是可调谐激光晶体的钛宝石。并不是掺钛的蓝宝石晶体都叫钛宝石,掺钛宝石由于钛的价态的不同和共掺的离子不同呈现不同的颜色。


蓝宝石玻璃、多晶蓝宝石

      根据中华人民共和国现行的国标GB/T 31092-2014《蓝宝石单晶晶锭》3.1条之约定,在工业、半导体行业中“蓝宝石”特指“人工生长的,有确定晶向的单晶氧化铝材料”,是行业通行的认识和命名方式 。

所以既然成为“蓝宝石”,指的肯定是单晶。“蓝宝石玻璃”这个命名是存在极大的前后矛盾。氧化铝可以实现非晶态,除了熔体急冷之外,目前可以有很多种的气相沉积的方法制备出“氧化铝玻璃”或“非晶态氧化铝”。但是晶体是晶体,玻璃是玻璃。

     当然纯氧化铝做成玻璃目前需要极高的成本,未来的技术发展不好说。不过早在50~60年代,开始开发过(氧化铝+氧化硅)高铝玻璃,软化熔融点在1800℃以上,硬度也不错,又兼容了玻璃的性能。不过技术难度也不低,粘度极高,气泡容易产生,条纹也多。

     说了这么多晶体和玻璃,现在来说陶瓷。理想陶瓷的本质可以理解为玻璃态物质中均匀分布着微晶颗粒。所以很多陶瓷追求纳米粉,足够均匀,颗粒足够小,如果条件足够好的话可以烧结出透明陶瓷。比如:氧化铝透明陶瓷,YAG透明陶瓷。

还有一种思路,玻璃态材料通过后续热处理,均匀的出现微晶颗粒,这称之为“微晶玻璃”或“玻璃陶瓷”。

      这两种方案都是希望能够结合玻璃和陶瓷的优点,可低成本的大批量生产。

目前市场上还流行一个新名词“多晶蓝宝石”,个人的理解把“氧化铝透明陶瓷”往蓝宝石上蹭完全没必要。首先“氧化铝透明陶瓷”做的好绝对也是高科技,其次带上“蓝宝石”定义上又要混乱或不伦不类。

     理论上完美的透明陶瓷性能会非常完美,但是绝对的均匀和控制晶粒的尺寸也是几乎不可能的,所以这么多年来高压钠灯管算是一个大的应用。但是由于晶界问题,透明度和强度和理论有很大差距,不过不影响在某些领域的应用。

      总之,“蓝宝石”是蓝宝石单晶,也有氧化铝多晶料、氧化铝陶瓷、氧化铝透明陶瓷、多晶氧化铝(或蓝宝石)原料……等等叫法。

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