泡生法蓝宝石60kg级生长炉可控温场研究

发布时间：2017-09-02 13:11

  本文关键词：泡生法蓝宝石60kg级生长炉可控温场研究

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【摘要】：蓝宝石的优良性质,使其在民用、军用、航空航天等方面都有出色表现。近年蓝宝石LED衬底材料的火热,以及电子产品高端手表手机外屏的推波助澜,使得蓝宝石长晶产业迅速发展,对高品质大尺寸蓝宝石的需求与日俱增。然而蓝宝石生长技术源于国外,国内生长大尺寸蓝宝石晶体的各生长技术都还不完善,于泡生法而言,工艺要求的复杂性使得泡生法的生长设备的研究也相当复杂。国内外专家、学者也在不断得从事此方面的研究,设备的结构合理性在逐渐的通过数值模拟,计算机仿真的方式改进。本文以探究泡生法蓝宝石60kg级的可控温场为目的,主要研究内容如下:(1)分析60kg级泡生法蓝宝石单晶炉的结构以及泡生法工艺各阶段流程,得知工艺过程中的引晶阶段和等径生长阶段对蓝宝石晶体的影响至关重要,进而重点关注该两个阶段进行研究。(2)结合蓝宝石的热学性质、长晶学理论,对泡生法蓝宝石生长过程中的结晶驱动、均匀成核以及非均匀成核、成核速率、成分过冷过热的原理进行分析,得知为避免结晶过程中的异相成核和成分过冷现象对蓝宝石品质造成不良影响,固液界面温度梯度和晶体生长速率非常重要。(3)对60kg级泡生法单晶炉进行三维建模,将对应二维模型应用到ANSYS/FLUENT中进行仿真,采用DO辐射模型、融化凝固模型等进行求解,对引晶过程和等径过程热场结构中的对流产生原因、如何影响晶体生长以及温度梯度的合适与否与调整方向等进行了详细分析,并结合参考文献进行了讨论。(4)分析现有设备引晶控制系统设计困难的原因,提出后续研究方向;根据热场分析得到的控制特性,提出对等径阶段采用自适应性较强的模糊PID控制器进行控制,应用MATLAB的SIMULINK工具箱搭建模块并进行了仿真,实验控制效果良好验证了控制器的可行性。研究结果表明,对于泡生法晶体生长炉大惯性、纯滞后、参数时变的被控对象,采用自适应模糊PID控制算法,有较高的稳态精度,也有更好的动态性能。
【关键词】：蓝宝石 泡生法 ANSYS/FLUENT 热场分析 MATLAB 模糊PID控制
【学位授予单位】：浙江理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ164
【目录】：

• 摘要6-7
• ABSTRACT7-12
• 第1章 绪论12-25
• 1.1 引言12-13
• 1.2 蓝宝石晶体的基本性质13-16
• 1.2.1 热学性能14-15
• 1.2.2 电学性能15
• 1.2.3 光学性能15-16
• 1.2.4 力学机械性能16
• 1.3 蓝宝石工业制备方法16-22
• 1.3.1 提拉法16-17
• 1.3.2 导模法17-18
• 1.3.3 温度梯度法18
• 1.3.4 热交换法18-19
• 1.3.5 坩埚下降法19
• 1.3.6 泡生法19-21
• 1.3.7 冷心放肩微量提拉法21-22
• 1.4 蓝宝石晶体行业概述22-23
• 1.4.1 国内外现状22-23
• 1.5 科研现状23-24
• 1.6 主要研究内容24-25
• 第2章 泡生法单晶炉设备及工艺流程25-36
• 2.1 晶体生长设备简介25-29
• 2.1.1 热场25-26
• 2.1.2 控制柜26-27
• 2.1.3 电源柜27-28
• 2.1.4 真空系统28
• 2.1.5 水冷系统28
• 2.1.6 提拉称重系统28-29
• 2.2 工艺流程29-34
• 2.2.1 装料及设备准备工作29-30
• 2.2.2 化料30-31
• 2.2.3 引晶31-32
• 2.2.4 等径生长32-33
• 2.2.5 退火33-34
• 2.2.6 充氩气取晶体34
• 2.3 本章小结34-36
• 第3章 长晶过程物理数学模型分析36-46
• 3.1 结晶驱动36
• 3.2 成核阐述36-40
• 3.2.1 均匀成核36-37
• 3.2.2 非均匀成核37
• 3.2.3 均匀成核速率37-38
• 3.2.4 晶体生长过程中的成分过冷与热过冷38-39
• 3.2.5 成分过冷的形成条件39-40
• 3.3 传热模型概述40-44
• 3.3.1 FLUENT辐射模型41-43
• 3.3.2 FLUENT熔化凝固模型43-44
• 3.4 泡生法生长过程控制方程44-45
• 3.4.1 边界条件45
• 3.5 本章小结45-46
• 第4章 生长炉建模及ANSYS/FLUENT仿真46-57
• 4.1 有限元仿真46-47
• 4.1.1 计算程序流程图46-47
• 4.2 参数说明及建模47-48
• 4.2.1 模型建立47-48
• 4.2.2 网格划分48
• 4.3 ANSYS/FLUENT仿真过程说明48-52
• 4.3.1 基本假设条件48-49
• 4.3.2 FLUENT仿真过程49-52
• 4.4 模拟结果分析52-55
• 4.4.1 引晶过程52-53
• 4.4.2 等径过程53-55
• 4.5 晶体生长过程中的热传递55
• 4.6 温场可控性分析55-56
• 4.6.1 引晶过程55-56
• 4.6.2 等径过程56
• 4.7 本章小结56-57
• 第5章 等径过程自适应模糊PID控制器设计及仿真57-65
• 5.1 引言57-58
• 5.1.1 自适应模糊PID控制器57-58
• 5.2 等径过程特性分析58-59
• 5.2.1 等径过程被控对象58-59
• 5.3 基于上称重的自适应模糊PID控制器设计59-65
• 5.3.1 仿真过程及结果59-62
• 5.3.2 对比试验62-65
• 第6章 总结与展望65-67
• 6.1 总结65-66
• 6.2 展望66-67
• 参考文献67-71
• 攻读学位期间研究成果71-72
• 致谢72

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