项目建设背景 蓝宝石又称白宝石，是世界上硬度仅次于金刚石的晶 体材料。其结构中的氧原子以接近 的方式排列，其中氧原子间的八面体配位约有的空隙是由铝原子所填充，由此使它具有强度硬度高莫氏硬度，耐高温熔点达 耐磨擦耐腐蚀能力强，化学性质稳定，般不溶于水， 不受酸腐蚀，只有在高温下以上才能为氢氟酸磷酸 以及熔化的苛性钾所侵蚀且具有同氮化镓等半导体材 料结合匹配性好光透性能电绝缘性能优良等系列特性。 蓝宝石单晶首先是作为红外窗口材料而提出。因其具有优良的光 学机械化学和电性能，特别是具有中波红外透过率高等特性，从 至波段均具有很高的光学透过率，因此被广泛用作 微波电子管介质材料，超声波传导元件，延迟线，波导激光器腔体及 精密仪器轴承，天平刀口等光学元件以及红外军事装置空间飞行器 高强度激光器的窗口材料。以白宝石单晶片为绝缘衬底材料的器 件则具有高集成度高速度低功耗和抗辐射能力强等优点。近年来 民用手表的表面大量使用白蓝宝石，其特点是光洁度高硬度高耐 磨损。表给出了蓝宝石单晶的基本性能。 表蓝宝石单晶材料基本性能 晶体性能 化学式 式量 晶系六方晶系 晶格常数及方向 空间群 单位晶胞中的分子数 光学性能 透过波段 折射系数    吸收系数   毫米波特性 折射系数 吸收系数 损耗角正切 机械和热学性能 密度 硬度 熔点 沸点 断裂韧性 断裂强度 杨氏模量 热导率 热膨胀系数 比热 热容 泊松比 抗热冲击品质因子 电阻率 蓝宝石单晶作为种优良透波材料，在紫外可见光红外波段 微波都具有良好的透过率，可以满足多模式复合制导电视红外成 像雷达等的要求，在军事工业等领域被用作窗口材料及整流罩部 件，在光电通讯领域作为重要的窗口材料使用。 蓝宝石材料可以生长制备大尺寸的单晶，其内部缺陷很少，没有 晶界孔隙等散射源，强度的损失很小，透波率很高，是目前透波部 件的首选材料此外，由于蓝宝石电绝缘透明易导热硬度高， 因此可以用来作为集成电路的衬底材料，可广泛用于发光二极管 及微电子电路，从而替代高价的氮化硅衬底，制作超高速集 成电路可以做成光学传感器以及其它些光学通信和光波导器件。 如高温高压或真空容器的观察窗液晶显示投影仪的散热板有害气体检测仪和火灾监测仪的窗口光纤通讯接头盒等。 蓝宝石单晶制备的研究开始于世纪末，年，法国人用熔 焰法最先获得了较大尺寸的蓝宝石晶体，经过近百年的发展，制备蓝 宝石单晶的技术日趋完善。目前已有提拉法熔焰法 坩锅移动法温度梯度法 导模法热交换法水平定向凝固法泡生法 等多种制备方法，而适于生长大尺寸蓝宝石单晶的技术主要有热交 换法水平定向凝固法泡生法及温度梯度法及本项目所采用的冷 心放肩微量提拉法等。 年，俄罗斯的研 究所报道了采用法合成的蓝宝石晶体。乌克兰的单晶研 究所采用定向凝固法制备了大尺 寸板状晶体，该工艺采用保护性气氛代替了晶体生 长时的高真空环境，并且用廉价的碳材料代替热交换器用的昂贵金属 材料，极大的降低了生产成本。 我国在大尺寸蓝宝石单晶的合成方面与国外有较大的差距，尤其 在蓝宝石晶体的生长技术生长装备及加工技术方面，至今不少单位 仍然使用较为传统的提拉法熔焰法生长氧化物单晶材料，由于机械 传动过程中震动很大，电器自动控制精度低，温度场设计不合理等问 题，很难满足晶体生长的基本条件。制备的晶体质量成本很难满足 使用要求，成为困扰相关产业发展的技术难题。我国在蓝宝石晶体材 料的加工技术方面和国际先进水平存在明显差距，主要是晶体材料利用率低加工表面质量差表面损伤层大加工后衬底材料定向精度 难以满足使用要求，国内规模化生产用高品质蓝宝石衬底材料目 前尚属空白。 国内在九十年代后期，针对大尺寸蓝宝石单晶体的生长技术取得 了定的进展，中国科学院上海光学精密机械研究所采用导向温梯法 与热交换法类似，生长出国内最大尺寸的蓝宝石 晶体，用于国家氧碘强激光工程窗口材料，这是目前为止我国的 最好水平年四川师范大学固体物理所采用提拉法生长出了直 径大于的蓝宝石单晶年北京人工晶体研究所采用坩埚 下降法生长蓝宝石单晶。 我国蓝宝石晶体的产业化属起步阶段，目前主要产品为中低档产 品，如用火焰法和提拉法制备直径范围在以下的蓝宝石晶体， 晶体质量只有少部分能达到光学级水平，如云南玉溪蓝晶晶体有限 公司南京恒炼蓝宝石表面有限公司大连淡宁光电技术有限公司等 企业上海光学 域的发展。 高品质低成本的晶体材料生长技术是世界各国关注的难点和重 点。从目前的技术水平来看，国际上能够产业化制造直径大于 以上高品质蓝宝石衬底材料的只有俄罗斯美国等三家公司，由于蓝 宝石材料有着较强的军工应用背景需求，因此各国均将该项技术列为 高度机密内容，相关研究报道仅仅局限在工艺角度，针对蓝宝石的特 点和用途开发的专用设备及与之相配套的成型及机械加工技术的报 道仅仅限于原理角度，我国在该方面的研究属刚刚起步，在基础理论 工艺设备选配等方面的基础和经验几乎为零。 目前国内现有的用于蓝宝石晶体生长设备，是基于传统方法和技 术开发建设的实验室级产品，无论从晶体质量成本工艺控制精度 工艺重现性晶体尺寸生产效率等方面均难以满足产业化的需求。 从工艺角度，大尺寸蓝宝石晶体生长周期长，工艺复杂。原材料 纯度处理状态制备工艺参数等对晶体质量影响较大，需要针对不同工艺参数生长出晶体进行详细的性能测试和微观组织结构分析，在 此基础上给出进步改进的工艺参数和技术措施，才能开始下轮次 的晶体生长，达到不断优化工艺，获得高质量晶体材料的目的。然而 大尺寸蓝宝石晶体生长周期大约在天左右，准备和后处理工作 天左右，试件加工需要天，质量检测微观结构分析以及光电性能 测试需要天时间，工艺分析与模拟需要天时间，这样个正常 的研究轮次需要近个月的周期大大拖延了研究周期。 蓝宝石晶体的硬度仅次于金刚石为莫氏硬度级，由于其脆性 较大，很难加工，对于航空航天光电窗口而言，除了要求其表面光洁 度较高外，关键要求其晶面轴线的方向必须与轴沿 轴方向的偏差度，对定向精度要求极高，目前国际上产业化规 模较大的企业采用的是高精度定向设备，配合相应的加工技术如高 速研磨化学机械抛光腐蚀研磨等技术，国内在蓝宝石材料的高利 用率低成本加工技术方面尚属刚刚起步，无成功经验可以借鉴，是 困扰我国蓝宝石材料技术发展的技术难题和瓶颈。 综上所述困扰我国航空航天用高品质蓝宝石窗口部件产业化的 主要问题集中在以下几个方面 技术及装备落后。与美国俄罗斯乌克兰等国相比，我国用来 生长晶体的单晶炉大多技术原理方法落后，设备自动化程度低，晶体 尺寸小，质量难以达到光学级水平，材料利用率低，成本高。产品市 场竞争力弱。 蓝宝石材料的低成本高利用率成型及机械加工是技术瓶颈。蓝宝石材料硬度高脆性大，半导体衬底材料加工需要定向精度在 度以内，并且晶轴的偏转方向是固定的，国内传统的蓝宝石加工技术 是采用切割后再滚圆，很难达到国际标准要求的定向表面损伤层厚 度的要求，目前国内的小批量加工技术问题较多，产品质量稳定性 致性差，并且质量检验标准与国际公认标准有明显距离，产能技 术保障等的局限难以争取长久的大用户。 成果转化及规模生产不足。我国在晶体材料方面虽取得了定的 研究成果，但这些成果大多只能提供样品，不能批量生产，难以创造 更高经济效益。即使能够批量生产的产品，但加工尺寸及精度与国外 相比均有较大差距，规模化生产不足，对来自国内外的大订单，般 难以满足供货量和货期的要求。 可见，尽快突破现有高品质蓝宝石材料及其高利用率低成本加工 的技术瓶颈，尽快实现关键窗口及器件的产业化，是未来技术发展的 需求与必然。 产品的市场情况 本项目的产品可广泛应用于民用航天半导体衬底军工 航空航天用大尺寸平板状蓝宝石光电窗口 主要为光学探测器传感器窗口，大尺寸平面镜衬底激光窗口 等，本部分市场年全球需求量为亿美元，国内需求量为万人 民币。随着航空器的高速化智能化多功能的发展，对光电功能材料 的要求也越来越高，传统的光学玻璃窗口已经很难满足使用要求，而 蓝宝石材料在性能方面的独特优势使其成为透波窗口整流罩光电 窗口护板陀螺耐磨轴承等部件不可替代的材料，如利用蓝宝石 材料制备的光电窗口透过率高，可承受各种气动载荷和温升等环境变 化，同时蓝宝石材料属化学稳定性材料，其光电窗口具有耐盐雾霉 菌雨蚀光照等特性，蓝宝石材料耐磨损，其抗砂石和颗粒冲刷的 能力是传统光学玻璃的倍以上，蓝宝石材料的比重是钢铁材料的 左右，其较高的结构强度特性在系统减重方面有着很大的优势。 蓝宝石材料的高温强度高，耐磨性能优异，比重小，性能均匀化 程度高，是航空类轴承的首选材料，据文献报道，国外小型直升机， 民用航空器中蓝宝石轴承占总陶瓷类轴承的比例已经由原来的 提高到年度，市场前景广阔。 根据国家中长期发展规划，未来年内国内民用航空也将会 有较大的发展，直升机大型客机运输机等项目将会有很快的发展， 关键的窗口材料如雷达窗口光电窗口，三光合窗口，光电吊舱 等窗口部件的市场需求量将大于万片，市场价值亿元左右。 主要是大尺寸直径大于的光学级晶体。由于受到知识产权 等限制，目前国内尚无其他公司及实体可供货。 我公司的蓝宝石窗口材料目前已进入航空航天军工领域的市