Общие сведения

Сапфир является монокристаллом оксида алюминияAl2O3. Сапфир имеет исключительные физические (оп-тические, механические, диэлектрические итепловые) и химические свойства по сравне-нию с другими оптическими материалами. Поэтой причине сапфир пользуется большимспросом для многих научных, промышлен-ных и военных отраслей.Сапфир — это второй самый твердый мате-риал в природе после алмаза. Он обладаетвысокой твёрдостью, стойкостью к истира-нию и коррозии, долговечностью в условияхэкстремального давления и температуры,биосовместимостью и химической инерт-ностью.

Сапфир — это материал, который является идеальнымдиэлектрическим подложечным материалом для изго-товления электронных устройств.Возможность изготовления в различных фор-мах и размерах и его уникальные кристал-лические и физические свойства делают егопреобладающим материалом для изготов-ления светодиодов.Сапфир прозрачен от 180 нм до более 5500нм. Это широкое окно прозрачности делаетсапфир одним из лучших материалов в оп-тике.

Сравнительная таблица

Physical properties of single crystal Sapphire

Chemical Formula

Al2O3

Structure

hexagonal-rhombohedral

Molecular weight

101.96

Lattice Constants Å

a=4.765, c=13,000

Density (g/cm3)

3.98

Hardness

9 Mohs
1800 knoop parallel to C-axis
2200 knoop perpendicular to C-axis

Water Absorption

nil

Young Modulus (Gpa)

379 at 30° to C-axis
352 at 45° to C-axis
345 at 60° to C-axis
386 at 75° to C-axis

Shear Modulus (Gpa)

145

Bulk Modulus (Gpa)

240

Bending Modulus/
Modulus of Rupture (MPa)

350 to 690

Tensile strength (MPa)

400 at 25°C
275 at 500°C
345 at 1000°C

Elastic Coefficients

C11=496, C12=164, C13=115, C33=498, C44=148

Apparent Elastic Limit (MPa)

448 to 689

Flexural Strength (GPa)

2.5 - 4.0

Poisson ratio

0.25 - 0.30

Friction Coefficient

0.15 on steel
0.10 on sapphire

Abrasion resistance

8 times higher than steel

Thermal properties

Melting Point (°C)

2040

Maximum use temperature (°C)

1800

Specific Heat J/(kg × K)

105 at 91 K
761 at 291 K

Thermal coefficient of linear expansion at 323 K (K-1)

6.66 × 10-6 parallel to optical axis
5 × 10-6 perpendicular to optical axis

Thermal conductivity (W/m °K) at 20° C

41.9

Thermal Expansion (20 - 1000°C)

Parallel to C-axis: 9.03 × 10-6°C
Perpendicular to C-axis: 8.31 × 10-6°C
60° to C-axis: 8.4 × 10-6°C

Optical properties

Transmission Range

0.2 - 5.5 microns

Transmission (thickness of disc 1mm)

Visible light

>85%

Infrared

0.75 to 5 µm

85%

5.5 µm

70%

Ultraviolet

400 - 300 nm

80%

280 nm

60%

200 nm

50%

Reflection loss

14% at 1 micron (2 surfaces)

Restrahlen Peak

13.5 microns

dN/dT

+13 × 10-6°C

Electrical properties

Resistivity, Ohm·cm at 20-500° C

1011 - 1016

Dielectric Constant

11.5 parallel to C axis
9.4 perpendicular to C axis

Dielectric strength (V/cm)

4 × 105

Loss Tangent

10-4

Stability parameters

Solubility

In water

insoluble

In HNO3, H2SO4, HCl, HF

insoluble up to 300° C

In alkalis

insoluble up to 800° C

In melts of metals: Mg, Al, Cr, Co, Ni, Na, K, Bi, Zn, Cs

insoluble up to 800 - 1000° C

Radiation stability

No change in transmission above 2.5 micron after exposure to 107 Rads.
No visible coloration after exposure to 108 Rads/hr for 60 minutes at -195° C

Proton radiation stability

No change in transmission below 0.3 micron after exposure 1012 proton/cm2 total dose.

Properties of sapphire82 КБ
R Plane A Plane C Plane a 3 a 1 a 2 C Axis Typical Orientation
Rokor Cо., Ltd. has developed a precise method of grading Kyropulos (KY) sapphire based on determination of light scatter levels.
For all grades of KY sapphire:
  • Appearance: Colorless
  • Purity: ≥ 99.996%
  • UV stability: no coloration at UV irradiation
  • NO cracks
  • NO inclusions, block marks and twins visible under polarized light
Light scatter grading

Grade

Application (reference)

Bubbles / Dispersion Centers

Accumulations of Bubbles

Size, µm

Min distance between each, mm

Σ size,

µm/cm³

Admissible quantity,

1/ cm³

Size, µm

Min distance between each, mm

Admissible quantity,

1/ cm³

Optical Grade

1

High power laser

No Bubbles / Dispersion Centers

2

Laser

< 10

10

50

2

No

3

Premium optical

< 20

10

100

2

No

4

Standard optical

20-50

< 20

10

2

200

No limit

2

No limit

No

4 a

LED & Semiconductor

< 200

20-50

< 20

50

10

2

200

No limit

4

No limit

300

20

1

4 b

View ports & Large size parts (>150mm)

Bubbles must be not visible to the naked eye under normal day light.

Mechanical Grade

5

Wafer carriers

< 200

20-50

< 30

20

10

2

200

No limit

2

No limit

500

10

1

5 a

Mechanical & Isolator

< 200

20-50

< 30

20

10

2

200

No limit

2

No limit

1000

5

5

5 b

Test of equipment & cutting tools

< 500

< 200

20-50

< 30

20

20

10

2

200

No limit

2

No limit

2000

2.5

10

NOTE:bubbles above are maximum case scenarios; typically material is largely free of inclusions

Inspection method for crystal defects:

  • Polarized light
  • Cold light source (high intensity light)

The Rokor Staff will help you choose the most economical sapphire grade to satisfy your surface quality, transmitted wave front error and transmission requirements.

Rokor's Grading System for Kyropulos Sapphire78 КБ