Лейкосапфир

В отделении НТЦ «ИСТОК» ФГУП «НИИ НПО «ЛУЧ» налажено промышленное производство:

лейкосапфировых труб круглого, овального, прямоугольного, треугольного и другой формы сечений;
монокристаллических пластин различного поперечного сечения;
стержней сплошных и с продольными каналами;
спиральных труб произвольного сечения;
изделий переменного по длине сечения: труб изменяемого диаметра, с поперечными перемычками, с замкнутыми концами (тигли, колпачки, лодочки, ампулы).

Сапфировые изделия получают без механической обработки — непосредственным выращиванием из расплава с применением различных формообразующих устройств и соответствующих температурных режимов и технологических перемещений. Размеры изделий: сечение в пределах окружности диаметром 60 мм, длина до 800 мм, толщинастенок труб от 0,5 до 10 мм, минимальный внутренний диаметр отверстий 1,0 мм. Ширина пластин до 80 мм, толщина до 8 мм, длина до 800 мм.

Профилированные кристаллы лейкосапфира (сапфира, корунда) получают способом Степанова, основанным на использовании капиллярных эффектов: на торце смачиваемого расплавом окиси алюминия формообразователя создается жидкий столбик заданной конфигурации, из которого выращивают сапфировые изделия с поперечным сечением, соответствующим геометрии торца формообразователя.

Процесс выполняется при прецизионном поддержании заданного температурного режима и скорости технологических перемещений, в отсутствие толчков и вибраций в зоне кристаллизации, с постоянным контролем всех параметров выращивания.

Отличительные особенности монокристаллического Al₂O₃ (лейкосапфира)

В сравнении с поликристаллическими аналогами лейкосапфир обладает следующими особенностями:

cовершенство структуры и стабильность свойств;
высокие значения механической прочности, твёрдости и износостойкости;
высокие тепловая и радиационная стойкость, диэлектрические характеристики, инертность в агрессивных средах;
высокая температура плавления (2054°С) и рабочая температура (до 2000°С);
вакуумная плотность;
оптическая прозрачность в широком диапазоне длин волн;
биологическая совместимость.

Эксплуатационные свойства лейкосапфира

Характеристика	Значение
Содержание Al₂O₃, %, не менее	99,99
Температура, ° C плавления рабочая	2054 2000
Плотность, г/см ³	3,97
Твердость по Моосу	9
Предел прочности, МПа на сжатие на растяжение	2450 990
Температурный коэффициент линейного расширения в интервале температур 20-1000 ° C, 10^-6K^-1	7,6
Теплопроводность, Вт/м*град (100° C)	30
Диапазон пропуская длин волн при коэффициенте пропускания 0.8, мкм	0,2-5,0
Удельное электрическое сопротивление, Ом см при 100°C, не менее при 1000°C, не менее	10¹⁴ 10⁷
Напряжение пробоя, Кв/мм, не менее	76

Геометрические характеристики:

Трубы

Ориентация: 0° (ось С) вдоль оси трубы: 60° к оси С

*D, мм	D, мм	L, мм	Допуск на D, мм
*D, мм	D, мм	L, мм	ростовые	обработанные
3,0-12,0	0,6-3,0	до 800	± 0,25	± 0,02 на длине 300нм
12,0-20,0	1,0-4,0	до 800	± 0,25
20,0-30,0	1,0-4,0	до 600	± 0,25
30,0-40,0	2,0-4,0	до 600	±0,25

Пластины, ленты, окна

Ориентация: широкая сторона (1120) – А-plane

*Ширина Ш, мм	Толщина d, мм	L, мм	Допуск, мм
			Ш	d
			Ш	ростовые	обработанные
10,0-60,0	1,0-3,0	до 600	-3,0	± 0,3	± 0,05
20,0-60,0	3,0-4,0	до 400	-3,0	± 0,3	± 0,05
30,0-60,0	4,0-5,0	до 200	-3,0	± 0,3	± 0,05

Колпачки, тигли

Ориентация: 0° (ось С) вдоль оси колпачка (тигля)

*D, мм	D, мм	L, мм	Допуск на D, мм
3,0-10,0	0,6-2,0	до 800	± 0,25
10,0-15,0	1,0-3,0	до 800	± 0,25

Изоляция для термопреобразователей (термопарная соломка)

*Профиль	D, мм	d, мм	L, мм	Допуск на D/d, мм
❶ (1 канал)	3,0-4,0	1,0-1,5	до 800	± 0,2/± 0,1
❷ (2 канала)	4,5-6,0	1,0-1,5	до 800	± 0,2/± 0,1
❹ (4 канала)	7,0-8,0	1,0-1,5	до 800	± 0,2/± 0,1

Стержни

Ориентация: 0° (ось С) вдоль оси стержня: 60° к оси С

*D, мм	L, мм	Допуск на D, мм
*D, мм	L, мм	ростовые	обработанные
3,0-5,0	до 800	± 0,25	± 0,02
5,0-8,0	до 800	± 0,25	± 0,02
8,0-10,0	до 800	± 0,25	± 0,02

Применение:

Наиболее эффективно профилированный лейкосапфир применяется в качестве оптического, высокотемпературного, электроизоляционного, вакуумноплотного высокотемпературопроводного, износостойкого, твердого, химически и радиационностойкого конструкционного материала во многих отраслях промышленности и науки. Чаще всего профилированный лейкосапфир применяется в экстремальных условиях работы, когда возможности других традиционных материалов уже исчерпаны.

Атомная энергетика

В исследовательских реакторах и ядерных энергетических установках при высокой температуре, в условиях радиационно- и химически активных сред, используются конструкционные элементы и металлокерамические узлы из лейкосапфира: трубы, змеевики и другие изделия.
Металлокерамика

Металлоизоляционные вакуумноплотные узлы электроустановок с применением сапфира, способные работать в условиях высоких механических нагрузок, имеют в несколько раз большую стойкость, чем узлы с керамическими изоляторами.
Дозиметрия

На основе легированного профилированного сапфира созданы (совместно с основным разработчиком — УПИ, г. Екатеринбург) детекторы ионизирующих излучений с более высокой чувствительностью, термической и химической стойкостью, широким диапазоном измеряемого уровня излучения, для контроля с большой точностью индивидуальной дозы облучения персонала, а также для мониторинга радиационного загрязнения окружающей среды и территории АЭС.
Лазерная техника

Лампы накачки лазеров с сапфировой оболочкой позволили вдвое повысить КПД, снизить массу и габариты ряда твердотельных лазерных устройств. Выполненные из профилированного лейкосапфира конструктивные элементы твердотельных и газовых лазеров способствуют повышению их удельных энергетических характеристик.
Оптика

Лейкосапфир применяется в качестве линз, окон, иллюминаторов.
Светотехника

В самых экономичных источниках массового освещения
- натриевых лампах высокого давления;
- применение сапфировых газоразрядных трубок вместо керамических повышает светоотдачу ламп на 10- 30%.
- рименение сапфира вместо кварца даёт значительный эффект также в других высокоинтенсивных источниках света.
Лейкосапфир используется при изготовлении светодиодов большой яркости.
Трубы, реакторы, тигли, лодочки, змеевики, сопла, крепежные сапфировые детали могут применяться в узлах аппаратуры для высокотемпературных химических и металлургических процессов с особо чистыми химическими веществами: полупроводниковыми материалами, щелочными металлами, фторсодержащими соединениями и др.
Электротехника и термометрия

Сапфировые трубы с герметизируемыми торцами могут использоваться для создания электропечей на температуру до 2000°С с окислительной или другой химически активной средой. Сапфировые светопроводы, термопарные колпачки и “соломка” позволяют повысить точность и уровень измеряемой температуры, уменьшить инерционность терморегуляторов. Металлоизоляционные вакуумноплотные узлы электроустановок с применением сапфира имеют в несколько раз большую стойкость, чем узлы с керамическими изоляторами, при работе в радиационно- и химически активных средах при высокой температуре.
Износостойкие механические элементы оборудования: сапфировые наконечники пескоструйных аппаратов, направляющие станков электроэрозионной обработки, фильеры и направляющие в производстве проводов и кабелей, нитеводители в производстве синтетических волокон, опоры и подшипники скольжения, в томчисле для работы без смазки, наконечники измерительного инструмента.
Нефте-газодобыча: устьевые штуцера и другие элементы оборудования нефтяных и газовых скважин.
Медицина

Сапфир нейтрален по отношению к крови и тканям человеческого организма, что позволяет использовать его в качестве имплантов в стоматологии, при изготовлении хирургического инструмента, в том числе для глазных операций, в качестве скрепляющих шпилек при сращивании костной ткани после переломов, для искусственных позвонков, а также в качестве наконечников для лазерных установок.
Сувенирная продукция, ювелирная промышленность

Из выращенных кристаллов сложного профиля алмазной обработкой изготавливаются изделия принципиально новых и нетрадиционных форм, авангардного направления.
Часовая промышленность

Изготовление камней, стекол различной формы, корпусов часов.
Машино- и приборостроение

Лейкосапфир используется для изготовления окон считывающих устройств, сканеров, тепловизоров, мобильных телефонов, подложек резисторов, сверхвысокочастотных конденсаторов, призм, конструкционных элементов, в том числе на высокие температуры.