泡生法蓝宝石单晶生长热场分析和数值模拟的研究

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1、学位论文版权使用授权书IIIIIIIIIIIIIIIU}Y1894517江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊(光盘版)电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致，允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入《中国学位论文全文数据库》并向社会提供查询，授权中国学术期刊(光盘版)电子杂志社将本论文编入《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》并向社会提供查询。论文的公布(包括刊登)授权江苏大学研究生处办理

2、。本学位论文属于不保密彦。学位论文作者签名：多五位勇加，f年∥月／o日指导教师签名p11年6窍／o＆泡生法蓝宝石单晶生长的热场分析与数值模拟研究ThermalFieldAnalysisandNumericalStudyofSapphireCrystalGrowthbyKyropoulosMethod2011年5月江苏大学硕士学位论文摘要蓝宝石单晶是一种性能优越，应用广泛的光学晶体材料。国防工业、红外技术和LED市场的迅猛发展，对蓝宝石单晶材料提出了更高的要求，即大尺寸、高质量、性能稳定。然而，目前用来生长大尺寸蓝宝石单晶的泡生法，

3、是一项耗时、耗能、高成本的长晶方法。利用计算机数值模拟可以获得生长过程中的一些重要信息，再通过有限次的实验来验证蓝宝石晶体生长所需的生长条件，即可达到减少实验次数、降低成本、节省时间和提高晶体生长质量的目的。论文以泡生法生长蓝宝石单晶为研究对象，通过对单晶炉进行二维轴对称结构简化，建立了泡生法蓝宝石单晶生长的数学物理模型，并利用CGSim软件进行了具体的模拟和分析。全文从传热学、流体力学等基础理论出发，重点分析和研究了泡生法蓝宝彳i单晶生长过程中的传热传质特性、温场的改进与优化、晶体中的杂质和缺陷控制、退火工艺对晶体热应力的影响等

4、，并提出了一种优化的热场结构。在数值模拟和分析中发现，较大的轴向温度梯度有利于提高晶体的生长速率，而大的径向温度梯度有利于微凸界面的形成，但轴向温度梯度和径向温度梯度均不宜超过某一临界值，否则会导致晶体的开裂。另外，炉体结构和热场设计的不合理，会使熔体内的流动变成上下两个、流动方向相反的对流涡旋，从而使生长界面变得不稳定，导致已生长出的晶体出现重熔，减小了晶体的有用率，甚至使晶体出现宏观缺陷并极易开裂。研究还发现，在高温、高真空度的条件下，炉内的传热方式以辐射为主，炉体顶部热屏结构、坩埚支座形状、以及炉底是否增加保温砖等，均严重影

5、响长晶过程中的功率消耗。此外，由于泡生法的特殊炉体结构，使得晶体边缘距离热源较近，导致三相点附近的晶体内热应力过大，而顶部热屏的辐射作用在晶体“颈部”聚集，导致晶体“颈部’’热应力也偏高。最后，应用改进后的温场设计和工艺方法，进行了蓝宝石单晶生长实验，成功生长甘：了较大尺寸、质量较好的蓝宝石晶体。实验过程中所测得的引晶功率值及温场分布情况．与数值模拟结果吻合良好，验证了数值模拟所得出的结论。本文的分析结果，可以作为泡生法生长大尺寸蓝宝石单晶的工艺指导，并可作为将来深入分析研究泡生法蓝宝石单晶生长机理的基础。关键词：蓝宝石晶体，泡生

6、法，热场，数值模拟，优化泡生法蓝宝石单晶生长的热场分析与数值模拟研究江苏大学硕士学位论文ABSTRACTSapphireisanopticalcrystalmaterialwithsuperiorperformanceandwideapplications．Withtherapiddevelopmentofdefenseindustry,infraredtechnologyandtheLEDmarket，higherrequirementisproposedforsapphirecrystal：largesize，hi【ghqua

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

8、anoptimizethegrowingconditionsofsapphirecrystalgrowthandachievethepu巾oseofreducingthenumberofexperiments，reducingcosts，savin