自适应热边界法生长蓝宝石晶体的数值模拟研究
发布时间：2021-04-03 19:39
蓝宝石晶体材料因其优异的综合性能,而被广泛应用于航空航天等工业领域。随着现代科学技术的发展,蓝宝石晶体的尺寸、质量以及产量等已无法满足现代工业对蓝宝石材料的需求。因此,提出一种能够实现高质量、大尺寸蓝宝石自动化、程序化生产的新技术成为了蓝宝石晶体生长领域的关键问题。本文以泡生法生长蓝宝石晶体为基础,合理简化炉体模型,采用有限元方法对7种不同规格蓝宝石在引晶、放肩、等径生长及收尾等不同生长阶段的生长过程进行数值模拟,通过调节蓝宝石晶体生长的热边界条件,获得了蓝宝石生长各阶段的温度场分布、固液界面处的温度梯度分布,固液界面角以及应力分布等结果。将获得的数值模拟结果作为评价蓝宝石晶体生长所处热场是否合适的标准,并根据结果反馈来调整所施加的热边界条件,不断优化热边界条件以保证蓝宝石晶体能够获得满足其稳定生长所需的准确热量,从而获得高质量的蓝宝石晶体。在引晶阶段,保持坩埚壁温不变,通过提高冷却水的对流换热系数配合籽晶的微量提拉以实现晶体的引晶生长;在放肩生长阶段,继续提高冷却水对流换热系数的同时配合降低壁温以实现晶体的放肩生长;在蓝宝石晶体进入等径生长阶段之后,主要通过降低坩埚壁温的方式来维持晶...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
应用于光电系统蓝宝石窗口[13]
利用再结晶作用由固相结成晶体。晶体可以从气相、液相以及固相生长，已有大量文献阐述宝石晶体的实验结果和理论经验。目前能够生长大尺寸、生长方法通常是熔体法，该方法是利用温度梯度使熔体降体。用这种方法生长蓝宝石晶体所需的生长周期较之其他更容易控制。因此，目前商业上生产蓝宝石晶体均是采用的蓝宝石晶体基本上可以满足目前市场对蓝宝石产品的相熔体法生长蓝宝石晶体的方法有热交换法（Heat Exchanger温度梯度法（Temperature Gradient Technique，简称 TGski Method，简称 Cz Method）、坩埚移动法（Vertical Grad、泡生法（Kyropoulos Method, 简称 Ky Method）以及哈尔结构研究所基于泡生法发明的用于生长大尺寸蓝宝石晶体（Sapphire Growth Technique with Micro-pulling and ShouldCenter，简称 SAPMAC）[29,30]等。图 1-2 为熔体法生长蓝宝历程。
图 1-3 热应力过大导致的晶体开裂[14]泡也是常见的缺陷，对于气泡产生的原没有一致的定论。有学者认为蓝宝石熔气进入晶体中，最终形成了气泡和空腔图 1-4 为放肩过快导致的气泡富集。根据发现，当晶体和熔体的固液界面是凹界易残留在晶体内，当晶体和熔体的固液更容易进入熔体内，随着熔体内部的生长蓝宝石晶体的过程中，要注意蓝宝固液界面下凸生长，避免平界面或者凹与空腔结构的产生。
【参考文献】：
期刊论文
[1]泡生法生长蓝宝石晶体中固液界面形状的数值模拟研究[J]. 刘方方,左然,汪传勇. 人工晶体学报. 2013(03)
[2]泡生法蓝宝石不同生长阶段热应力的数值模拟研究[J]. 杨琳,左然,苏文佳,娄中士. 材料导报. 2012(22)
[3]我国蓝宝石晶体生长技术的现状与发展趋势[J]. 李留臣,冯金生. 人工晶体学报. 2012(S1)
[4]泡生法生长高质量蓝宝石的原理和应用[J]. 孙广年,于旭东,沈才卿. 宝石和宝石学杂志. 2007(04)
[5]SAPMAC法生长大尺寸蓝宝石单晶工艺研究[J]. 姚泰,左洪波,孟松鹤,韩杰才,张明福,李常青,许承海. 哈尔滨工业大学学报. 2007(05)
[6]蓝宝石及其在军用光电设备上的应用[J]. 聂辉,陆炳哲. 舰船电子工程. 2005(02)
[7]中波红外光学材料的研究现状和发展趋势[J]. 黄存新,李建保,雷牧云,杜洪兵. 人工晶体学报. 2003(03)
[8]AIM-9X——“现在真正具有杀伤力的武器”[J]. 王丽霞. 航空兵器. 2002(01)
[9]双膜片的硅—蓝宝石高温压力传感器[J]. 张世荣,文彬,崔光浩. 黑龙江大学自然科学学报. 2001(04)
[10]单晶蓝宝石在高温测量中的应用[J]. 黄学洪,欧阳小燕,胡耀祖. 国外建材科技. 2001(03)
博士论文
[1]SAPMAC法大尺寸蓝宝石晶体生长的模拟分析与应用研究[D]. 许承海.哈尔滨工业大学 2007
硕士论文
[1]泡生法蓝宝石单晶炉内部结构对热场影响的数值模拟研究[D]. 赵盼盼.哈尔滨工业大学 2013
本文编号：3116960
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：70 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
应用于光电系统蓝宝石窗口[13]
利用再结晶作用由固相结成晶体。晶体可以从气相、液相以及固相生长，已有大量文献阐述宝石晶体的实验结果和理论经验。目前能够生长大尺寸、生长方法通常是熔体法，该方法是利用温度梯度使熔体降体。用这种方法生长蓝宝石晶体所需的生长周期较之其他更容易控制。因此，目前商业上生产蓝宝石晶体均是采用的蓝宝石晶体基本上可以满足目前市场对蓝宝石产品的相熔体法生长蓝宝石晶体的方法有热交换法（Heat Exchanger温度梯度法（Temperature Gradient Technique，简称 TGski Method，简称 Cz Method）、坩埚移动法（Vertical Grad、泡生法（Kyropoulos Method, 简称 Ky Method）以及哈尔结构研究所基于泡生法发明的用于生长大尺寸蓝宝石晶体（Sapphire Growth Technique with Micro-pulling and ShouldCenter，简称 SAPMAC）[29,30]等。图 1-2 为熔体法生长蓝宝历程。
图 1-3 热应力过大导致的晶体开裂[14]泡也是常见的缺陷，对于气泡产生的原没有一致的定论。有学者认为蓝宝石熔气进入晶体中，最终形成了气泡和空腔图 1-4 为放肩过快导致的气泡富集。根据发现，当晶体和熔体的固液界面是凹界易残留在晶体内，当晶体和熔体的固液更容易进入熔体内，随着熔体内部的生长蓝宝石晶体的过程中，要注意蓝宝固液界面下凸生长，避免平界面或者凹与空腔结构的产生。
【参考文献】：
期刊论文
[1]泡生法生长蓝宝石晶体中固液界面形状的数值模拟研究[J]. 刘方方,左然,汪传勇. 人工晶体学报. 2013(03)
[2]泡生法蓝宝石不同生长阶段热应力的数值模拟研究[J]. 杨琳,左然,苏文佳,娄中士. 材料导报. 2012(22)
[3]我国蓝宝石晶体生长技术的现状与发展趋势[J]. 李留臣,冯金生. 人工晶体学报. 2012(S1)
[4]泡生法生长高质量蓝宝石的原理和应用[J]. 孙广年,于旭东,沈才卿. 宝石和宝石学杂志. 2007(04)
[5]SAPMAC法生长大尺寸蓝宝石单晶工艺研究[J]. 姚泰,左洪波,孟松鹤,韩杰才,张明福,李常青,许承海. 哈尔滨工业大学学报. 2007(05)
[6]蓝宝石及其在军用光电设备上的应用[J]. 聂辉,陆炳哲. 舰船电子工程. 2005(02)
[7]中波红外光学材料的研究现状和发展趋势[J]. 黄存新,李建保,雷牧云,杜洪兵. 人工晶体学报. 2003(03)
[8]AIM-9X——“现在真正具有杀伤力的武器”[J]. 王丽霞. 航空兵器. 2002(01)
[9]双膜片的硅—蓝宝石高温压力传感器[J]. 张世荣,文彬,崔光浩. 黑龙江大学自然科学学报. 2001(04)
[10]单晶蓝宝石在高温测量中的应用[J]. 黄学洪,欧阳小燕,胡耀祖. 国外建材科技. 2001(03)
博士论文
[1]SAPMAC法大尺寸蓝宝石晶体生长的模拟分析与应用研究[D]. 许承海.哈尔滨工业大学 2007
硕士论文
[1]泡生法蓝宝石单晶炉内部结构对热场影响的数值模拟研究[D]. 赵盼盼.哈尔滨工业大学 2013
本文编号：3116960
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/huaxue/3116960.html
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