泡生法藍(lán)寶石單晶生長(zhǎng)熱場(chǎng)分析和數(shù)值模擬的研究

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1、學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū)IIIIIIIIIIIIIIIU}Y1894517江蘇大學(xué)、中國(guó)科學(xué)技術(shù)信息研究所、國(guó)家圖書(shū)館、中國(guó)學(xué)術(shù)期刊(光盤(pán)版)電子雜志社有權(quán)保留本人所送交學(xué)位論文的復(fù)印件和電子文檔，可以采用影印、縮印或其他復(fù)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(shí)授權(quán)中國(guó)科學(xué)技術(shù)信息研究所將本論文編入《中國(guó)學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù)》并向社會(huì)提供查詢(xún)，授權(quán)中國(guó)學(xué)術(shù)期刊(光盤(pán)版)電子雜志社將本論文編入《中國(guó)優(yōu)秀博碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫(kù)》并向社會(huì)提供查詢(xún)。論文的公布(包括刊登)授權(quán)江蘇大學(xué)研究生處辦理

2、。本學(xué)位論文屬于不保密彥。學(xué)位論文作者簽名：多五位勇加，f年∥月／o日指導(dǎo)教師簽名p11年6竅／o＆泡生法藍(lán)寶石單晶生長(zhǎng)的熱場(chǎng)分析與數(shù)值模擬研究ThermalFieldAnalysisandNumericalStudyofSapphireCrystalGrowthbyKyropoulosMethod2011年5月江蘇大學(xué)碩士學(xué)位論文摘要藍(lán)寶石單晶是一種性能優(yōu)越，應(yīng)用廣泛的光學(xué)晶體材料。國(guó)防工業(yè)、紅外技術(shù)和LED市場(chǎng)的迅猛發(fā)展，對(duì)藍(lán)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(lái)生長(zhǎng)大尺寸藍(lán)寶石單晶的泡生法，

3、是一項(xiàng)耗時(shí)、耗能、高成本的長(zhǎng)晶方法。利用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬可以獲得生長(zhǎng)過(guò)程中的一些重要信息，再通過(guò)有限次的實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證藍(lán)寶石晶體生長(zhǎng)所需的生長(zhǎng)條件，即可達(dá)到減少實(shí)驗(yàn)次數(shù)、降低成本、節(jié)省時(shí)間和提高晶體生長(zhǎng)質(zhì)量的目的。論文以泡生法生長(zhǎng)藍(lán)寶石單晶為研究對(duì)象，通過(guò)對(duì)單晶爐進(jìn)行二維軸對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，建立了泡生法藍(lán)寶石單晶生長(zhǎng)的數(shù)學(xué)物理模型，并利用CGSim軟件進(jìn)行了具體的模擬和分析。全文從傳熱學(xué)、流體力學(xué)等基礎(chǔ)理論出發(fā)，重點(diǎn)分析和研究了泡生法藍(lán)寶彳i單晶生長(zhǎng)過(guò)程中的傳熱傳質(zhì)特性、溫場(chǎng)的改進(jìn)與優(yōu)化、晶體中的雜質(zhì)和缺陷控制、退火工藝對(duì)晶體熱應(yīng)力的影響等

4、，并提出了一種優(yōu)化的熱場(chǎng)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(zhǎng)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(guò)某一臨界值，否則會(huì)導(dǎo)致晶體的開(kāi)裂。另外，爐體結(jié)構(gòu)和熱場(chǎng)設(shè)計(jì)的不合理，會(huì)使熔體內(nèi)的流動(dòng)變成上下兩個(gè)、流動(dòng)方向相反的對(duì)流渦旋，從而使生長(zhǎng)界面變得不穩(wěn)定，導(dǎo)致已生長(zhǎng)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(kāi)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(yán)重影

5、響長(zhǎng)晶過(guò)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(dǎo)致三相點(diǎn)附近的晶體內(nèi)熱應(yīng)力過(guò)大，而頂部熱屏的輻射作用在晶體“頸部”聚集，導(dǎo)致晶體“頸部’’熱應(yīng)力也偏高。最后，應(yīng)用改進(jìn)后的溫場(chǎng)設(shè)計(jì)和工藝方法，進(jìn)行了藍(lán)寶石單晶生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)，成功生長(zhǎng)甘：了較大尺寸、質(zhì)量較好的藍(lán)寶石晶體。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中所測(cè)得的引晶功率值及溫場(chǎng)分布情況．與數(shù)值模擬結(jié)果吻合良好，驗(yàn)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(zhǎng)大尺寸藍(lán)寶石單晶的工藝指導(dǎo)，并可作為將來(lái)深入分析研究泡生法藍(lán)寶石單晶生長(zhǎng)機(jī)理的基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞：藍(lán)寶石晶體，泡生

6、法，熱場(chǎng)，數(shù)值模擬，優(yōu)化泡生法藍(lán)寶石單晶生長(zhǎng)的熱場(chǎng)分析與數(shù)值模擬研究江蘇大學(xué)碩士學(xué)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