随着科技的进步和现代化工业程度的提高，人们对光学功能材料性能的要求也逐渐提高，但由于传统的光学材料玻璃的力学和耐热等性能太差，在一些严苛环境下的应用受到了限制，于是蓝宝石、氧化铝透明陶瓷等兼具良好力学性能、高耐热性能的透光材料逐渐走进大家的视野。蓝宝石、氧化铝透明陶瓷都属于氧化铝制品，不少人甚至认为氧化铝透明陶瓷是蓝宝石晶体的平替，但其实由于微观结构的差异，它们存在着一些区别。下面小编从它们的制备工艺出发，探讨一下它们在性能、应用上到底有何区别。

蓝宝石（来源：江阴皓睿光电新材料有限公司）VS氧化铝透明陶瓷（来源：日本碍子官网）

制备难度PK

作为一种氧化铝单晶，不同于多晶陶瓷的烧结，蓝宝石的制备与单晶硅一样立足于晶体生长技术，具体来说是将无定型的高纯氧化铝原料放进长晶炉中，在较高温度下熔融后，添加单晶棒等晶种，利用熔汤与晶种之间的温度差再结晶从而形成具有一定形状和尺寸的人工蓝宝石晶体。在这个过程中，需要精确控制温度的变化以及晶体拉升装置，以此控制晶体的生长速度和方向，才能保证最终获得高质量的单晶材料，不仅对设备要求较高，温度要求较高，成本高，而且生长速度缓慢，难以制备出大尺寸的晶体材料。

提拉法制备蓝宝石晶体

氧化铝透明陶瓷的制备与普通氧化铝陶瓷的制备工艺基本一致，主要经过粉体制备、成型以及烧结一系列流程，具有制备周期短，生产成本低，可制备大尺寸的优点。不过与普通氧化铝陶瓷相比，为了避免烧结体中出现较多的第二相杂质物和各种结构缺陷，而破坏陶瓷材料的光学均匀性，降低陶瓷材料的透光性能，透明氧化铝陶瓷对氧化铝粉体性能要求极高，包括粉体的高纯度（3N及以上）、高分散性和颗粒均一性等。此外，陶瓷的气孔率、晶界尺寸、表面加工光洁度都与其透光度有直接的联系，因此在成型烧结过程中，可在其中添加烧结助剂或在真空或氢气中完成烧结，前者可抑制晶粒的长大，而后者则有利于气孔内的气体被置换、扩散，从而消除气孔。

氧化铝透明陶瓷制备方法

总结：蓝宝石的制备受限于晶体生长的方式，成本较高、技术难度较大、难以制备大尺寸的材料；而氧化铝透明陶瓷虽对粉体原料、烧结技术要求较高，但归根结底与传统普通陶瓷制备路径大致相同，因此氧化铝透明陶瓷的制备难度更低，且成本更低。

性能及应用PK

蓝宝石：

蓝宝石是一种氧化铝单晶，其晶体结构是由三个氧原子和两个铝原子以共价键型式结合而成，属于六方晶系。由于蓝宝石晶体的原子之间的键合较强，晶格结构较为规整和紧密，且避免原料因素的影响，晶体内部几乎没有杂质或缺陷，使得光线在其内部的传播时受到的障碍较少，不容易发生散射和吸收，从而导致光线能够相对容易地穿过晶体，最终呈现出优异的光学特性，其穿透波长范围为0.19nm~5.5nm，双面抛光后的蓝宝石窗口片可见光直线透过率可达86%。除此之外，蓝宝石晶体与其他氧化铝制品一样，具有优异的力学性能、耐磨损性、化学稳定性、热稳定性以及介电性能等，但由于单晶生长内应力大，易发生不规则脆性开裂和解理裂纹，影响后期层合及装配。

目前蓝宝石晶体在军用红外装置、导弹、潜艇、卫星空间技术、探测和高功率强激光等领域有着广泛的应用，除此之外它还为微电子、光电子、半导体、信息显示提供了窗口材料。

1、红外光学窗口和整流罩

蓝宝石单晶因其卓越的综合性能，尤其是优异的透过性，可以增强红外线的穿透效果，成为了理想的中红外窗口材料，在军用光电设备中得到了广泛的应用。用蓝宝石单晶做成的红外光学窗口和整流罩，已广泛用于机载、星载、舰载以及潜基、陆基光电设备，尤其在高马赫数导弹整流罩、透明装甲、潜艇窗口以及高功率强激光等军用设备中的地位和作用不可替代。

不过蓝宝石单晶属于六方晶系，结构中各向异性的存在使得加工时需要以c轴垂直于红外窗口，以避免双折射对成像系统的干扰，这注定了其难以应用于大曲率、大视角光学成像系统。

2、掺钛蓝宝石激光器

在实际工程中，直接产生大功率的激光难以获得良好的质量，以及激光晶体难以在谐振腔维持高能量容易损坏，通常需要在种子光后加一级光放大来获得质量较好、功率更高的激光束。由于具有宽波长调谐范围（可达400nm）、超短脉冲宽度以及高峰值功率等特点，采用钛掺杂的蓝宝石（Ti:Sapphire）晶体作为增益介质的激光放大器，可以提供比传统半导体激光器更宽的激光发射带宽，可以提供足够宽的光谱来产生亚10飞秒的光脉冲，适当地获得放大的高增益，并且掺钛蓝宝石高导热系数的特点也意味着它承载很大的热负载，可以用于放大极短的光脉冲能量。

掺钛蓝宝石及美国Coherent公司生产的掺钛蓝宝石飞秒激光器

目前，Ti:Al2O3激光器已经在激光测距、光电干扰、红外对抗、致盲武器等军事领域，以及激光通信、海洋探测、大气环境监测、激光手术及微加工等诸多领域得到广泛应用。

3、LED基片及衬底

由于具有使用寿命长、发光效率高、绿色环保等优点，LED照明被认为是继白炽灯、日光灯、高压卤灯后第四代照明光源。与传统照明不同，LED灯发光依靠的是芯片，而非灯丝，因此必须需要基片作为载体，为了保证其能够进行多角度发光，往往要求基片具有良好的透光性能。同时LED属于冷光源，其依靠能带间的电子跃迁发光，光谱中不含红外成分，不能通过辐射进行散热，因此基板也要求具有良好的导热性能。蓝宝石衬底能够很好的满足这两个要求，实现高性能、均匀、高效的发光效果，目前全球80%LED企业采用该衬底材料。不过近年来，随着氧化铝透明陶瓷的直线透光度不断提高，其更低生产成本让它成为了最具潜力的蓝宝石替代品。

氧化铝透明陶瓷：

氧化铝透明陶瓷同样在力学性能、耐磨损性、化学稳定性、热稳定性以及介电性能等性能上表现突出，不过其本质是一种多晶材料，由多种显微组织组成，不可避免会由于晶粒、晶界、第二相、气孔等因素，造成折射率的差异，因此氧化铝透明陶瓷的直线透过率一般较低，通常为30%以下，其透光性类似磨砂玻璃。

单晶原子晶体结构（左）及影响陶瓷透明度的因素（右，①晶界；②气孔；③杂质；④双折射；⑤第二相；⑥表面粗糙度）

目前，透明氧化铝陶瓷除了用于高压钠灯等高强度气体放电灯的放电管，还能用于微波集成电路基片（利用透明氧化铝介质损耗小等性质）、矫治牙齿用透明陶瓷托以及透红外窗口材料等。

1、高压钠灯放电管

高压钠灯是一种利用钠蒸汽放电产生可见光的光源，发出金白色光，属于气体放电灯的一种，由于具有发光效率高、耗电少、寿命长、透雾能力强和不锈蚀等优点，多用于道路、机场、车站、公园、广场等对显色性要求不高的场所。不过，钠蒸汽不仅具有很强的腐蚀性，而且放电时往往会产生1000℃以上的高温，普通的玻璃灯管根本就没法耐受，因此高压钠灯大都采用成本比蓝宝石更低，但具有一定透光性、优异的耐热性以及抗腐蚀性的氧化铝透明陶瓷作为灯管材料。

高压钠灯

2、透明陶瓷托槽

近年来，越来越多的牙科患者，尤其是女性进行正畸治疗，因而对正畸矫治器的美学要求也就越来越高。1986年，陶瓷托槽首次被引入正畸领域，其后，多种类型的陶瓷托槽广泛的应用于临床。

目前应用陶瓷托槽主要为氧化铝陶瓷和氧化锆陶瓷。其中氧化铝陶瓷托槽根据其制作工艺的不同，又可分为单晶透明氧化铝陶瓷和多晶透明氧化铝陶瓷。由于多晶透明氧化铝陶瓷制作工艺比单晶透明氧化铝更为简单，在透明特性上又比氧化锆陶瓷更高，美学特性较好，粘在牙齿上隐蔽性较好，能使矫治过程悄然完成，目前应用较为广泛。

总结

基于氧化铝的本征特性，蓝宝石和氧化铝透明陶瓷在力学性能、耐热性能、化学稳定性等方面都有着不俗的表现，不过蓝宝石属于单晶材料，且在制备过程中避免了杂质的引入，在透光性能上要优于氧化铝透明陶瓷，更适合用于需要高透光的光学窗口、激光器以及LED基片上，而氧化铝透明陶瓷则由于较低的制备难度和成本，更适合用于制备高压钠灯放电管、透明陶瓷托槽等对耐热透光性有一定要求又需要兼具性价比的材料。

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