高压合成金刚石腔体温度场的有限元模拟及优化

摘要

利用有限元法对六面顶压机金刚石合成腔体内温度场进行了数值模拟。腔体组装方式采用目前通用的旁热式组装。分析了加热管和传压介质的热导率、电阻率等参数变化对合成腔体内温场的影响。结果表明，金刚石合成腔体内温度峰值位于在石墨加热管上，热流主要经由轴向上的导电钢碗对外耗散;石墨管热导率和电阻率变化对腔体内温场的影响很微小，但是提高石墨管的电阻率值可以显著降低合成电功率的消耗;采用叶蜡石传压介质，合成腔体内产生的轴向温度梯度为1056K/m，温度降为43K。而采用热导率较高的氧化镁传压介质会导致合成腔体内产生高达3562K/m的轴向温度梯度以及114K的温度降。后者会导致金刚石生产能耗增加，品质降低。最后，本文建立了修正的腔体大变形有限元模型，分析表明大变形效应对模拟结果影响微小，压机模型仍待进一步优化。本研究将为金刚石高压合成研究提供一种高效的辅助设计理论方法，对金刚石生产工艺的优化具有一定的参考价值。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 金刚石晶体的结构、性质及应用

1．1．1 金刚石的结构

1．1．2 金刚石的性质及应用

1．2 人造金刚石的合成

1．2．1 金刚石V字型生长区

1．2．2 人造金刚石高压合成工艺

1．2．3 大型化的六面顶压机

1．3 高压合成工艺的有限元模拟及研究现状

1．3．1 模拟的必要性可行性

1．3．2 国内外研究进展

1．3．3 有限元方法简介

1．4 课题的研究意义和内容

1．4．1 课题的研究意义

1．4．2 课题主要研究内容

第二章 有限元模型的建立

2．1 实体模型的建立

2．2 有限元模型

2．2．1 材料参数的选择

2．2．2 单元的选择及网格的划分

2．3 高压合成腔体内的温度场模型

2．3．1 边界条件及假设

2．3．2 高压腔体内温度分布

2．3．3 合成腔体内生热率分布

2．3．4 合成腔体内的热流密度分布

2．4 本章小结

第三章 加热管性能参数对合成腔体内温场的影响

3．1 加热管的性能参数

3．2 加热管性能参数对温度场影响的有限元模拟分析

3．3 石墨性能参数对输入电功率的影晌

3．3．1 合成腔体部分的电功率

3．3．2 合成设备的输入电功率

3．4 本章小结

第四章 传压介质性能参数对合成腔体温度场的影响

4．1 叶蜡石热导率对合成腔体温度场的影响

4．2 MgO传压介质对合成腔体内温度场的影响

4．2．1 叶蜡石与MgO传压介质的对比分析

4．2．2 使用MgO传压介质对输入电功率的影响

4．3 本章小结

第五章 初步修正的腔体大变形模型

5．1 腔体大变形有限元模型的建立

5．1．1 模型的简化

5．1．2 建模思路

5．1．2 有限元模型的建立

5．2 腔体大变形模型有限元模拟结果

5．3 讨论与展望

结论

致谢

参考文献

攻读硕士期间发表论文情况