自适应热边界法生长蓝宝石晶体的数值模拟研究

摘要

蓝宝石晶体材料因其优异的综合性能，而被广泛应用于航空航天等工业领域。随着现代科学技术的发展，蓝宝石晶体的尺寸、质量以及产量等已无法满足现代工业对蓝宝石材料的需求。因此，提出一种能够实现高质量、大尺寸蓝宝石自动化、程序化生产的新技术成为了蓝宝石晶体生长领域的关键问题。
　　本文以泡生法生长蓝宝石晶体为基础，合理简化炉体模型，采用有限元方法对7种不同规格蓝宝石在引晶、放肩、等径生长及收尾等不同生长阶段的生长过程进行数值模拟，通过调节蓝宝石晶体生长的热边界条件，获得了蓝宝石生长各阶段的温度场分布、固液界面处的温度梯度分布，固液界面角以及应力分布等结果。将获得的数值模拟结果作为评价蓝宝石晶体生长所处热场是否合适的标准，并根据结果反馈来调整所施加的热边界条件，不断优化热边界条件以保证蓝宝石晶体能够获得满足其稳定生长所需的准确热量，从而获得高质量的蓝宝石晶体。
　　在引晶阶段，保持坩埚壁温不变，通过提高冷却水的对流换热系数配合籽晶的微量提拉以实现晶体的引晶生长；在放肩生长阶段，继续提高冷却水对流换热系数的同时配合降低壁温以实现晶体的放肩生长；在蓝宝石晶体进入等径生长阶段之后，主要通过降低坩埚壁温的方式来维持晶体继续向下生长；晶体生长进入收尾阶段时，缓慢匀速降低壁温，降低冷却水的对流换热系数，可以在降低晶体生长速率，使晶体平稳收尾的同时，消除晶体内部热应力，提高晶体质量。
　　最终根据蓝宝石晶体生长各阶段的温度分布、温度梯度分布、固液界面角以及应力分布等数据对生长热边界进行调整，得到适宜蓝宝石生长各阶段的热边界条件，提出了以泡生法为基础的自适应热边界法生长大尺寸蓝宝石晶体的思路。
　　本课题放弃对炉体特定结构的调整，通过模拟最适宜蓝宝石生长过程的热场，最终得出蓝宝石生长过程所需的热边界条件，在实际生产中只要保证设计的炉体结构和能量输入能够实现各生长阶段的合适的热边界条件即可，以此为大尺寸蓝宝石晶体的程序化、自动化生产实现提供理论参考。

目录

物理量名称及符号表

第1章 绪 论

1.1 课题研究的背景和意义

1.2 国内外在该方向的研究现状及分析

1.3 本文的主要研究内容

第2章 自适应法生长蓝宝石晶体的数学物理模型

2.1 引言

2.2 泡生法晶体生长的物理模型

2.3 泡生法晶体生长的数学模型

2.4 网格无关性验证

2.5 本章小结

第3章 自适应法生长蓝宝石晶体的温度场模拟

3.1引言

3.2数值模拟初始及边界条件

3.3蓝宝石生长各阶段温度场模拟

3.4蓝宝石晶体生长各阶段的固液界面角分布

3.5蓝宝石晶体生长各阶段固液界面处的温度梯度

3.6本章小结

第4章 自适应法生长蓝宝石晶体的应力场模拟

4.1 引言

4.2数值模拟初始及边界条件

4.3蓝宝石晶体的应力场分布

4.3 蓝宝石晶体中心位置应力随晶体高度分布

4.4 蓝宝石晶体在肩部外表面的应力分布

4.5 蓝宝石晶体在不同生长阶段半径方向上的应力分布

4.6蓝宝石生长各阶段的热边界条件

4.7本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文及其它成果

声明

致谢