泡生法藍寶石單晶生長熱場分析和數(shù)值模擬的研究

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1、學位論文版權(quán)使用授權(quán)書IIIIIIIIIIIIIIIU}Y1894517江蘇大學、中國科學技術(shù)信息研究所、國家圖書館、中國學術(shù)期刊(光盤版)電子雜志社有權(quán)保留本人所送交學位論文的復印件和電子文檔，可以采用影印、縮印或其他復制手段保存論文。本人電子文檔的內(nèi)容和紙質(zhì)論文的內(nèi)容相一致，允許論文被查閱和借閱，同時授權(quán)中國科學技術(shù)信息研究所將本論文編入《中國學位論文全文數(shù)據(jù)庫》并向社會提供查詢，授權(quán)中國學術(shù)期刊(光盤版)電子雜志社將本論文編入《中國優(yōu)秀博碩士學位論文全文數(shù)據(jù)庫》并向社會提供查詢。論文的公布(包括刊登)授權(quán)江蘇大學研究生處辦理

2、。本學位論文屬于不保密彥。學位論文作者簽名：多五位勇加，f年∥月／o日指導教師簽名p11年6竅／o＆泡生法藍寶石單晶生長的熱場分析與數(shù)值模擬研究ThermalFieldAnalysisandNumericalStudyofSapphireCrystalGrowthbyKyropoulosMethod2011年5月江蘇大學碩士學位論文摘要藍寶石單晶是一種性能優(yōu)越，應(yīng)用廣泛的光學晶體材料。國防工業(yè)、紅外技術(shù)和LED市場的迅猛發(fā)展，對藍寶石單晶材料提出了更高的要求，即大尺寸、高質(zhì)量、性能穩(wěn)定。然而，目前用來生長大尺寸藍寶石單晶的泡生法，

3、是一項耗時、耗能、高成本的長晶方法。利用計算機數(shù)值模擬可以獲得生長過程中的一些重要信息，再通過有限次的實驗來驗證藍寶石晶體生長所需的生長條件，即可達到減少實驗次數(shù)、降低成本、節(jié)省時間和提高晶體生長質(zhì)量的目的。論文以泡生法生長藍寶石單晶為研究對象，通過對單晶爐進行二維軸對稱結(jié)構(gòu)簡化，建立了泡生法藍寶石單晶生長的數(shù)學物理模型，并利用CGSim軟件進行了具體的模擬和分析。全文從傳熱學、流體力學等基礎(chǔ)理論出發(fā)，重點分析和研究了泡生法藍寶彳i單晶生長過程中的傳熱傳質(zhì)特性、溫場的改進與優(yōu)化、晶體中的雜質(zhì)和缺陷控制、退火工藝對晶體熱應(yīng)力的影響等

4、，并提出了一種優(yōu)化的熱場結(jié)構(gòu)。在數(shù)值模擬和分析中發(fā)現(xiàn)，較大的軸向溫度梯度有利于提高晶體的生長速率，而大的徑向溫度梯度有利于微凸界面的形成，但軸向溫度梯度和徑向溫度梯度均不宜超過某一臨界值，否則會導致晶體的開裂。另外，爐體結(jié)構(gòu)和熱場設(shè)計的不合理，會使熔體內(nèi)的流動變成上下兩個、流動方向相反的對流渦旋，從而使生長界面變得不穩(wěn)定，導致已生長出的晶體出現(xiàn)重熔，減小了晶體的有用率，甚至使晶體出現(xiàn)宏觀缺陷并極易開裂。研究還發(fā)現(xiàn)，在高溫、高真空度的條件下，爐內(nèi)的傳熱方式以輻射為主，爐體頂部熱屏結(jié)構(gòu)、坩堝支座形狀、以及爐底是否增加保溫磚等，均嚴重影

5、響長晶過程中的功率消耗。此外，由于泡生法的特殊爐體結(jié)構(gòu)，使得晶體邊緣距離熱源較近，導致三相點附近的晶體內(nèi)熱應(yīng)力過大，而頂部熱屏的輻射作用在晶體“頸部”聚集，導致晶體“頸部’’熱應(yīng)力也偏高。最后，應(yīng)用改進后的溫場設(shè)計和工藝方法，進行了藍寶石單晶生長實驗，成功生長甘：了較大尺寸、質(zhì)量較好的藍寶石晶體。實驗過程中所測得的引晶功率值及溫場分布情況．與數(shù)值模擬結(jié)果吻合良好，驗證了數(shù)值模擬所得出的結(jié)論。本文的分析結(jié)果，可以作為泡生法生長大尺寸藍寶石單晶的工藝指導，并可作為將來深入分析研究泡生法藍寶石單晶生長機理的基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：藍寶石晶體，泡生

6、法，熱場，數(shù)值模擬，優(yōu)化泡生法藍寶石單晶生長的熱場分析與數(shù)值模擬研究江蘇大學碩士學位論文ABSTRACTSapphireisanopticalcrystalmaterialwithsuperiorperformanceandwideapplications．Withtherapiddevelopmentofdefenseindustry,infraredtechnologyandtheLEDmarket，higherrequirementisproposedforsapphirecrystal：largesize，hi【ghqua

7、lityandstableperformance．Kyropoulosmethodisthemajorgrowthmethodforsapphirecrystal．However,itisaverytime-consumingandenergy—costcrystalgrowthmethod．Computersimulationcanprovideimportantinformationforcrystalgrowthprocess．Bycombiningthefiniteexperimentswithsimulation，itc

8、anoptimizethegrowingconditionsofsapphirecrystalgrowthandachievethepu巾oseofreducingthenumberofexperiments，reducingcosts，savin