АЛАМБИК А
Телефон: +7 (916) 682-75-40
Телефон: +7 (916) 846-10-36
Факс: +7 (495) 951-79-63
Email: alambik@yandex.ru
Области применения сапфира
Еще за десять веков до нашей эры сапфиры и рубины ценились как драгоценные камни на уровне алмазов. Первое применение искусственных сапфиров также было ювелирным. Однако уже с начала 20-го века сапфир играет все более важную роль в технике. Сейчас трудно представить область науки и техники, где бы ни использовались эти кристаллы. Потребность в сапфире растет из года в год чуть ли не по экспоненте.
Сформировались две основные области применения сапфира: в качестве конструкционного материала с уникальными механическими характеристиками и в качестве оптического материала с не менее уникальными возможностями.
В авиационной, космической технике, химической технологиях и т.д. оборудование или его элементы эксплуатируются при одновременном воздействии агрессивных сред, радиации, высоких температур, давлений и механических нагрузок. В таких экстремальных условиях любые материалы подвержены интенсивной коррозии и эрозии. Высокопрочные сплавы практически исчерпали свои возможности.
Структура поликристаллических материалов, а, следовательно, и их механические свойства в экстремальных условиях существенно изменяются вследствие рекристаллизации, коррозии по границам зерен и т.д. Скорость диффузии по границам блоков растет с увеличением температуры, дозы радиации и времени эксплуатации. В результате материал разрушается. Деталям и узлам из сапфира эти недостатки присущи в значительно меньшей мере.
Часовые камни — исторически первая техническая область применения искусственных кристаллов корунда. Еще в 1704 г. математики из Женевы Debraute и Fatio предложили применять в часовых механизмах драгоценные камни, но реализовать идею в то время было экономически нецелесообразно. Как только промышленность освоила выпуск рубина, им заинтересовались известные швейцарские часовые фирмы "Брегет", "Денис Блон-дель", "Луи Одемар", т.к. они могли получать доступный по цене и стабильного качества твердый и износостойкий материал для узлов трения.
Коэффициент сухого трения пары рубин-сталь при давлении на опору 3,7 ГПа составляет 0,25, причем коэффициент трения искусственного рубина по стали ниже, чем у природного и стабильнее. Совместно с часовщиками авторы проверяли часовой механизм с рубиновыми элементами в узлах трения, проработавший непрерывно 50 лет, и не обнаружили ни малейшего износа рубиновых деталей
Заводы точных технических камней ежегодно изготавливают для часов и других точных приборов миллиарды рубиновых и лей-косапфировых деталей. В механических часах в качестве подшипников используются плоские камни с цилиндрическим отверстием, с масленкой (сферическим углублением), камни балансовые плоские или сферические с нецилиндрическим отверстием и масленкой. Опорами для осей служат накладные сферические камни. Для надежного функционирования анкерного спуска применяются палеты входа и выхода. Импульсы от анкерной вилки к балансу передаются через камни-эллипсы.
Часовые камни традиционно делают из темно-красного рубина. Традиция берет начало от времен, когда часы собирались вручную. Красные камни хорошо видны и меньше утомляли зрение. Часовые "стекла" из лейкосапфира и светлоокрашенных сапфиров применяют все известные производители качественных часов. Это не мода. На таких "стеклах" вы не увидите царапин.
Приборные камни из сапфира и рубина наиболее надежны. Серийно в больших количествах изготавливаются сапфировые подпятники — опоры осей механизмов, которые должны непрерывно работать десятки лет (счетчики воды, газа и т.п.). Подпятники делают плоскими или снабжают коническими кратерами разной формы. Подшипники скольжения делают в виде втулок с цилиндрическими и нецилиндрическими отверстиями. Разрабатываются и более крупные подшипники для двигателей, насосов перекачки агрессивных жидкостей и газов и др.
Главные требования к сапфировому подшипнику — однородность и износостойкость могут удовлетворить только искусственные сапфиры, т.к. природные кристаллы той же однородности, что и искусственные, почти не встречаются. Неоднородность камня приводит к повышенному износу пары трения, поэтому ресурс подшипников из искусственного сапфира выше.
Точность рычажных весов зависит от остроты призм, на которых балансируют рычаги. Для весов выпускаются сапфировые призмы с углом при вершине 35°.
Износостойкие детали из сапфира не знают себе равных. На автоматических линиях по изготовлению деталей машин размеры контролируются автоматически с помощью щупов. Контактную часть щупов делают из сапфиров или рубинов в форме сфер, полусфер, конусов, цилиндров.
Высокой износостойкостью должны обладать фильеры. Сапфировые и рубиновые фильеры применяют для изменения диаметра золотой, алюминиевой и серебряной проволоки.
Стальные сопла мощных пескоструйных аппаратов изнашиваются за одну рабочую смену, сапфировые выдерживают до 30 смен. Одна из современных технологий резки керамик, твердых сплавов, горных пород и опасных изделий (например, ядерных боеголовок, боевых ракет, газовых баллонов) — резка водной струей. Качество реза и производительность гидромонитора зависят от стабильности размеров сопла. Сапфировые струеобразующие сопла в ряде случаев с успехом заменяют твердосплавные аналоги.
Сапфировые нитеводители коррозируют и истираются синтетическими нитями в скоростных ткацких станках несравненно медленнее стальных или стеклянных. Изготавливают прямые и изогнутые под разными углами пластическим деформированием нитеводители. Разновидность нитеводителей — пропускное кольцо спиннинга. От него требуется высокая теплопроводность (при плохом отводе тепла леска изнашивается быстрее) и износостойкость. Поэтому ведущие фирмы — изготовители спиннингов это кольцо делают из хорошо полированного сапфира.
Станки для электроэрозионной обработки твердых сплавов комплектуются сапфировыми направляющими. Несколько сапфировых стержней с канавками для нити устанавливаются в виде колодца. Канавка направляет вольфрамовую нить, движущуюся с большой скоростью.
Резцы сапфировые предназначены для чистого и тонкого точения меди, алюминия и их сплавов, а также неметаллических материалов. По сравнению с твердосплавными аналогами резец при плавной подаче обеспечивает большую точность обработки и на класс выше чистоту поверхности. Сапфировые микрорезцы применяют в микроприборостроении.
Конструкционные сапфировые элементы используются в технике выращивания других кристаллов.
Подложки — одна из наибольших областей конструкционного применения сапфира. Используются для эпитаксии полупроводниковых (Si, GaN, AlGaN и многих других) пленок и изготовления интегральных схем. Достоинства сапфировой подложки— инертность, возможность работы при высоких температурах и механических нагрузках, возможность получения подложек больших размеров. Поэтому их применяют даже, когда параметры решетки не совсем совпадают с параметрами гетероэпитаксиальных структур.
Для удобства позиционирования подложки снабжают одной или двумя дополнительными (маркировочными) боковыми плоскостями.
На базе синих светодиодов выпускаются источники белого света, предназначенные для замены ламп накаливания и люминесцентных ламп. Новые источники света во много раз более экономичны и имеют в десятки раз больший срок службы.
Сапфировая химическая посуда в форме тиглей, лодочек, мензурок, корпусов реакторов и т.д. стала применяться после разработки метода выращивания сапфировых профилей.
Благодаря высокой коррозионной и эрозионной стойкости сапфировые изделия могут применяться в особо чистых химических и металлургических процессах, когда в получаемом продукте не допускаются даже следы материала посуды, а также при диспергировании твердых материалов. Для помола изготавливают детали дезинтеграторов, мелющие тела (шары, цилиндры), ступки, пестики и т.д.
При спектроскопии горячих фторидных расплавов нет альтернативы сапфировым прямоугольным кюветам.
В ряде химических процессов сапфировые изделия успешно заменяют платиновые.
Капилляры сапфировые разработаны для исследования микро взрывов, выращивания биокристаллов, микро дозаторов и других применений. За несколько лет технологических исследований, проводимых в этом направлении, диаметр капиллярного канала уменьшен с одного до 0,4 мм.
Волокна сапфировые используются для создания композиционных материалов, они упрочняют металлические и керамические композиты. Главное требование к волокнам — прочность и экономическая доступность. Для композитов выращивают волокна диаметром 0,4—0,7 мм. Длина волокон должна быть в пределах ~10 диаметров. Покрытие толщиной 4—6 мкм SiC0 дд О0 01 увеличивает прочность волокон Конечно, в составе композита прочностные характеристики волокон могут измениться из-за взаимодействия с матрицей. Такие изменения характерны для термостойких композитов на основе Ni-матриц.
Кроме волокон для волокнистых композитов выращивают сапфировые усы диаметром порядка 1-10 мкм. Прочность усов при температурах до 1270 К выше, чем у объемных кристаллов. Средняя прочность усов уменьшается от 950 кг/мм2 при комнатной температуре до 150 кг/мм2 при 1870 К. Армирование сапфировыми усами увеличивает прочность Ag матрицы в 5 раз, причем композит сохраняет значительную прочность при 0,9ТПЛ матрицы. Предел прочности композита, состоящего из 83,7% порошка алюминия, 6,3% порошка кремния и 10% сапфировых усов, спрессованных при 810 К, достигает 67,5 кг/мм2 (без усов предел прочности составлял 33,5 кг/мм2).
Из сапфировых усов изготавливают высокотемпературные (до 2270 К) теплоизоляционные маты с плотностью 0,02 г/см3.
Дисперсионно упрочненные композиты состоят из матрицы (например, алюминиевой), упрочненной более тугоплавкими и прочными частицами (например, корундовыми). В А1 или Ni матрицу вводят 2,5-10 %масс мелкодисперсных корундовых частиц.
CD-диски изготавливают из поликарбоната. Предполагается, что для длительного хранения ответственной информации в недалеком будущем будут разработаны сапфировые диски.
В оптических изделиях используют сапфир различного оптического качества.
Окна сапфировые диаметром от миллиметров до сотен миллиметров применяются в устройствах, работающих на земле, под водой и в космосе в широком интервале давлений и температур — от криогенных до высоких. Конструкция предназначена для эксплуатации при температурах от криогенных до 720 К и давлении, как внутреннем, так и внешнем. Сапфиром стали заменять окна считывающих штрих-код кассовых аппаратов.
Окна с клином, 1° и 3° применяют в лазерной технике как частично отражающие зеркала или призмы для управления лазерным лучом.
Линзы и призмы сапфировые используют в экстремальных условиях, где стеклянные аналоги не выдерживают, или из-за более высокого показателя преломления сапфира.
Световоды сапфировые в составе установки непрерывного контроля температуры дают наиболее объективную информацию о состоянии расплава плавильных, раздаточных и миксерных печей. Могут эксплуатироваться в расплавах сталей и сплавов, в сильно агрессивных расплавах. Ни один оптический материал не сохраняет оптические свойства и работоспособность в расплавах чугуна и сталей кроме сапфира. Световод пропускают сквозь футеровку печи так, чтобы один конец был в расплаве, а второй — снаружи футеровки. Интенсивность свечения световода пропорциональна температуре расплава. Далее тепловое излучение преобразуется пирометрическим преобразователем в сигнал для системы автоматического регулирования температуры. Для повышения прочности сапфировый стержень вклеивают высокотемпературным керамическим составом в керамическую трубу, и такой блок устанавливают в футеровку . В составе блока световоды отрабатывают весь технологический цикл до смены футеровки. Световод диаметром 4 мм выдерживает в расплаве золота нагрев до 2070 К и охлаждение со скоростью 2 град/сек.
Наименьшие потери на поглощение и рассеяние света, естественно, у лейкосапфира. Но световой поток из металлургической печи настолько интенсивен, что на нем можно не экономить. Если световод изготовить из лейкосапфира с рубиновым наконечником и наконечник ввести в расплав, то увеличивается точность измерения: интенсивность проходящего света по-прежнему пропорциональна температуре, но добавляется люминесценция хрома, интенсивность которой тоже используется для измерения.
Фокусирующие конусы, фоконы — одна из разновидностей световодных устройств. Сапфировыми фоконами излучение мощной ксеноновой лампы преобразовывают в точечный или линейный источник ("световой нож"). Для преобразования в линейный источник рассчитана форма входного торца перераспределяющая соответствующим образом световой поток.
Для повышения фотостойкости фокона к мощному УФ-излучению кристалл насыщают анионными вакансиями. При длительной эксплуатации в кристалле может появиться наведенное поглощение и температура выходного торца снизится. Отжиг в восстановительных условиях полностью восстанавливает оптическое качество изделия.
В ряде случаях для измерения температуры проще применять традиционные термопары, но в агрессивной среде они быстро выходят из строя.
Термопарные чехлы из сапфира в виде трубки с герметичным дном надежно защищают металлические термопары от агрессивных сред.
Мениски ("колпаки") сапфировые в виде полусфер — головки ракет самонаведения по ИК-излучению.
Сапфир здесь используется благодаря сочетанию достаточного пропускания в диапазоне 3—5 мкм с механической прочностью. От шероховатости наружной поверхности зависит температура работающего изделия, а, следовательно, величина пропускания и точность наведения.
Оболочки ламп из сапфира в натриевых лампах высокого давления конкурируют с поликристаллическими оболочками. Границы зерен в поликристалле облегчают диффузию натрия (коэффициент диффузии вдоль границ зерен при рабочих температурах превышает коэффициент диффузии в объеме примерно на три порядка), снижая ресурс. Поликристаллические оболочки дешевле, но сапфировые прозрачнее, потребляют меньше энергии, имеют больший ресурс и более высокую стабильность светового потока.
Используемые для накачки твердотельных лазерных элементов лампы с кварцевыми оболочками также имеют ряд недостатков. Сапфировые оболочки имеют большую теплопроводность и прочность, у сапфира несоизмеримо выше стойкость к щелочным металлам. Лампы с сапфировыми оболочками выдерживают более высокие температуры.
Сапфировые корпуса ламп, ячеек поглощения, фильтров атомных (рубидиевых) стандартов частоты повышают характеристики прибора — уменьшают относительное изменение частоты в зависимости от времени работы и атмосферного давления, снижают потребляемую мощность, увеличивают время наработки прибора на отказ.
Высокая теплопроводность позволяет с помощью сапфировых оболочек, размещаемых на лазерных элементах из материалов с низкой теплопроводностью, отводить от них тепло.
Прозрачные сапфировые оболочки способны защитить от окисления или агрессивной среды Мо-нагреватели.
Рентгеновский интерферометр типа Fabry-Perot вначале был предложен с использованием в качестве рентгеновских решеток кристаллов кремния. Затем потребовались кристаллы, более стабильные в широком диапазоне температур и давлений, и разработчики остановились на сапфире. Ожидается, что создание таких интерферометров приведет к появлению новой генерации рентгеновских оптических приборов — фильтров, рентгеновских часов, а главное — нового способа измерения атомных шкал, т.е. высокопрецизионного стандарта длины [18]. Следующим шагом может быть создание приборов на базе синхротронного излучения. Для такого класса прецизионных приборов нужны решетки (зеркала) из бездислокационного сапфира.
Сцинтилляторы на основе сапфира по механическим и оптическим характеристикам являются перспективным материалом для регистрации а- и ^-частиц, а также низкоэнергетического рентгеновского излучения.
Лазерные элементы изготавливают из наиболее однородных кристаллов рубина и легированного сапфира.
Рубин был первой твердотельной активной средой, заработавшей в 1960 г. Содержание Сг3+ задается в довольно узком диапазоне (0,018-0,05 % масс). Типичные размеры лазерных элементов: d = 5-10 мм, I = 60-200 мм. Лазеры на рубине применяются в импульсной голографии, медицине и лазерных технологиях. В импульсной голографии используют крупные рубиновые элементы повышенной однородности. Так, на элементах РЛП 8x120x180 с накачкой 4-мя лампами разработана установка для голографической интерференции, работающая в режиме генерации парных импульсов Управление интервалами между импульсами с помощью разновременных вспышек ламп накачки позволяет исследовать лазером резонансные колебания вращающихся объектов. Серийные устройства используют для об работки алмазов, керамики, рубиновых и сапфировых подшипников скольжения и т.д. Технологические рубиновые лазеры генерируют без заметной деградации десятки миллионов импульсов, мощные силовые лазеры — тысячи импульсов. Преимущества рубина — высокая импульсная мощность излучения, механическая прочность, хорошая фотоустойчивость к излучению ламп накачки.
Рубиновый элемент охлаждают жидкостью. Надежность уплотнений увеличивается при их расположении вне активной (рубиновой) части элемента. Для этого выращивают рубины с лейко-сапфировыми наконечниками. Стандартные длины наконечников 5, 20 и 30 мм.
Сапфир становится перспективным материалом для перестраиваемых лазеров при легировании элементами, имеющими широкие полосы поглощения и широкопольное свечение. В этом плане наибольший интерес представляют: Ti3+, Cu2+, V3+, Ni2+, Co2+, Co3+, Mn2+. Из Зс1-элементов у титана наиболее широкий спектр люминесценции.
Всё новые области применения сапфира появляются буквально ежедневно.