[发明专利]一种多成分掺杂的蓝宝石材料及其制备方法和应用

说明书

技术领域

本发明涉及一种晶体材料，具体涉及一种多成分掺杂蓝宝石材料及其制备方法和应用。

背景技术

目前，智能手机已经成为最重要的信息传播工具。背板作为手机的重要组成部分，其材质要求具备良好的力学性能、导热性和介电性能。随着5G无线通讯技术发展，信号传输进入高频时代，手机天线将会采用阵列形式，要求背板材料具有良好的透波性能，因而背板材料必须具有低反射率、低介电常数、低介电损耗。

目前手机背板材料包括金属、玻璃以及氧化锆陶瓷等，这些材料都有局限性。金属背板对高频信号有屏蔽作用，且不利于无线充电，目前已经被主流厂商弃用。玻璃是现阶段的主流背板材料，具有良好的透波性能，但是导热性能较差，且彩色化工艺比较复杂。氧化锆陶瓷由于介电常数大、反射率高，透波性能较差，且导热性能较差，不利于手机散热设计。

蓝宝石俗称刚玉，具有优良的力学、光学、热学、介电性能，是一种综合性能优良的结构、功能一体化材料。作为背板应用，蓝宝石具有高强度、高硬度、高热导率特性，而且具有优良的透波性能：蓝宝石反射率较低、介电常数适中(9.3-11.5)，介电损耗很低(10^-5)，高频条件下电磁波损耗很小。

直接采用蓝宝石作为手机背板，主要不足有两点。纯的Al₂O₃(蓝宝石主要成分)是无色透明的且断裂强度为450MPa左右(用INSTRON-1195的万能试验机三点弯曲法测得断裂强度，测试尺寸为4mm×40mm×3mm，试样5件)，而手机背板需要一定的颜色和较大的断裂强度，纯蓝宝石一般通过在表面进行处理变成复合材料来进行上色和改性，但这样处理会损失背板材料最重要的透波能力(接收信号能力)。专利201510222118.3“一种彩色氧化铝宝石单晶的生长方法”将氧化铝与致色剂放在坩埚中通过多次融化加热过程制得混合坯料，后用泡生法制得彩色氧化铝单晶。但多次融化加热过程会使所获坯料中加入额外的杂质。因此蓝宝石手机背板需要进一步增韧和更加稳定的掺杂变色方法。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是提供了一种多成分掺杂的蓝宝石材料及其制备方法和应用。该方法在掺杂材料中加入高纯石墨粉，并将所有原料在行星球磨机上混合研磨，取出后冷干压成型后烧结得到烧结料，该烧结料可应用于多种晶体生长方法制备蓝宝石晶体，该材料具有耐高温、抗腐蚀、高硬度、介电常数低、介电损耗小、透波率高、散热良好的特点，之后使用加工设备可以制得具有色彩丰富和观赏性高等优点的手机背板。

本发明解决所述技术问题采用的技术方案如下：

一种多成分掺杂的蓝宝石材料，该材料的原料组成包括掺杂改色成分、掺杂增韧成分和高纯度Al₂O₃；其质量百分比为：掺杂改色成分为0.1-4％，掺杂增韧成分为0.1-0.3％，余量为高纯度Al₂O₃；所述的掺杂改色成分为高纯TiO₂、高纯Fe₂O₃、高纯Cr₂O₃、高纯NiO、高纯V₂O₅中的一种、两种或三种；所述的掺杂增韧成分为高纯石墨粉；

其中，所述的高纯Al₂O₃纯度为99.999％；

所述的高纯TiO₂、高纯Fe₂O₃、高纯Cr₂O₃、高纯NiO、高纯V₂O₅和高纯石墨粉的纯度均为99.99％。

所述的蓝宝石材料的断裂强度600～700MPa、透波率为80～87％(0.5～1mm)、莫氏硬度9级。

所述的多成分掺杂的蓝宝石材料的制备方法，包括以下步骤：

(1)原料混合：将所有原料在行星球磨机上70-120r/min转速混合研磨24-48h，取出后冷干压成型后烧结10-18h，得到烧结料；

(2)制备蓝宝石晶体，为以下三种方法之一：

方法一：