轴向磁场对多晶硅定向凝固过程中热流场的影响

采用Comsol 4.3a软件建立了轴向磁场作用下多晶硅定向凝固的二维轴对称模型,通过有限元方法将硅熔体中的电磁场、温度场和流速场进行了耦合数值计算。结果表明:当磁场线圈中心面位于熔体中心面下方60 mm处时,其磁场线高密度集中在熔体中心面下方强浮力对流区域,且均匀分布。此时硅熔体的最大流速为41μm/s,相比磁场线圈位于熔体中心面上方60 mm处的流速场减小了41.43%。随着磁场强度的增加,硅熔体中等温线越来越稀疏。与未施加磁场相比,轴向温度梯度减小了15 K/cm,硅熔体中的晶体生长速率增加。硅熔体温度梯度与晶体生长速率之比GL/Vs值变小会使得其结晶前沿界面产生组分过冷,导致细晶的生成,这方面有待于进一步的研究。     

稳恒磁场对多晶硅定向凝固晶体生长的影响

采用基于有限元方法的Comsol 4.3a软件,对有、无稳恒磁场作用时多晶硅定向凝固晶体生长过程进行了模拟分析。根据模拟结果,阐明了稳恒磁场对硅熔体的流场、热场以及固液界面形状的影响。数值计算表明:与未添加磁场相比,施加稳恒磁场后,硅熔体的流动区域变小,最大流速从70.793μm/s下降到了60.623μm/s,减少了14.37%,硅熔体上表面的紊波受到了抑制;硅熔体的轴向温差下降了1/3,径向温差增大了1/3;硅熔体的固液界面趋于平坦,有利于多晶硅晶体生长。     

轴向磁场下多晶硅铸造过程的仿真模拟

利用多物理场耦合分析软件COMSOL Multiphysics4.2对多晶硅铸造过程进行模拟仿真,得到轴向磁场作用下多晶硅定向生长过程中的流场和温度场分布,以及磁场对坩埚内流场和温度场的影响,并分析了磁场作用机理,为磁场在多晶硅生产中的应用提供了参考依据。     

脉冲磁场下铝合金定向凝固磁场分布数值模拟

采用ANSYS 8.0有限元分析软件对铝合金脉冲磁场定向凝固磁场分布作了数值模拟,得到了凝固过程中的磁场分布状态.结果表明:在试样中心附近磁感应强度较强,而在端部较弱.模拟结果和实验测得结果相符合.通过数值模拟,不仅可以初步了解凝固过程中的磁场分布状态,而且有助于进一步研究凝固组织细化的原因.     

稳恒磁场对多晶硅定向凝固结晶阶段流速场的影响

采用有限元Comsol 4.3a软件对多晶硅定向凝固结晶阶段3个时期（前期、中期、后期）坩埚内硅熔体的流速场进行数值模拟,并与不同磁场强度下的硅熔体流速场进行了对比分析。结果表明,硅熔体的平均流速随着结晶时间的延长而减小,从初期的38 μm/s减小到后期的16 μm/s,下降了57.89%。施加磁场后,硅熔体的平均流速随着磁场强度的增大而减小：结晶初期、中期和后期,硅熔体的平均流速分别减小了42.11%、58.59%和45.16%。结晶阶段3个时期分别施加磁场强度为0.6、0.4、0.2 T时,磁场对硅熔体的对流抑制作用最为明显。     

多晶硅的真空感应熔炼及定向凝固研究

以工业硅为原料进行了多晶硅的真空感应熔炼及定向凝固研究，用自行设计的真空定向凝固设备制备了多晶硅铸锭。金相显微镜观察显示铸锭的显微组织为粗大的柱状晶，经电感耦合等离子体发射光谱仪分析，其纯度由99．50％提高到99．86％，各种杂质含量都有所减少。     

坩埚厚度对多晶硅定向凝固的影响

运用Comsol Multiphysics有限元软件对多晶硅的定向凝固过程进行了模拟,分析了不同坩埚厚度(15、20、25 mm)对多晶硅熔化、结晶过程及晶体热应力的影响。结果表明:当坩埚厚度为15 mm时,熔化所需要的时间最短,比坩埚厚度为20 mm和25 mm时分别少31 min和74 min;结晶初期,坩埚厚度为25 mm时的固液界面最为平坦,最有利于晶体的生长;多晶硅晶体底部边缘和顶部边缘区热应力高;坩埚厚度为15 mm时,晶体内热应力最大,且随着坩埚厚度的增大,两个区域的应力都减小。     

太阳能级多晶硅定向凝固技术的研究进展

随着太阳能光伏产业在全球范围内的迅猛发展,作为太阳能电池最基础的原材料一高纯多晶硅,在全球范围内严重短缺,迫切需要发展一种高效率低成本的太阳能级多晶硅的制备方法。在各种生产多晶硅的方法中,定向凝固多晶硅因其成本低、环境污染小,工艺相对简单、成熟,且能直接使用冶金级硅为原料的特点,被寄予很大的希望来实现大规模太阳能级硅的生产。本文综合评述近年来太阳能级多晶硅定向凝固技术的研究进展,着重阐述冶金级硅中磷和硼的提纯,以及多晶硅定向凝固组织和缺陷的控制,并提出今后的研究发展方向。     

恒定磁场作用下Al-Pb合金快速定向凝固

在恒定磁场作用下对Al-Pb合金进行了快速定向凝固实验,考察了磁场强度对凝固组织的影响,分析了磁场的作用机理.结果表明,恒定磁场能显著减弱熔体对流,提高凝固界面前沿液-液相变过程的空间均匀性,减缓液滴的碰撞凝并速度,使凝固试样中的弥散相粒子最大和平均尺寸减小,粒子尺寸分析布范围变窄,有助于获得弥散型偏晶合金凝固组织.     

超强磁场定向凝固试验装置的研制

将强磁场与LMC定向凝固技术相结合,研制出了一套新型强磁场下定向凝固装置.该装置兼有快速液淬固定液固界面的功能,其主要性能指标为温度梯度GL=260℃/cm,最高温度1600℃,抽拉速度R=0.5～104μm/s,定向凝固在充H2或惰性气体保护气氛下进行.定向材料最大尺寸为φ10×150(mm).通过调整试样、加热温度及凝固速率,可满足各种不同要求的定向凝固试验.     

定向凝固中行波磁场和高频交流磁场的复合磁场模拟计算

利用ANSYS平台的开发环境,在ANSYS自有的APDL参数化功能和电磁场理论知识的基础上,结合定向凝固过程中的复合电磁场特点,提出了求解频率相差多个数量级的复合电磁场的方法,以及后处理中求复合电磁场平均值的方法,实现了复合电磁场的模拟计算。后处理结果分析表明,复合电磁场的磁通密度为单一行波磁场的磁通密度与单一高频交变磁场的磁通密度的矢量和,复合磁场产生的洛伦兹力要远大于各种频率的单频率场的线性叠加。     

隔热笼开度对高效多晶硅定向凝固的影响

采用高效多晶半熔工艺,实验对比了隔热笼开度为2 cm和8 cm两种工艺下的籽晶界面保留及硅锭内部硬质点和少子寿命的分布。结果表明,采用隔热笼开度为8 cm工艺,避免了硅料熔化过程中坩埚底部籽晶熔化而导致引晶效果不佳的问题,保证了硅锭较高的效率。     

坩埚形状对多晶硅定向凝固热流场的影响

采用Comsol Multiphysics模拟软件研究了三种不同形状的坩埚(圆形、底部凹形及倒锥形)对多晶硅定向凝固过程中热场及流场的影响。结果显示:圆形和底部凹形坩埚内熔体的热场差异不大,而与这两种坩埚相比,倒锥形的坩埚可以得到更加均匀的热场分布及平直的固液界面;三种坩埚内熔体底部及侧壁区域的热对流变化基本相同,但熔体中心区域不同;圆形及底部凹形坩埚内中心区域的热对流较弱,而倒锥形坩埚内熔体中心区域的热对流较强,这在一定程度上有利于熔体内杂质的排出。     

研究合金定向凝固组织的脉冲磁场设备的研制

介绍了脉冲电磁场发生设备的工作原理 ,设计等。并介绍了其如何与合金的定向凝固设备结合 ,以实现对合金的定向凝固组织在脉冲电磁场作用下的研究。     

隔热笼提升速度对高效多晶硅定向凝固的影响

在多晶硅锭生长过程中,通过控制铸锭炉内隔热笼提升速度,可以获得杂质较少、少子寿命较长的高效多晶硅锭。试验将隔热笼提升速度分别设置为:1、5和12 mm/h。采用数值分析软件计算了硅锭内部的温度分布,并理论分析了产生该现象的原因。结果表明:隔热笼提升速度设置为5 mm/h时,硅锭整体缺陷相对较少、绝大部分杂质富集在硅锭周围且少子寿命较长区域所占比例较大。     

多晶硅定向凝固过程中晶体内热应力场的数值模拟

通过基于有限元方法的Comsol Multiphysics 4.3a软件模拟了多晶硅定向凝固过程中的热应力场,分析了炉膛内温度梯度,以及坩埚底部不同倒角半径对晶体内热应力的影响。结果表明:多晶硅晶体中存在两个高热应力区,热应力最大值出现在晶体底部边缘,其次为靠近晶体顶部边缘处。当炉腔内温度梯度从3 K/cm增加到6 K/cm时,晶体内热应力的平均值从34.18 MPa增加到了56.75 MPa,热应力的平均值增加了66.03%。随着温度梯度的增加,晶体内热应力平均值增长幅度逐渐减小。当坩埚底部倒角半径从10 mm增加到20 mm时,晶体内热应力的平均值从78.12 MPa减小到了63.25 MPa,热应力的平均值减小了19.03%。随着坩埚底部倒角半径的增加,晶体内热应力平均值减小幅度逐渐降低。     

多晶硅定向凝固过程中热电磁流动的数值模拟

采用基于有限元分析方法的COMSOL 4.3a多物理场仿真软件,模拟了稳恒磁场作用下,硅熔体在多晶硅定向凝固过程中热电磁流动的变化规律。结果表明,当0≤B0.4T时,硅熔体流动区域以及平均流速随着磁感应强度的增大而增大,磁场对硅熔体的流动起促进作用;当磁感应强度为0.4T时,平均流速最大值为60.15μm/s,硅熔体流动能力最强;当0.4TB≤1.0T时,硅熔体的流动区域以及平均流速随着磁场的增大而减小。相比增长阶段,下降幅度较快,磁场对硅熔体的流动抑制作用明显。根据热电磁流体动力学理论阐明了热电磁力和电磁力对热电磁流动的影响。     

传热过程对多晶硅真空定向凝固过程的凝固界面及热应力的影响

以实验室10 t/a VODS型多晶炉为原型,对其凝固过程的热场、固液界面和热应力进行了瞬态模拟与实验验证。结果表明:在坩埚底部有水冷热交换块的真空定向凝固系统中硅料凝固会产生较大的热应力,增加环形保温结构使热区封闭后可改变炉内换热过程,从而改变硅料凝固情况;硅料在坩埚底部为石墨热交换块的系统中凝固时产生的热应力相对较小,但固液界面的形状会发生较大的改变,影响晶粒的生长。炉膛内径适当变宽有利于炉内热区温度分布更合理,使得硅料凝固时的固液界面更加理想。通过实验验证了多晶硅在坩埚底部无需进行水冷换热情况下进行真空定向凝固能达到冶金法生产太阳能级多晶硅的要求,这为提高冶金法制备太阳能级多晶硅质量、降低系统能耗具有一定的指导意义。     

定向凝固条件下亚共晶铸铁凝固特性的研究

用定向凝固方法,对亚共晶成分铸铁的凝固特性进行了研究。结果表明,当铸铁按稳定系凝固咸灰口铁时,先共晶奥氏体枝晶的数量和发达程度随凝固速度的增大面增加。面当铸铁按介稳系凝固成白口铁时,先共晶奥氏体枝晶的数量和发达程度都基本上不随凝固速度的变化面改变。分析指出,灰铸铁的共晶凝固温度随凝固速度的增大面降低,而白口铁很难过冷,其共晶凝固温度基本不变．     

磁场对偏晶合金定向凝固组织的影响

横向均匀静态磁场可以有效地抑制定向凝固过程中熔体中的对流;磁场的作用使偏晶系 Ａｌ６ ．５ Ｂｉ 合金纤维组织间距和纤维直径减小,而且组织分布更加均匀。