文档介绍：物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 62, No. 6 (2013) 066201
铁钛共掺强韧化蓝宝石晶体的研究*
胡克艳1)2) 徐军2)†唐慧丽2)‡李红军2) 邹宇琦2) 苏良碧2)
陈伟超2) 于海欧1)2) 杨秋红1)
1) ( 上海大学电子信息材料系, 上海 200072 )
2) ( 中国科学院上海硅酸盐研究所, 上海 201800 )
( 2012 年 3 月 8 日收到; 2012 年 11 月 5 日收到修改稿)
研究了铁钛共掺蓝宝石(Fe, Ti: Sapphire) 晶体的常温力学性能. 采用泡生法技术生长了尺寸为ø180 × 280 mm3
质量为 30 kg 的 Fe, Ti: Sapphire 晶体. 实验发现, 在蓝宝石晶体中掺入 Fe2O3 和 TiO2 以及相应的热处理可以显著
3+
提高晶体常温断裂强度、表面硬度和断裂韧性, 而不损害晶体的可见和近红外透过性能; 掺入的 Fe2O3 其 Fe
3+ 4+
对 Al 的取代作用导致晶体内应力的增加, 掺入的 TiO2 其 Ti 热处理时结晶出的第二相针状晶体的韧化效应,
均对 Fe, Ti: Sapphire 晶体的力学性能的提高具有重要作用. 研究对我国实现高强蓝宝石晶体应用材料具有重要
现实意义.
关键词: 蓝宝石晶体, 力学性能, 铁钛共掺, 热处理
PACS: .−x, DOI: .066201
大弱点, 限制了蓝宝石单晶在更高、更快、更广领
1 引言域的应用和发展. 围绕着如何提高蓝宝石晶体应用
材料的力学性能, 国内外做了大量的研究. 如通过
蓝宝石(Sapphire) 晶体因其相对优越的综合性在蓝宝石表面形成一层 Al2O3-Cr2O3 固相压应力
能成为理想的中红外窗口材料, 在军用光电设备中表面层来阻止应力扩散以达到提高蓝宝石晶体的
得到了广泛的应用. 用蓝宝石单晶做成的红外光强韧性, 然而仅仅通过表面改性来形成表面压应力
学窗口和整流罩已广泛用于机载、星载、舰载以层的办法来达到强化目的仍然是不够的. 通过表面
及潜基、陆基光电设备, 尤其在高马赫数导弹整流离子注入来提高蓝宝石强度也有报道[], 离子注
罩、透明装甲、潜艇窗口以及高功率强激光等军入在拉伸表面注入层内产生了约 1 GPa 的压应力,
用设备中的地位和作用不可替代[1,2]. 同时蓝宝石外界必须克服表面层的压应力才能使蓝宝石断裂,
晶体作为激光二极管(LD) 和 GaN 基蓝色的发光二从而提高蓝宝石的强度. 该方法由于高昂的成本、
极管(LED) 衬底材料已经走上了产业化[3]. 但蓝宝设备无法满足大尺寸蓝宝石辐照条件, 还无法开展
石晶体同样也存在着本征缺陷, 由于蓝宝石单晶是规模化的产业应用. 而 Schmid 等[9] 研究了 Mg2+
典型的共价键, 具有明显的方向性, 同号离子相遇, 掺杂对蓝宝石强度的影响, 发现掺 Mg2+ 的蓝宝石
斥力极大; 而且蓝宝石单晶属刚玉型结构, 三方晶与未掺杂的相比, 强度提高了倍. 但我们在实验
系, R-3C 对称, 晶体结构复杂, 其晶体内部缺少滑