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上海交通大学张佼教授团队综述：蓝宝石的应用及单晶强韧化研究进展
引言：论文基于上海交通大学张佼教授团队研究以及国家自然科学基金项目资助，文章综述了蓝宝石在光学、半导体、激光等领域的应用，总结了蓝宝石通过掺杂合金元素、掺杂石墨粉、粒子注入以及铁、钛共掺杂等方法进行强韧化的研究进展，并对未来蓝宝石功能材料的应用以及蓝宝石强韧化工作的发展趋势进行了分析和探讨。
文章发表于《功能材料》2022年第53卷第5期，欢迎引用本文：
唐文奇,颜丽红,郑晓彬,等.蓝宝石的应用及单晶强韧化研究进展[J].功能材料,2022,53(5):5001-5008.
Tang W Q,Yan L H, Zheng X B,et a.Application of sapphire and research progress of single-crystal strengthening and toughening[J].Journal of Functional Materials,2022,53(5):5001-5008.
一、全文速览
蓝宝石具有硬度大、强度高、抗腐蚀性强及良好的光学和化学特性，已被广泛应用于众多高科技领域，其突出的光学透过性有望成为新一代电子产品屏幕的盖板材料。但由于蓝宝石晶格缺乏滑移系，且位错滑移势垒较高导致蓝宝石的单晶塑形差、脆性大。故在制备时会产生微裂纹等现象，从而使得其性能下降，甚至出现系统失效。因此国内外许多学者开展了蓝宝石单晶强韧化的研究，并取得了一系列成果。
二、文章亮点
● 详细介绍了蓝宝石的相关性能，比如高光学透射率、高耐磨性、良好的光学特性和化学性能等。
● 重点分析了蓝宝石在光学、半导体、激光等领域的应用，包括光学元件、衬底材料、激光和释光材料、传感器等领域。
● 重点评述了蓝宝石通过掺杂合金元素、掺杂石墨粉、粒子注入以及铁、钛共掺杂等方法进行强韧化。
三、图文展示
图1 (a)蓝宝石单晶照片；(b)蓝宝石单晶晶体结构
图4 温梯法生长不同掺碳浓度蓝宝石单晶照片
图6 （a）Fe，Ti：Sapphire晶体退火与时效针状晶体形貌；（b）Fe，Ti：Sapphire晶体裂纹偏转效应；（c）Sapphire裂纹无偏转对照
图7 600和1 000 ℃条件下注入不同离子后蓝宝石棒C轴方向的抗压强度
图8 不同离子在300 ℃时注入直径38 mm、厚度2.0 mm的蓝宝石C面圆盘的环套环弯曲强度
四、结语及展望
蓝宝石特有的性能已使其应用于广大领域，而开发新型蓝宝石功能材料将是未来发展的大趋势与研究热点。然而，蓝宝石韧性较差的问题亟需面对与解决。现阶段强韧蓝宝石单晶的方法主要是通过向蓝宝石单晶中引入不同元素的离子。这些离子一般是进入晶格间隙或与Al3+进行不等径取代，增加晶体畸变程度，提高晶体的模量和断裂表面能，进而起到强化和硬化的作用。同时，这些离子在热处理过程中会以细小第二相的形式析出，这会使裂纹在扩展过程中发生偏转并增加裂纹扩展路径，从而起到增韧的作用。
未来增强蓝宝石单晶的韧性可聚焦在以下几个方面：
（1）不降低单晶蓝宝石光学性能的前提下，探索在微尺度范围内提高单晶其韧性的有效途径。
（2）通过研究不同微结构蓝宝石的制备工艺，判断单晶蓝宝石的断裂行为和这些新结构的增韧效果。
（3）可结合现行工艺有效地降低蓝宝石单晶的微磨削力，提高单晶的断裂韧性，总结出增韧效果的解析系数。
总之，未来的研究工作应在满足不牺牲蓝宝石性能的前提下，对其进行适当的强韧化，并结合对产业的需求，进一步推动蓝宝石材料在各领域的应用。