TWI505993B - α－氧化鋁、用途及相關合成方法及裝置 - Google Patents

Description

α-氧化鋁、用途及相關合成方法及裝置

本發明係關於α -氧化鋁，其尤其適用於製造單晶藍寶石。本發明亦係關於此α -氧化鋁之相關合成方法及裝置。

除佛內伊方法(Verneuil process)外，α -氧化鋁亦以已知方式用於製造單晶藍寶石。為此，可將α -氧化鋁粉末置於坩堝中，加熱至例如1900℃至2400℃之熔點歷時一段預定時間。接著，歷時一段預定時間，使帶有晶體(或晶種)之尖端與熔融α -氧化鋁接觸，以便晶體在熱梯度控制下生長。

已知意欲用作製造單晶藍寶石之原料之α -氧化鋁，其粒度分佈為粒度最大值介於100μ m與小於850μ m之間。

為使製造單晶藍寶石之方法最佳化，將需要相對於由此已知解決方案所獲得之密度增加坩堝中α -氧化鋁之密度。

然而，以α -氧化鋁起始之所用合成方法不可能增加α -氧化鋁之密度，而同時仍具有產生單晶藍寶石所需之特徵。

因此，本發明之目的為克服先前技術之此等缺點。

為此，本發明之一個標的物為純度大於或等於99.99%之α -氧化鋁，其呈尺寸普遍大於或等於850μ m之球狀顆粒 形式。

因此，可將α -氧化鋁載入坩堝中以達到高密度，而在熔融期間不會產生精細顆粒且不會氧化坩堝。

本發明之α -氧化鋁亦可分別地或組合地包含一或多個以下特徵：-該等球狀顆粒之尺寸普遍介於850μ m與2mm之間，-該等顆粒之球度比介於1與2之間，-該等球狀顆粒之比表面積小於或等於1m² /g，-該等球狀顆粒之相對密度大於或等於理論密度3.96g/cc之50%。

本發明亦係關於如先前所定義之α -氧化鋁之用途，其係用於製造單晶藍寶石。

本發明亦係關於一種合成如先前所定義之α -氧化鋁方法，其特徵在於其包含以下步驟：-將γ -氧化鋁粉末置於碳化矽盤中，及-使該粉末經受至少一個CO₂ 雷射束。

該方法亦可分別或組合地包含一或多個以下特徵：-γ -氧化鋁粉末之純度大於或等於99.99%，-γ -氧化鋁粉末之比表面積介於90m² /g與120m² /g之間，-γ -氧化鋁粉末包含尺寸介於15nm與20nm之間的基本顆粒，產生3.5ml/g至4ml/g之孔隙體積且裝填密度介於0.12g/cc與0.25g/cc之間，-γ -氧化鋁粉末以厚度介於1mm與8mm之間的粉末塗 層形式排列，-在該至少一個射束下移動γ -氧化鋁粉末，-γ -氧化鋁粉末在該至少一個射束下之移動速度介於10cm/min與100cm/min之間，-使γ -氧化鋁粉末經受該至少一個射束歷時介於0.3秒與30秒之間的時間段，-該合成方法包括篩分步驟。

本發明亦係關於一種執行如上文所定義之合成方法的裝置，其特徵在於其包含：-用於饋送γ -氧化鋁粉末之構件，-供置放該粉末之碳化矽盤，及-至少一個CO₂ 雷射。

該裝置亦可分別或組合地包含一或多個以下特徵：-該至少一個雷射係固定的，且該盤可移動以便在該至少一個射束下連續輸送γ -氧化鋁粉末，-該可移動盤係製成旋轉圓盤形式，-該盤包含中空凹槽以收納γ -氧化鋁粉末，-該至少一個雷射之波長為約10.6μ m，-該至少一個雷射之功率介於120W與3000W之間，-該至少一個雷射經組態以使得受該至少一個射束影響之區域上該至少一個射束之光點的尺寸涵蓋面積介於0.2cm² 與20cm² 之間，-該裝置包含用於均勻施配置於該盤上之γ -氧化鋁粉末的構件， -該均勻施配構件包含壓輥，-該均勻施配構件包含調平構件，-該裝置包含用於藉由抽吸將所合成之球狀α -氧化鋁顆粒抽出之構件。

α -氧化鋁

本發明係關於高純度α -氧化鋁，更特定言之大於或等於99.99%之高純度α -氧化鋁，其呈球狀顆粒形式以尤其用作製造單晶藍寶石之原料。此等α -氧化鋁顆粒之球度評估可藉由根據關係式(1)計算最大直徑量測與最小直徑量測之比率來執行。

(1)S=d_max /d_min (其中S=球度比，d_max =最大直徑，且d_min =最小直徑)

申請人已發現本發明之α -氧化鋁顆粒之球度比S介於1與2之間。

圖1展示使用電子顯微鏡觀察到之球狀α -氧化鋁顆粒1。標度示於此圖上。

根據本發明合成之球狀α -氧化鋁顆粒1係大的。

特定言之，所合成之本發明α -氧化鋁之顆粒重量分佈展示大部分球狀顆粒1之尺寸大於或等於850μ m，更特定言之介於850μ m與2mm之間。例如藉由根據下文所述之篩分堆疊方法進行乾式篩分獲得顆粒分佈。

此外，此等球狀α -氧化鋁顆粒1之比表面積小於或等於1 m² /g。此比表面積可以已知方式藉由BET法使用液氮加以量測。

此等球狀α-氧化鋁顆粒1之相對密度亦大於理論密度3.96 g/cc之50%。

因此，此等球狀α-氧化鋁顆粒1可以高密度填充於坩堝中，而在熔融期間不會產生精細顆粒且不會氧化坩堝。

下文描述可產生顆粒分佈之篩分堆疊方法。

組織具有不同網孔孔徑之篩網堆疊，具有最大網孔孔徑(例如1600 μm之網孔孔徑)之篩網位於堆疊之頂部，且具有最小網孔孔徑(例如90 μm之網孔孔徑)之篩網位於堆疊之底部。

舉例而言，使用具有以下網孔孔徑之不同篩網：1600 μ、1400 μ、1000 μ、850 u、710 μ、500 μ、355 μ、250 μ、180 μ、125 μ及90 μ。

將例如預定重量為諸如200 g±10 g之球狀α-氧化鋁顆粒1之樣品置於具有最大網孔孔徑之頂部篩網上。

接著藉助於適合機械設備震盪篩網堆疊歷時指定時間，例如10分鐘。

接著取出保留於各篩網上之顆粒，稱重並記錄。

可認為保留於篩網上之顆粒的尺寸介於保留其之篩網之網孔孔徑尺寸與上部篩網之網孔孔徑尺寸之間。換言之，對於穿過網孔孔徑為例如850 μm之篩網且保留於網孔孔徑為例如710 μm之下部篩網上之顆粒，認為此顆粒之尺寸介於710 μm與850 μm之間。

藉由用研究中之保留於篩網上球狀顆粒之質量除以樣品之初始質量計算各篩網上球狀顆粒之比率。

現參考圖2，描述執行該等球狀α-氧化鋁顆粒1之合成方法之裝置3。

執行α-氧化鋁之合成方法的裝置

裝置3包含：

-用於饋入γ-氧化鋁粉末γ之構件5，

-包含供置放γ-氧化鋁粉末γ之中空凹槽8的碳化矽(SiC)盤7，及

-發射雷射輻射束11之至少一個(如圖所示)CO₂ 雷射9。

饋送構件5包含例如如箭頭A所示意性說明之用於收納γ-氧化鋁粉末γ之收納槽5a、無限螺桿(endless screw)5b及在盤7上之γ-氧化鋁粉末γ之施配器5c。

為獲得球狀α-氧化鋁顆粒1之最佳特徵，選擇作為合成本發明之球狀α-氧化鋁顆粒1之原料之γ-氧化鋁粉末γ具有以下特徵：純度大於或等於99.99%、比表面積介於90 m² /g與120 m² /g之間、基本顆粒具有介於15 nm與20 nm之間的尺寸、產生3.5 ml/g至4 ml/g之孔隙體積且裝填密度介於0.12 g/cc與0.25 g/cc之間。

此情況意謂γ顆粒締合成為聚結物。此等聚結物為多孔的。此等聚結物之孔隙體積為3.5 ml/g至4 ml/g。

該γ-氧化鋁粉末例如由Baikowski以名稱Baikalox B 105銷售。

在所示實施例中，盤7為如箭頭B所示意性說明而圍繞旋轉軸旋轉之可移動旋轉圓盤。舉例而言，盤7在凹槽8中以介於10 cm/min與100 cm/min之間的速度旋轉。因此，盤7向受雷射9之雷射束11影響之區域逐漸輸送γ-氧化鋁粉末γ。

根據所述具體實例，雷射9為波長10.6 μm之雷射，功率介於120 W與3000 W之間，且實質上圓形之雷射點涵蓋0.2 cm² 至20 cm² 之區域。

裝置3亦可包含均勻施配置於盤7上之γ-氧化鋁粉末γ之構件13，諸如壓輥或裝填輥。均勻施配構件13可另外或作為變化形式包含用於調平γ-氧化鋁塗層γ之調平構件。

最後，裝置3包含例如藉由抽吸將所合成之球狀α-氧化鋁顆粒1抽出之構件15。

現描述此等球狀α-氧化鋁顆粒1之合成方法的多個步驟。

合成方法

如箭頭A所說明，在預備步驟期間，將γ-氧化鋁粉末γ置放於例如收納槽5a中，其將到達施配器5c處且例如以厚度介於1 mm與8 mm之間的塗層形式施配於旋轉盤7上。

可例如藉助於均勻施配裝置13將此γ-氧化鋁粉末γ壓實及/或整平，以便在γ-氧化鋁粉末γ藉由雷射束11影響時實現最佳合成。

由於盤7之移動，γ-氧化鋁粉末γ在雷射束11下例如以介於10 cm/min與100 cm/min之間的速度逐漸移動，且經受雷射束11歷時介於0.3秒與30秒之間的時段。

由此處理之γ-氧化鋁粉末γ轉化成如先前所定義之球狀α-氧化鋁顆粒1之總成。

接著可例如經由抽出構件15吸入此等球狀α-氧化鋁顆粒1，以便如箭頭C所示意性說明自盤7抽出。

可如先前所述執行此等球狀顆粒之篩分。

接著由此形成之球狀α-氧化鋁顆粒1可充當製造單晶藍寶石之原料。

為更明確地說明球狀α-氧化鋁顆粒1之該合成方法及所獲得之球狀α-氧化鋁顆粒1之特徵，現詳述三個具體實例。

在此等實施例中，將具有以下特徵之γ-氧化鋁粉末γ用作原料：純度大於或等於99.99%、比表面積介於90 m² /g與120 m² /g之間，且包含尺寸介於15 mm與20 mm之間的基本顆粒、產生3.5 ml/g至4 ml/g之孔隙體積且裝填密度介於0.12 g/cc與0.25 g/cc之間。

第一實施例：

對於此第一實施例，將由碳化矽(SiC)製成之旋轉盤7及波長為10.6 μm且功率為1500 W之二氧化碳(CO₂ )雷射9(其中雷射點面積大於25 mm² )用作材料。

將厚度4 mm之γ-氧化鋁粉末γ塗層逐漸沈積於旋轉盤7之凹槽8中。

如先前所述，γ-氧化鋁粉末γ經受雷射束且以10 mm/s之速度穿過雷射點下。

接著獲得呈球狀顆粒1形式之α結晶結構之氧化鋁，其密度為2.12 g/cc，形成為0.16 m² /g之比表面積且由如先前所解釋之篩網堆疊方法量測之顆粒分佈如下：

-對於1600 μm之網孔孔徑，重量百分比為0%，

-對於1400 μm之網孔孔徑，重量百分比為13.1%，

-對於1000 μm之網孔孔徑，重量百分比為47.6%，

-對於850 μm之網孔孔徑，重量百分比為14.2%，

-對於710 μm之網孔孔徑，重量百分比為9.3%，

-對於500 μm之網孔孔徑，重量百分比為7.3%，

-對於355 μm之網孔孔徑，重量百分比為3.2%，

-對於250 μm之網孔孔徑，重量百分比為1.6%，

-對於180 μm之網孔孔徑，重量百分比為1.1%，

-對於125 μm之網孔孔徑，重量百分比為0.9%，

-對於90 μm之網孔孔徑，重量百分比為0.6%，

-對於小於90 μm之網孔孔徑，重量百分比為1.1%。

根據此等結果，顯然顆粒分佈對於大於850 μm之尺寸具有最大值。特定言之，74.9%之球狀α-氧化鋁顆粒1之尺寸大於850 μm。

第二實施例：

對於此第二實施例，將由碳化矽(SiC)製成之旋轉盤7及波長為10.6 μm且功率為1500 W之二氧化碳(CO₂ )雷射9(其中雷射點面積大於25 mm² )用作材料。

將厚度6 mm之γ-氧化鋁粉末γ之塗層逐漸沈積於旋轉盤7之凹槽8中。使γ-氧化鋁粉末γ經受雷射束且以7.6 mm/s之速度穿過雷射點下。

接著獲得呈球狀顆粒1形式之α結晶結構之氧化鋁，其密度為2.12 g/cc，形成為0.12 m² /g之比表面積且由如先前所解釋之篩網堆疊方法量測之顆粒分佈如下：

-對於1600 μm之網孔孔徑，重量百分比為0%，

-對於1400 μm之網孔孔徑，重量百分比為35.7%，

-對於1000 μm之網孔孔徑，重量百分比為28.9%，

-對於850 μm之網孔孔徑，重量百分比為6.7%，

-對於710 μm之網孔孔徑，重量百分比為5.8%，

-對於500 μm之網孔孔徑，重量百分比為7.9%，

-對於355 μm之網孔孔徑，重量百分比為5.2%，

-對於250 μm之網孔孔徑，重量百分比為3.6%，

-對於180 μm之網孔孔徑，重量百分比為2.4%，

-對於125 μm之網孔孔徑，重量百分比為2%，

-對於90 μm之網孔孔徑，重量百分比為1.3%，

-對於小於90 μm之網孔孔徑，重量百分比為0.5%。

此等結果亦展示顆粒分佈對於大於850 μm之尺寸具有最大值。特定言之，71.3%之球狀α-氧化鋁顆粒1之尺寸大於850 μm。

第三實施例：

對於此第三實施例，再次將由碳化矽(SiC)製成之旋轉盤7用作材料，但其中二氧化碳(CO₂ )雷射9之波長為10.6 μm且功率為3000 W，其中雷射點面積大於44 mm² 。

將厚度6 mm之γ-氧化鋁粉末γ之塗層逐漸沈積於旋轉盤7之凹槽8中。使γ-氧化鋁粉末γ經受雷射束且以11.3 mm/s之速度穿過雷射點下。

接著獲得呈球狀顆粒1形式之α結晶結構之氧化鋁，其密度為2.42 g/cc，形成為0.15 m² /g之比表面積且由如先前所解釋之篩網堆疊方法量測之顆粒分佈如下：

-對於1600 μm之網孔孔徑，重量百分比為0%，

-對於1400 μm之網孔孔徑，重量百分比為28.3%，

-對於1000 μm之網孔孔徑，重量百分比為26.3%，

-對於850 μm之網孔孔徑，重量百分比為8%，

-對於710 μm之網孔孔徑，重量百分比為7.6%，

-對於500 μm之網孔孔徑，重量百分比為8.9%，

-對於355 μm之網孔孔徑，重量百分比為5.7%，

-對於250 μm之網孔孔徑，重量百分比為4.5%，

-對於180 μm之網孔孔徑，重量百分比為2.9%，

-對於125 μm之網孔孔徑，重量百分比為2.3%，

-對於90 μm之網孔孔徑，重量百分比為2.3%，

-對於小於90 μm之網孔孔徑，重量百分比為3.5%。

根據此第三實施例獲得之球狀α-氧化鋁顆粒1顆粒分佈亦對於大於850 μm之尺寸展示最大值。特定言之，62.6%之球狀α-氧化鋁顆粒1之尺寸大於850 μm。

在此等實施例中，γ-氧化鋁粉末γ經受波長為10.6 μm且功率介於120 W與3000 W之間的CO₂ 雷射束11歷時介於0.3秒與30秒之間的時間段。

特定言之，波長、功率及γ-氧化鋁γ穿過射束下之時間之此等特徵適用於如先前所述之γ-氧化鋁，亦即具有以下特徵之γ-氧化鋁粉末γ：純度大於或等於99.99%、比表面積介於90 m² /g與120 m² /g之間、基本顆粒具有介於15 nm與20 nm之間的尺寸、締合成孔隙體積為3.5 ml/g至4 ml/g之多孔聚結物，且裝填密度介於0.12 g/cc與0.25 g/cc之間。

該γ-氧化鋁粉末例如藉由Baikowski以名稱Baikalox B 105銷售。

當然，對於具有其他特徵之γ-氧化鋁而言，可設計相同之波長、雷射束功率及穿過時間參數。此等參數亦可能適於獲得球狀α-氧化鋁顆粒α之較佳特徵。

因此，應瞭解，根據如上所述之特定合成方法獲得之本發明球狀α-氧化鋁顆粒1具有適合於製造單晶藍寶石之純度及密度特徵，而同時有可能使以該等顆粒充當原料之製造單晶藍寶石之方法最佳化。

1‧‧‧球狀α-氧化鋁顆粒或球狀顆粒

3‧‧‧裝置

5‧‧‧饋送構件

5a‧‧‧收納槽

5b‧‧‧無限螺桿

5c‧‧‧施配器

7‧‧‧碳化矽盤或可移動盤或旋轉盤

8‧‧‧中空凹槽

9‧‧‧CO₂ 雷射

11‧‧‧雷射輻射束或雷射束

13‧‧‧均勻施配裝置

15‧‧‧抽出構件

A‧‧‧箭頭A

B‧‧‧箭頭B

C‧‧‧箭頭C

γ‧‧‧γ-氧化鋁粉末或γ-氧化鋁塗層

本發明之其他特徵及優點在閱讀作為非限制性說明性實施例給出之以下描述及隨附圖式時將更清晰地顯現，其中：

圖1為本發明之球狀α-氧化鋁顆粒之電子顯微鏡視圖，及

圖2為執行本發明α-氧化鋁之合成方法之裝置的圖示。

1．．．球狀α-氧化鋁顆粒或球狀顆粒

Claims (25)

1. 一種α-氧化鋁結晶結構，其純度大於或等於99.99%，呈尺寸絕大部分大於或等於850μm之球狀顆粒(1)形式，其中顆粒分佈對於大於850μm之尺寸具有最大值，且其中該等球狀顆粒(1)之相對密度大於或等於理論密度之50%且該α-氧化鋁結晶結構的密度介於2.12與2.42g/cc之間。
2. 如申請專利範圍第1項之α-氧化鋁結晶結構，其特徵在於該等球狀顆粒(1)之尺寸絕大部介於850μm與2mm之間。
3. 如申請專利範圍第1項及第2項中任一項之α-氧化鋁結晶結構，其特徵在於該等顆粒之球度比介於1與2之間。
4. 如申請專利範圍第1項之α-氧化鋁結晶結構，其特徵在於該等球狀顆粒(1)之比表面積小於或等於1m² /g。
5. 一種如申請專利範圍第1項之α-氧化鋁結晶結構之用途，其係用於製造單晶藍寶石。
6. 一種如申請專利範圍第1項之α-氧化鋁結晶結構之合成方法，該α-氧化鋁結晶結構純度大於或等於99.99%，呈尺寸絕大部分大於或等於850μm之球狀顆粒形式，其中顆粒分佈對於大於850μm之尺寸具有最大值，相對密度大於或等於理論密度之50%且其中該α-氧化鋁結晶結構的密度介於2.12與2.42g/cc之間，其特徵在於該方法包含以下步驟：-將γ-氧化鋁粉末(γ)置於碳化矽盤(7)上，及 -使該粉末(γ)經受至少一個CO₂ 雷射(9)射束(11)。
7. 如申請專利範圍第6項之合成方法，其特徵在於該γ-氧化鋁粉末(γ)之純度大於或等於99.99%。
8. 如申請專利範圍第6項及第7項中任一項之合成方法，其特徵在於該γ-氧化鋁粉末(γ)之比表面積介於90m² /g與120m² /g之間。
9. 如申請專利範圍第6項之合成方法，其特徵在於該γ-氧化鋁粉末(γ)包含尺寸介於15nm與20nm之間的基本顆粒、產生3.5ml/g至4ml/g之孔隙體積且裝填密度(tamped density)介於0.12g/cc與0.25g/cc之間。
10. 如申請專利範圍第6項之合成方法，其特徵在於該γ-氧化鋁粉末(γ)呈厚度介於1mm與8mm之間的粉末塗層之形式。
11. 如申請專利範圍第6項之合成方法，其特徵在於該γ-氧化鋁粉末(γ)在該至少一個射束(11)下移動。
12. 如申請專利範圍第11項之合成方法，其特徵在於該γ-氧化鋁粉末(γ)在該至少一個射束(11)下之移動速度介於10cm/min與100cm/min之間。
13. 如申請專利範圍第6項之合成方法，其特徵在於使該γ-氧化鋁粉末(γ)經受該至少一個射束(11)歷時介於0.3秒與30秒之間的時間期間。
14. 如申請專利範圍第6項之合成方法，其特徵在於其包含篩分步驟。
15. 一種執行如申請專利範圍第6項之合成α-氧化鋁結 晶結構之方法之裝置，該α-氧化鋁結晶結構的純度大於或等於99.99%，呈尺寸絕大部分大於或等於850μm之球狀顆粒形式，其中顆粒分佈對於大於850μm之尺寸具有最大值，且相對密度大於或等於理論密度之50%且其中該α-氧化鋁結晶結構的密度介於2.12與2.42g/cc之間，其特徵在於該裝置包含：-用於饋入γ-氧化鋁粉末(γ)之構件(5)，-供置放該粉末(γ)之碳化矽盤(7)，及-至少一個CO₂ 雷射(9)。
16. 如申請專利範圍第15項之裝置，其特徵在於該至少一個雷射(9)係固定的，且在於該盤(7)可移動以便將該γ-氧化鋁粉末(γ)連續輸送至該至少一個射束(11)下。
17. 如申請專利範圍第16項之裝置，其特徵在於該可移動盤(7)係製成旋轉圓盤之形式。
18. 如申請專利範圍第15項之裝置，其特徵在於該盤(7)包含收納該γ-氧化鋁粉末(γ)之凹槽(8)。
19. 如申請專利範圍第15項之裝置，其特徵在於該至少一個雷射(9)之波長為10.6μm。
20. 如申請專利範圍第15項之裝置，其特徵在於該至少一個雷射(9)之功率係介於120W與3000W之間。
21. 如申請專利範圍第15項之裝置，其特徵在於該至少一個雷射(9)係經組態使得受該至少一個射束(11)影響之區域上該至少一個射束(11)之光點尺寸涵蓋面積介於0.2cm² 與20cm² 之間。
22. 如申請專利範圍第15項之裝置，其特徵在於其包含用於均勻施配置於該盤(7)上之該γ-氧化鋁粉末(γ)之構件(13)。
23. 如申請專利範圍第22項之裝置，其特徵在於該均勻施配構件(13)包含壓輥。
24. 如申請專利範圍第22項及第23項中任一項之裝置，其特徵在於該均勻施配構件(13)包含調平構件。
25. 如申請專利範圍第15項之裝置，其特徵在於其包含用於藉由抽吸將所合成之球狀α-氧化鋁顆粒(1)抽出之構件(15)。