氧化铝单晶材料

近年来发展起来的一种新型生物陶瓷是氧化铝单晶。氧化铝单晶也称宝石。用作生物陶瓷的氧化铝单晶是无色透明的（称为白宝石）。添加剂不同则有不同的颜色，如红宝石、蓝宝石等。

红宝石

1.氧化铝单晶的特性

氧化铝单晶的许多性能，如机械强度、硬度、耐酸碱性等都优于氧化铝多晶陶瓷。而且，其生物相容性及在体内的安定性、耐磨损性也优于多晶陶瓷。最显著的差别还是体现在机械强度上。因此，氧化铝单晶在医学领域获得广泛的应用。尤其是使用在要求高强度、耐磨损、耐腐蚀的部位。

氧化铝单晶化学成分与多晶相同，晶型为α-Al2O3(即刚玉型）。因此氧化铝单晶与多晶在性能上的差异主要可从结构差异上得到解释，即氧化铝单晶的结构完整，缺陷很少，无脆弱的晶界相。因而在应力作用下不易出现微裂纹和裂纹扩展，因而强度高。结构的完整性还体现在耐酸碱性和生物安定性（或生物相容性）上。

自然界中存在的单晶很少，目前应用的氧化铝单晶均以人工方法制备。

2. 氧化铝单晶的生产方法

氧化铝单晶的生产方法比较多，有提拉法、导模法、气相化学沉积法、焰熔法等。

（1)提拉法

提拉法又叫克拉斯克法或引上法。即把原料（氧化铝与添加剂）装入坩埚内，将坩埚置于单晶炉内（高频感应炉），加热使原料完全熔化，把装在籽晶杆上的籽晶浸渍到熔体中与液面接触，精密地调整温度，缓慢地（以1. 0~4mm/min的速度）向上提拉晶杆，并以一定的速度旋转（坩埚的转速为10r/min,籽晶杆的转速为25r/min,但它们的方向相反）使结晶过程在固液界面上连续地进行，直到晶体生长达到原定长度时为止。

（2)导模法

简称EFG法。在拟定生长的单晶物质熔体中，放顶面与所拟生长的晶体截面形状相同的空心模子（导模），模子用材料应能使熔体充分润湿而又不发生反应。由于毛细管的现象，熔体上升到模子的顶端面形成一层薄的熔体面，将晶种浸渍到其中，便可提拉出截面与模子顶端截面形状相同的单晶体。

（3)气相化学沉积法

此法也称CVD法。将金属的氢氧化物、卤化物或金属有机物蒸发成气相，或用适当的气体做载体，输送到使其凝聚的较低温度带内，通过化学反应，在一定的衬底上沉积形成薄膜单晶体。

（4）焰熔法

焰熔法也叫维尔纳叶法。此法生长单晶的设备及工艺简单、经济，无需昂贵的铱金坩埚作容器，故仍是常用的一种方法。

本法制备氧化铝单晶用的初始原料与高纯氧化铝陶瓷的原料相同，为硫酸铝铵,但必须是由工业合成的硫酸铝铵经多次重结晶提纯后所得原料。

硫酸铝铵被加热至200~900℃之间，首先脱水变成无水明矾，再逐渐变成硫酸铝，而后脱硫成无定形化合物，最后形成造宝石原料γ-Al2O3,如果温度再升高则变成α-Al2O3。所以由硫酸铝氨分解获得γ-Al2O3时，要求盛料的坩埚内部温度很均匀，如果温度不均 匀，部分偏高或偏低，则会使分解后的γ-Al2O3的晶粒度不一致。甚至有部分转变成α-Al2O3或含少量无定形或脱硫未净的料，这对单晶生长是不利的。

焰熔生长炉主要包括：火焰的燃烧装置，结晶炉。火焰是熔融粉料和造成适当的温度场的热源，最常用的是氯氧火焰。将原料装在料斗内，下降通过倒装的氢氧焰喷嘴，将其熔化后沉积在保温炉内的耐火材料托柱上，形成一层熔化层，边下降托住边进行结晶。晶体生长面与火焰喷枪口的距离是需要严格控制的参数，一般为15cm。用这种方法制备的晶体生长速度快，工艺简单，但晶体的缺陷较多。