. Synthetische Saphir-Scheiben oder Komponenten sind flache, runde, viereckige, quadratische Scheiben oder formfreie Komponenten aus synthetischem Saphir, einem künstlich hergestellten Kristall aus Aluminiumoxid (Al2O3). Synthetische Saphir-Scheiben/ -Komponeneten werden in der Regel durch das Czochralski-Verfahren hergestellt. Dabei wird ein kleiner Kristall aus Saphir in einem geschmolzenen Aluminiumoxid-Tiegel geschmolzen und dann langsam herausgezogen, während es sich gleichzeitig dreht. Durch diese Kristallzüchtung entsteht ein zylinderförmiger Kristall, der anschließend in Scheiben geschnitten wird. . Synthetische Saphir-Scheiben haben folgende Eigenschaften: - Saphir-Scheibe ist mit einer Mohs-Härte von 9 nach Diamant das zweithärteste Material der Welt. - Saphirscheibe ist transparent und lässt Licht im sichtbaren und infraroten Bereich durch. - Saphirscheiben haben eine hohe Schmelztemperatur von 2050 °C und ist daher sehr hitzebeständig. - Saphir-Scheiben sind beständig gegen die meisten Chemikalien. - Saphirscheibe ist korrosionsbeständig und rostet nicht. . Saphir-Scheiben werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, z. B.: Uhrengehäuse und Uhrengläser: Saphirglas wird häufig in hochwertigen Uhren verwendet, da es extrem kratzfest ist. Im Gegensatz zu normalem Glas oder Kunststoff, die leicht zerkratzen können, behält Saphirglas seine Klarheit und Ästhetik über lange Zeiträume hinweg bei. Smartphone-Displays: Die hohe Härte und Kratzfestigkeit von Saphirglas machen es zu einem idealen Material für Smartphone-Displays. Benutzer müssen sich keine Sorgen um Kratzer durch alltägliche Nutzung machen, was die Langlebigkeit des Bildschirms erhöht. Optische Fenster und Linsen: Saphirglas bietet eine außergewöhnliche optische Klarheit, die in vielen Anwendungen wichtig ist, z. B. in der Laser-, Medizin-, und Bildverarbeitungsindustrie. Seine Transparenz und geringe Absorption machen es ideal für optische Systeme, wo Präzision und Bildqualität entscheidend sind. Schutzabdeckungen für Kameras: Die Härte von Saphirglas bietet einen ausgezeichneten Schutz für Kameraobjektive, insbesondere in Umgebungen, in denen sie hohen Belastungen ausgesetzt sind. Dies hilft, die Bildqualität zu erhalten und teure Reparaturen zu vermeiden. Sensorabdeckungen in der Luft- und Raumfahrt: Saphirglas ist aufgrund seiner hohen Festigkeit, Härte und Beständigkeit gegenüber extremen Temperaturen ideal für den Einsatz in Luft- und Raumfahrtanwendungen. Es schützt Sensoren vor Beschädigungen und bietet eine klare Sicht für die Erfassung von Daten. Wissenschaftliche Instrumente: In Laboratorien und Forschungseinrichtungen wird Saphirglas aufgrund seiner chemischen Beständigkeit und Stabilität in aggressiven Umgebungen eingesetzt. Es ist beständig gegenüber Säuren, Laugen und anderen chemischen Substanzen, was es für verschiedene Experimente und Analysen geeignet macht. In all diesen Anwendungen bietet Saphirglas eine Kombination aus Härte, Kratzfestigkeit, optischer Klarheit und chemischer Beständigkeit, die es zu einem vielseitigen Material für eine Vielzahl von anspruchsvollen Anwendungen macht.
. Synthetische Saphir-Scheiben bieten folgende Vorteile gegenüber natürlichen Saphir-Scheiben: Höhere Qualität: Synthetische Saphir-Scheiben sind in der Regel von höherer Qualität als natürliche Saphir-Scheiben, da sie frei von Einschlüssen und Verunreinigungen sind.
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. Eigenschaften Zusammenfassend:
Der syntethische Saphir besitzt hervorragende Eigenschaften: • exzellente Transmission (durchlässig im breiten Spektrum - von UV bis IR) • inert und bestens beständig gegen aggressive Medien • hervorragende Wärmeleitfähigkeit (besonders in Kryotemperaturen) • ebenfalls hervorragende Wärmebeständigkeit und Beständigkeit gegenüber thermischen Schocks • brillante Kratz- und Abriebfestigkeit • beste Korrosions- und Abrasionsbeständigkeit • extreme Härte (nach dem Diamanten das härteste Material!) • beste elektrische Eigenschaften (hoher elektrischer Widerstand, große Dielektrizitätskonstante)
. Die Kombination aus hohem E-Modul, extremer Härte, ausgezeichneten optischen Eigenschaften sowie mechanischer und chemischer Belastbarkeit bietet kristallklare Vorteile für Saphir gegenüber herkömmlichen Gläsern oder Keramik.
. Eigenschaften Ausführlich:
. Kristalline Struktur von Saphir-Scheiben Saphir ist ein trigonaler Kristall, d. h. seine Kristallstruktur gehört zum trigonalen Kristallsystem. Das Kristallsystem wird durch drei gleich lange Achsen definiert, die sich in einem Winkel von 120° schneiden. Die Elementarzelle von Saphir besteht aus zwei Aluminiumatomen und sechs Sauerstoffatomen. Die Aluminiumatome befinden sich in der Mitte der Elementarzelle und die Sauerstoffatome sind an den Ecken angeordnet. Die Kristallstruktur von Saphir ist sehr stabil und erklärt viele seiner einzigartigen Eigenschaften, wie z. B. seine Härte, Lichtdurchlässigkeit und Wärmebeständigkeit. Saphirscheiben können als Einkristalle oder Polykristalle hergestellt werden. Einkristalle bestehen aus einem einzigen, durchgehenden Kristallgitter, während Polykristalle aus vielen kleinen Kristallen bestehen, die zufällig miteinander verbunden sind. Einkristall-Saphirscheiben sind in der Regel von höherer Qualität als Polykristall-Saphirscheiben, da sie keine Korngrenzen haben, die die Materialeigenschaften beeinträchtigen können. Einkristall-Saphirscheiben sind jedoch auch teurer und schwieriger herzustellen. Saphirscheiben können in verschiedenen Richtungen geschnitten werden, was die Eigenschaften der Scheibe beeinflussen kann. Die am häufigsten verwendete Orientierung ist die c-Orientierung, bei der die Kristallachse senkrecht zur Oberfläche der Scheibe steht.
. Schmelzpunkt von Saphir-Scheiben Der Schmelzpunkt von Saphir-Scheiben liegt bei 2050 °C. Dies ist eine extrem hohe Temperatur, die deutlich über der Schmelztemperatur der meisten anderen Materialien liegt. Die hohe Schmelztemperatur von Saphir macht es zu einem idealen Material für Anwendungen, die hohen Temperaturen ausgesetzt sind. Faktoren, die den Schmelzpunkt beeinflussen: - Reinheit: Die Reinheit des Saphirs hat einen Einfluss auf den Schmelzpunkt. Je reiner der Saphir, desto höher der Schmelzpunkt. Vergleich mit anderen Materialien: - Diamant: Diamant hat den höchsten Schmelzpunkt aller bekannten Materialien (3550 °C) Bedeutung des Schmelzpunktes: Der hohe Schmelzpunkt von Saphir-Scheiben ist für viele Anwendungen von großer Bedeutung. Beispielsweise werden Saphir-Scheiben in der Halbleiterindustrie als Substrat für die Herstellung von Galliumarsenid (GaAs)-Halbleitern verwendet. GaAs-Halbleiter werden in Hochleistungs-Elektronik eingesetzt, die hohen Temperaturen ausgesetzt sein können.
. Wärmeausdehnungsindex von Saphir-Scheiben Der Wärmeausdehnungsindex von Saphir-Scheiben ist ein Maß dafür, wie stark sich die Scheibe bei Temperaturänderungen ausdehnt. Er wird in der Regel in °C^(-1) angegeben. Der Wärmeausdehnungsindex von Saphir-Scheiben liegt zwischen 5,5 x 10^(-6) °C^(-1) und 6,5 x 10^(-6) °C^(-1). Der genaue Wert hängt von der Kristallrichtung und der Reinheit des Saphirs ab. Zum Vergleich: Der Wärmeausdehnungsindex von Stahl liegt bei etwa 12 x 10^(-6) °C^(-1) und der von Glas bei etwa 9 x 10^(-6) °C^(-1). Dies bedeutet, dass sich Saphir-Scheiben bei Temperaturänderungen weniger stark ausdehnen als Stahl und Glas. Die geringe Wärmeausdehnung von Saphir-Scheiben hat mehrere Vorteile: - Thermische Stabilität: Saphir-Scheiben sind thermisch stabil und verformen sich bei Temperaturänderungen nicht. Dies macht sie ideal für Anwendungen in Umgebungen mit hohen Temperaturen. Saphir-Scheiben werden aufgrund ihrer geringen Wärmeausdehnung in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, z. B.: - Uhrengläser: Saphirgläser sind kratzfest und bruchsicher und halten hohen Temperaturen stand.
. Leitfähigkeit von Saphir-Scheiben Saphirscheiben, die aus kristallinem Aluminiumoxid (Al2O3) bestehen, sind inhärent Isolatoren und besitzen daher eine sehr geringe elektrische Leitfähigkeit. Die intrinsische Leitfähigkeit von reinem Saphir liegt bei Raumtemperatur im Bereich von 10^-14 bis 10^-16 S/cm. Faktoren, die die Leitfähigkeit beeinflussen: - Verunreinigungen: Fremdatome, wie z. B. Eisen oder Titan, können die Leitfähigkeit von Saphir deutlich erhöhen. Typische Anwendungen: - Isolationsmaterial: Aufgrund ihrer geringen Leitfähigkeit werden Saphirscheiben als Isolationsmaterial in der Elektronik verwendet.
. Spezifischer Widerstand von Saphir-Scheiben Der spezifische Widerstand von Saphir-Scheiben ist ein Maß für ihre Fähigkeit, den elektrischen Stromfluss zu behindern. Er wird in Ohmmeter (Ωm) angegeben und ist abhängig von der Reinheit, Dotierung und Kristallstruktur des Saphirs. Typische Werte: - Hochreiner, undotierter Saphir: 10^15 bis 10^18 Ωm Einflussfaktoren: - Reinheit: Verunreinigungen im Saphir verringern den spezifischen Widerstand. Anwendungen: - Isolationsmaterial: Aufgrund seines hohen spezifischen Widerstands wird Saphir als Isolationsmaterial in elektronischen Bauteilen verwendet.
. Dielektrizitätskonstante von Saphir-Scheiben Die Dielektrizitätskonstante von Saphir-Scheiben, auch relative Permittivität genannt, beschreibt die Fähigkeit des Materials, ein elektrisches Feld zu speichern. Sie ist ein wichtiger Faktor bei der Verwendung von Saphirscheiben in elektronischen Anwendungen. Die Dielektrizitätskonstante von synthetischem Saphir liegt in der Regel zwischen 9,4 und 10,2. Der genaue Wert hängt von der Kristallrichtung und der Dotierung des Saphirs ab. Einflussfaktoren: Die Dielektrizitätskonstante von Saphir-Scheiben kann durch verschiedene Faktoren beeinflusst werden, z. B.: - Kristallrichtung: Die Dielektrizitätskonstante ist in der c-Achsenrichtung des Saphirs am höchsten und in der a-Achsenrichtung am niedrigsten. Anwendungen: Die Dielektrizitätskonstante von Saphir-Scheiben spielt eine wichtige Rolle in folgenden Anwendungen: - Halbleiterindustrie: Saphir-Scheiben werden als Substrat für die Herstellung von Galliumarsenid (GaAs)-Halbleitern verwendet. Die hohe Dielektrizitätskonstante von Saphir trägt dazu bei, die elektrischen Eigenschaften der GaAs-Schicht zu verbessern.
. Dichte von Saphir-Scheiben Die Dichte von Saphirscheiben beträgt etwa 4,0 g/cm³. Dies bedeutet, dass 1 cm³ Saphir 4,0 Gramm wiegt. Die Dichte von Saphir kann je nach Reinheit und Kristallstruktur geringfügig variieren. Die Dichte von Saphir ist höher als die der meisten anderen Materialien, einschließlich Glas und Kunststoff. Dies macht Saphirscheiben stark und langlebig. Die Dichte von Saphirscheiben kann durch verschiedene Verfahren gemessen werden, z. B. durch die Archimedes-Methode oder durch die Verwendung eines Pyknometers. Die Dichte von Saphir ist eine wichtige Eigenschaft für viele seiner Anwendungen. Beispielsweise wird Saphir aufgrund seiner hohen Dichte in Uhrengläsern und anderen optischen Anwendungen verwendet. Die Dichte von Saphir macht ihn auch für den Einsatz in der Halbleiterindustrie geeignet.
. Druckfestigkeit von Saphir-Scheiben Die Druckfestigkeit von Saphir-Scheiben ist ein komplexes Thema, das von mehreren Faktoren abhängt, wie z. B.: - Art der Saphir-Scheibe: Es gibt verschiedene Arten von Saphir-Scheiben, die sich in ihrer Herstellung und ihren Eigenschaften unterscheiden. Synthetische Saphir-Scheiben werden in der Regel durch das Czochralski-Verfahren hergestellt, während natürliche Saphir-Scheiben aus dem Abbau von Saphirkristallen gewonnen werden. Typische Werte: Die Druckfestigkeit von Saphir-Scheiben liegt in der Regel zwischen 2 GPa und 4 GPa. Synthetische Saphir-Scheiben haben in der Regel eine höhere Druckfestigkeit als natürliche Saphir-Scheiben. Einflussfaktoren: - Härte: Die Härte von Saphir ist ein wichtiger Faktor für die Druckfestigkeit. Je härter der Saphir, desto höher die Druckfestigkeit.
Sprödigkeit: Saphir ist ein sprödes Material, das bei hohen Belastungen plötzlich brechen kann.
. Elastizitätsmodul von Saphir-Scheiben Der Elastizitätsmodul von Saphir-Scheiben, auch bekannt als Youngscher Modul, beschreibt die Beziehung zwischen Spannung und Dehnung des Materials. Er ist ein Maß dafür, wie steif ein Material ist. Elastizitätsmodul von synthetischem Saphir: - E-Modul (c-Richtung): 348 GPa E-Modul (a-Richtung): 374 GPa Elastizitätsmodul von natürlichem Saphir: - E-Modul (c-Richtung): 344 GPa E-Modul (a-Richtung): 370 GPa
Der Elastizitätsmodul von Saphir-Scheiben kann durch verschiedene Faktoren beeinflusst werden, wie z. B.: - Kristallrichtung: Der Elastizitätsmodul ist in der c-Richtung (senkrecht zur hexagonalen Achse) etwas niedriger als in der a-Richtung (parallel zur hexagonalen Achse).
. Biegefestigkeit von Saphir-Scheiben Die Biegefestigkeit von Saphirscheiben ist ein wichtiges Maß für ihre Widerstandsfähigkeit gegenüber Biegebelastungen. Sie wird in der Regel in MPa (Megapascal) angegeben und beschreibt die maximale Spannung, die eine Saphirscheibe aushalten kann, bevor sie bricht. Die Biegefestigkeit von Saphirscheiben hängt von einer Reihe von Faktoren ab, z. B.: - Material: Die Biegefestigkeit von synthetischen Saphirscheiben ist in der Regel höher als die von natürlichen Saphirscheiben. Die Biegefestigkeit von Saphirscheiben liegt typischerweise zwischen 250 MPa und 500 MPa. Einflussfaktoren: - Härte: Die Härte von Saphir ist ein wichtiger Faktor für seine Biegefestigkeit. Je härter das Material, desto höher die Biegefestigkeit. Verbesserung der Biegefestigkeit: Die Biegefestigkeit von Saphirscheiben kann durch verschiedene Verfahren verbessert werden, z. B.: - Dotierung: Die Dotierung von Saphir mit bestimmten Elementen kann die Biegefestigkeit erhöhen.
. Zugfestigkeit von Saphir-Scheiben Die Zugfestigkeit von Saphirscheiben ist ein Maß für ihre Widerstandsfähigkeit gegenüber Zugbelastungen. Sie wird in der Regel in Megapascal (MPa) angegeben. Die Zugfestigkeit von Saphirscheiben hängt von einer Reihe von Faktoren ab, darunter: - Art des Saphirs: Natürliche Saphirscheiben haben in der Regel eine höhere Zugfestigkeit als synthetische Saphirscheiben. Typische Werte für die Zugfestigkeit von Saphirscheiben: - Natürliche Saphirscheiben: 2500-3500 MPa &
Synthetische Saphirscheiben: 2000-3000 MPa (Zum Vergleich: Die Zugfestigkeit von Stahl liegt bei etwa 1500 MPa.)
. Poisson's Ratio (Poissonzahl) von Saphir-Scheiben Die Poissonzahl von Saphirscheiben, auch Querkontraktionsverhältnis genannt, beschreibt das Verhältnis der lateralen Kontraktion zur axialen Dehnung des Materials. Sie ist eine wichtige Materialeigenschaft, die bei der Charakterisierung des mechanischen Verhaltens von Saphirscheiben unter Belastung berücksichtigt werden muss. Poissonzahl von synthetischem Saphir: Die Poissonzahl von synthetischem Saphir liegt typischerweise zwischen 0,27 und 0,31. Der genaue Wert kann jedoch von der Kristallorientierung, der Reinheit und der Dotierung des Materials abhängen. Einflussfaktoren: - Kristallorientierung: Die Poissonzahl von Saphir istrichtungsabhängig. Die höchste Poissonzahl wird in der c-Achsenrichtung gemessen, während die niedrigste Poissonzahl in der a-Achsenrichtung gemessen wird. Auswirkungen: Die Poissonzahl spielt eine wichtige Rolle bei der Berechnung von Spannungen und Dehnungen in Saphirscheiben unter Belastung. Sie ist auch relevant für die Bestimmung der Biegefestigkeit und der Bruchzähigkeit des Materials.
. Härte von Saphir-Scheiben Die Härte von Saphir-Scheiben ist eine ihrer wichtigsten Eigenschaften und macht sie für eine Vielzahl von Anwendungen geeignet. Saphir-Scheiben besitzen eine Mohs-Härte von 9. Dies bedeutet, dass sie nach Diamant das zweithärteste Material der Welt sind. Härtevergleich: Glas hat eine Mohs-Härte von 5 bis 6, Quarz eine Härte von 7 und Stahl eine Härte von 7 bis 8. Die hohe Härte von Saphir-Scheiben bietet folgende Vorteile: - Kratzfestigkeit: Saphir-Scheiben sind extrem kratzfest und werden daher häufig in Anwendungen eingesetzt, in denen sie hohen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind, z. B. in Uhrengläsern und optischen Fenstern.
Die Härte von Saphir-Scheiben kann durch verschiedene Faktoren beeinflusst werden, z. B.: - Reinheit: Die Reinheit des Saphirs beeinflusst seine Härte. Je reiner der Saphir, desto härter ist er. Die Härte von Saphir-Scheiben kann mit verschiedenen Verfahren geprüft werden, z. B.: - Mohs-Härteprüfung: Die Mohs-Härteprüfung ist ein Verfahren zur Bestimmung der Härte von Materialien durch Ritzen mit Vergleichsmineralien.
. Brechungsindex von Saphir-Scheiben Der Brechungsindex von Saphir-Scheiben ist abhängig von der Wellenlänge des Lichts und der Kristallrichtung. Im sichtbaren Lichtspektrum liegt der Brechungsindex von Saphir zwischen 1,76 und 1,77. Genauere Werte: . Natriumlicht (λ = 589 nm): n = 1,762
Anisotropie: Saphir ist ein anisotropes Material, d.h. der Brechungsindex ist abhängig von der Richtung des Lichts im Kristall. Der Brechungsindex ist parallel zur c-Achse (nω) etwas höher als senkrecht zur c-Achse (nε). Anwendungen: Der Brechungsindex von Saphir-Scheiben wird in einer Vielzahl von Anwendungen genutzt, z. B.: - Optische Linsen: Saphir-Scheiben werden aufgrund ihres hohen Brechungsindex und ihrer geringen Dispersion für die Herstellung von optischen Linsen verwendet.
. Doppelbrechung von Saphir-Scheiben Saphir ist ein doppelbrechendes Material. Das bedeutet, dass Licht, das durch eine Saphirscheibe fällt, in zwei Strahlen geteilt wird, die unterschiedliche Polarisationsrichtungen haben. Dieser Effekt tritt auf, weil Saphirkristalle eine anisotrope Struktur besitzen, d.h. ihre Eigenschaften sind in verschiedenen Richtungen unterschiedlich. Die Doppelbrechung von Saphir-Scheiben wird durch die Anordnung der Atome im Saphirkristall verursacht. Die Atome sind in einer hexagonalen Struktur angeordnet, die zwei optische Achsen hat. Licht, das durch den Kristall fällt, wird in zwei Strahlen geteilt, einen ordentlichen Strahl und einen außerordentlichen Strahl. Der ordentliche Strahl parallel zur optischen Achse, während der außerordentliche Strahl senkrecht zur optischen Achse vibriert. Die Doppelbrechung von Saphir-Scheiben hat verschiedene Auswirkungen: - Polarisation: Die beiden Strahlen, die durch die Saphirscheibe geteilt werden, sind unterschiedlich polarisiert. Der ordentliche Strahl ist linear polarisiert, während der außerordentliche Strahl elliptisch polarisiert ist. Die Doppelbrechung von Saphir-Scheiben findet in verschiedenen Anwendungen Anwendung, z. B.: - Polarisationsoptik: Saphir-Scheiben werden in der Polarisationsoptik verwendet, um Licht zu polarisieren und zu analysieren.
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