三温区泡生法蓝宝石晶体生长的数值模拟

发布时间：2017-04-02 01:12

  本文关键词：三温区泡生法蓝宝石晶体生长的数值模拟，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：本文利用数值模拟的方法分析了三温区泡生法蓝宝石晶体生长过程中的内部辐射、熔体对流、加热器功率配比的影响,并对泡生法蓝宝石晶体生长的几个关键问题进行了探讨。(1)内部辐射对晶体生长的影响。晶体内部辐射的存在使系统内的温场和流场更加均匀,降低了晶体应力;随着晶体内部辐射吸收系数的增加,晶体传热能力降低,熔体的热量不能通过晶体很好地导走,熔体平均温度随之增加,固液界面凸出率也随之减小,晶体内部温度梯度随之增加;熔体内部辐射的存在增加了系统的热传递的能力,使熔体内部对流加剧,熔体通过对流把更多的来自坩埚的热量带到结晶前沿,使熔体内部温度分布更加均匀,同时降低了系统温度梯度和晶体应力。(2)熔体对流对晶体生长的影响。在晶体生长转肩阶段,Marangoni对流的存在使界面凸出率增加了39.8%,并影响了熔体对流状态,引起了转肩阶段的晶体颞部凹陷。当晶体生长到中部时,顺时针漩涡暴露在三相点附近,造成了晶体腰部重熔。在收尾阶段,Marangoni对流大大增加了自由表面附近的漩涡强度,该漩涡由一个漩涡变成两个旋涡,并引起了固液界面翻转。界面反转增加了位错密度和热应力,引起了晶体底部开裂,模拟结果和实验图片相吻合。(3)加热器功率配比对界面稳定性的影响。在收尾阶段,Marangoni对流对熔体传热的贡献和自然对流同等重要,因而收尾阶段熔体对流模式的变化是界面失稳的直接原因;收尾阶段的低界面前沿温梯使界面的抗干扰能力大大下降,并且复杂熔体对流模式更容易地影响了界面稳定性,因此收尾阶段的界面前沿较低的温度梯度是界面失稳的间接原因。另外,在收尾阶段,底部加热器功率的增加能抑制界面反转的发生,但由于晶体较弱的导热能力固液界面仍然是不稳定的;上部加热器功率的降低能进一步改善界面稳定性。(4)泡生法蓝宝石晶体生长的几个关键问题的探讨。通过蓝宝石晶体、钼坩埚和钨坩埚的热膨胀系数的分析发现选择钨钼合金坩埚更有利于蓝宝石晶体的生长,并且粘锅能引起晶体开裂,而侧部粘埚比底部粘埚更容易引起晶体开裂;提出的改良泡生法生长的大尺寸、方形蓝宝石能提高晶体利用率,相关专利已经被国内某知名蓝宝石生产商实施。
【关键词】：蓝宝石 泡生法 数值模拟 内部辐射 熔体对流 界面稳定性
【学位授予单位】：河北工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ164
【目录】：

• 摘要5-6
• ABSTRACT6-10
• 第一章 绪论10-22
• 1.1 研究背景10-15
• 1.1.1 蓝宝石的晶体结构10-11
• 1.1.2 蓝宝石的性质及应用11-12
• 1.1.3 蓝宝石晶体生长方法12-15
• 1.2 泡生法蓝宝石晶体生长技术工艺流程15-16
• 1.2.1 准备15
• 1.2.2 引晶15-16
• 1.2.3 扩肩和晶胚生长16
• 1.2.4 退火16
• 1.3 国内外课题研究现状16-21
• 1.4 本文主要研究内容21-22
• 第二章 数值方法22-30
• 2.1 CGSim软件介绍22-23
• 2.2 泡生法晶体生长过程中的物理数学模型23-26
• 2.2.1 物理模型23
• 2.2.2 数学模型23-26
• 2.3 物性参数26-27
• 2.4 凝固理论分析27-28
• 2.5 模拟步骤分析28
• 2.6 控制参数及迭代步长28-30
• 第三章 内部辐射对晶体生长的影响30-40
• 3.1 晶体内部辐射对晶体生长的影响31-35
• 3.1.1 晶体内部辐射对温场、流场的影响31-33
• 3.1.2 晶体内部辐射对应力场的影响33-34
• 3.1.3 晶体内部辐射影响分析34-35
• 3.2 熔体内部辐射的影响35-38
• 3.2.1 熔体内部辐射对温场、流场的影响35-36
• 3.2.2 熔体内部辐射对应力场的影响36-38
• 3.2.3 熔体内部辐射影响分析38
• 3.3 小结38-40
• 第四章 熔体对流对晶体生长的影响40-48
• 4.1 晶体转肩阶段的熔体对流对晶体生长的影响41-44
• 4.2 等径阶段的熔体对流对晶体生长的影响44-45
• 4.3 收尾阶段的熔体对流对晶体生长的影响45-46
• 4.4 小结46-48
• 第五章 加热器功率配比对界面稳定性的影响48-56
• 5.1 界面失稳的形成机制48-49
• 5.1.1 熔体对流模式对界面稳定性的影响48
• 5.1.2 界面前沿温度梯度对界面稳定性的影响48-49
• 5.2 转肩阶段的上部加热器功率对界面稳定性的影响49-50
• 5.3 收尾阶段的功率配比对界面稳定性的影响50-54
• 5.3.1 收尾阶段的底部加热器功率对界面稳定性的影响50-52
• 5.3.2 收尾阶段的上部加热器功率对界面稳定性的影响52-54
• 5.4 小结54-56
• 第六章 泡生法蓝宝石晶体生长的几个关键问题56-64
• 6.1 坩埚的选择问题56-58
• 6.2 晶体开裂问题58-60
• 6.3 晶体利用率问题60-62
• 6.4 小结62-64
• 第七章 结论64-66
• 参考文献66-70
• 攻读学位期间所取得的相关科研成果70-72
• 致谢72

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