晶体生长过程中的对流传热与传质

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1、研究生课程考核试卷（适用于课程论文、提交报告）科目：多尺度传热传质理论教师：廖强姓名：康道远学号：20121002029专业：动力工程及工程热物理类别：学术上课时间：2013年5月至2013年7月考生成绩：卷面成绩平时成绩课程综合成绩阅卷评语：阅卷教师(签名)重庆大学研究生院制多尺度传热传质理论论文晶体生长过程中的对流换热与传质-8-多尺度传热传质理论论文晶体生长过程中的对流换热与传质晶体生长过程中的对流换热与传质摘要：介绍了晶体生长的理论和生长的基本过程，并对晶体生长过程中的传热过程进行了分析。发现主要的传热包括导热对流和热辐射，

2、并给出了各个传热方式下热量传递的计算方法。同时介绍了晶体生长的传质过程和基本原理。关键词：晶体生长，传热，传质1.1、晶体生长理论简介随着计算机技术和激光技术的发展，人类已经走进了崭新的光电子时代，而实现这一巨大变化的物质基础不是别的，正是半导体单晶和激光晶体等人工晶体材料。随着晶体材料的进一步发展，必将续写人类科技文明的新篇章。近年来，随着基础学科如物理学、化学等的不断进步，晶体生长理论研究无论是研究方法、研究对象，还是研究层次都得到了很快的发展，已经成为一门独立的分支学科。它从最初的晶体结构和生长形态研究、经典的热力学分析而发展

3、到在原子分子层次上研究生长界面，质、热输运和界面反应问题，形成了许多理论和理论模型。晶体生长理论研究本质上就是完整理解不同晶体其内部结构、缺陷、生长条件和晶体形态四者之间的关系.搞清楚这四者之间的关系，就可以在制备实验中预测具有特定晶体结构的晶体在不同生长条件下的生长形态，通过改变生长条件来控制晶体内部缺陷的生成，改善和提高晶体的质量和性能.1.2、晶体生长的基本过程从宏观角度看：晶体生长过程是晶体—环境相(蒸汽、溶液、熔体)界面向环境相中不断推移的过程，也就是由包含组成晶体单元的母相从低秩序晶体相向高度有序相的转变。从微观角度来看

4、，晶体生长过程可以看作一个“基元”过程。晶体内部结构、环境相状态及生长条件都将直接影响晶体生长的基元过程。环境相及生长条件的影响集中体现于基元的形成过程之中，而不同结构的生长-8-多尺度传热传质理论论文晶体生长过程中的对流换热与传质基元在不同晶面族上的吸附、运动、结晶或脱附过程主要与晶体内部结构相关联。不同结构的晶体具有不同的生长形态，对于同一晶体，不同的生长条件可能产生不同结构的生长基元，最终形成不同形态的晶体。1.3、晶体生长的传热晶体生长是一个动态过程，不可能在平衡状态下进行，而热力学所处理的问题一般都是属于平衡状态的问题。在

5、研究任何过程的动力学问题之前，对其中所包含的平衡问题有所了解，则可以预测过程中所遇到的问题（如偏离平衡态的程度），以及说明或提出解决问题的线索。因而在考虑实际晶体生长情况时，必须确定问题的实质究竟是与达到的平衡状态有关，还是与各种过程进行的速率有关。可以认为晶体生长是控制物质在一定的热力学条件下进行的相变过程。通过这一过程使该物质达到符合所需要的状态和性质。一般的晶体生长多半是指物质从流动相转变为固相（成为单晶体）的过程。因此将牵涉到热力学中的相平衡和相变的问题。相图（平衡图）是将物质体系中各项可能存在的状态，随成分和温度（有时还有

6、压力）改变的情况明确地表现出来的一种图示。也可以认为相图是将晶体生长（流体相变为固相以及固态中的相变）与热力学联系起来的媒介，可以看出整个晶体生长过程的大概趋势。几乎所有的晶体生长过程都是在一定的温度控制条件下进行的，需要充分利用温度场的非均匀性实现晶体的定向生长。因此，温度场的控制是晶体生长过程的核心。溶液法和熔体法晶体生长过程的传热主要包括：（1）坩埚（或晶体）与加热单元之间的换热；（2）坩埚（或晶体）与冷却介质之间的换热；（3）晶体和熔体内部的传热，包括结晶界面释放的结晶潜热在气相法晶体生长过程中还涉及气象和衬底及加热单元之间

7、的换热。不同的晶体生长方法对温度场和传热方式的要求是不同的。现有的晶体生长方法几乎涉及所有的传热方式，即导热、辐射换热和对流换热，而可能出现的热源则包括结晶界面释放的结晶潜热、系统内部的化学反应所释放（或吸收）的热量、加热体的放热及电磁感应造成晶体生长系统内部的放热。-8-多尺度传热传质理论论文晶体生长过程中的对流换热与传质2.1、晶体生长过程中的传热计算2.1.1、导热计算导热是最基本的传热方式。直角坐标系中，傅里叶导热定律为：由上述傅里叶导热定律可以看出，除了晶体生长系统的形状因素之外，导热介质的热导率λ、质量热容cp和密度ρ是

8、控制导热过程的主要热物理参数，这3个参数的影响规律是不同的。在恒定的温度差下，决定热流密度的主要是热导率λ，表示介质允许热量通过的速率。而质量热容cp和密度ρ的乘积则反映了介质的蓄热能力，即介质储存热量的能力，该乘积越大，介质的热惯性