坩埚下降法生长时体系参数对界面形状影响的计算机研究

本文用有限元分析法研究了坩埚下降法(Bridgman法)晶体生长时界面的位置、温度梯度、生长速率和潜热对界面形状的影响。由计算发现,界面的形状和温度梯度的突变点到界面的距离有密切的依赖关系;由坩埚的移动而引起的热传输,正如预期的那样,有使界面变得更凹的倾向。     

钽酸锂晶体的开裂

研究了各种生长轴向钽酸锂晶体的开裂特征,其共同特点是裂纹的走向都是沿主解理面{01·2}面。探讨了各种因素对晶体开裂的影响和作用,指出生长腔的温场和引晶质量是构成晶体开裂的主要原因。提出了两种晶体开裂机理:液面上温度梯度大时是应力开裂;液面上温度梯度适宜时是孪晶开裂。同时依据两种开裂机理分别提出了消除开裂的有效措施。     

大尺寸BaF_2晶体开裂的研究

本文指出了大尺寸(φ100mm)BaF_2单晶生长过程中的开裂因素,分析了大尺寸BaF_2单晶生长时能允许的最大轴向温度梯度,降温速率以及由于热应力引起的最大合成应变。相应地改善了温场,确定了最佳晶体生长工艺,采用坩埚下降法生长出了无开裂的φ100mm的完整晶体。     

温度场对白宝石晶体生长质量的影响

熔体提拉法生长晶体时温度场的分布对晶体的质量有着重要影响.采用电阻加热提拉法生长白宝石晶体时,由于腔体内的温度梯度较小,使得晶体的外形难以控制.当液面上坩锅中心附近处的轴、径温度梯度过小时,生长初期放肩就难以控制;且生长晶体的等径度易成螺旋状.当轴、径向温度梯度较大时,虽然晶体外形容易控制,但晶体容易开裂,因而其成品率较低.与此同时晶体的转速决定着固液界面的形状,微凸界面是生长高质量晶体的必要条件.当白宝石晶体外形不好时,其内部容易产生散射颗粒、气泡等缺陷.研究通过调整生长装置和转速,找到了生长优质晶体的温度场.实验获得了Φ60×120mm的优质白宝石晶体.     

人造氟金云母的结晶习性与缺陷

本文从晶体结构出发,研究了人造氟金云母的结晶习性与缺陷。认为缺陷主要是沿着镁离子点阵行列分布的面缺陷,文中讨论了如下几个问题:(1)结晶习性的各向异性。a 轴方向生长最快,b 轴次之,c 轴方向最慢。从各族晶面比表面能大小解释了这种差异;(2)籽晶取向,沿b 轴方向生长较沿 a轴方向生长的晶体质量为好。由于 a轴与 b轴方向生长速率的不同,对温度稳定性的要求也有差异。b 轴向生长较 a轴向生长易于控制,缺陷出现几率少。a 轴向生长时晶体缺陷沿着{110}和{110}族晶面发育,b 轴向生长时晶体缺陷沿着{110}和{110}族晶面发育;(3)固液界面的形状与晶体缺陷密切相关。从晶体的结晶习性出发,分析了平界面生长时晶体中缺陷少的原因,提出凸界面和凹界面的缺陷是由于生长过程中各族晶面生长速率不匹配所造成的,认为生长界面的形状是各族晶面的包迹。     

ScAlMgO4晶体的生长缺陷

采用提拉法生长出φ30 mm×55mm的ScAIMgO4晶体.在晶体生长过程中有轻微的挥发,粉末X射线衍射分析表明:挥发物质为MgO单相.运用扫描电镜、光学显微镜以及高分辨X射线衍射仪对晶体中的包裹物、开裂、生长条纹和小角晶界缺陷进行了研究.结果表明;温度梯度和热应力是形成晶体中缺陷的主要原因.通过合理设计温场,控制固-液界面的形状及冷却过程的降温速率,可以提高晶体的完整性.     

生长大尺寸氟化钡单晶的温场设计

本文分析了生长大尺寸BaF_2晶体对温场的要求,具体设计和实现了满足生长要求的温场;讨论了温度梯度与坩埚下降速度的关系及对晶体质量的影响。     

空间低温氧化物熔体晶体生长的数字模拟研究

地面上 ,由于受浮力对流、分层和沉淀等因素的影响 ,难以阐明晶体生产和凝固现象的本质 ,从而无法获得组份均匀、结构完整和性能优良的材料 ,因此自七十年代以来 ,已进行了大量的空间晶体生长实验 ,但由于对空间环境在晶体生长过程中的流体效应参数缺乏了解 ,实验结果往往与设想的不一致。数字模拟方法可以模拟实际晶体生产过程 ,了解晶体生长参数的变化对晶体生长的影响 ,本文利用数字模拟的方法 ,对本实验室建立的空间三维实时观察装置中 ,低温生产NaNO3熔体晶体中的流体效应及温场进行了数字模拟研究 ,结果表明 ,在地面生长 ,熔体内部存在复杂的双涡流动模式 ,重力对熔体中的温场和速度场的分布产生强烈的作用 ,而在空间 ,当微重力水平达到一定程度时 ,可以使熔体中的流动模式简单化 ,从而降低流动效应对传热、传质造成的不稳定性和不均匀性 ,有利于提高晶体生长的质量。同时通过对流场中的温度分布分析表明 ,降低重力可以明显改变晶体生长固液界面附近的温度梯度 ,并使温场 ,速度场分布朝着稳态生长的方向发展     

高温合金定向凝固中自然对流和界面形状的模拟

采用有限元方法模拟了DZ417G镍基高温合金定向凝固过程中的温度场、流场和界面形状的变化,考察了凝固阶段坩埚的拉速和炉子的温度梯度对流场和界面形状的影响.结果表明,随着拉速从6mm/min增加到24mm/min,凝固界面上方产生的中心向上流动的旋涡强度增加,界面的差值f从1.5mm增大到7.2mm,曲率显著增加;当拉速为6mm/min时,随着温差增加到1000℃后,凝固界面上方未产生新的旋涡,凝固界面可始终保持平界面.     

固定管板式换热器的温度场数值分析

在对实际结构进行合理简化的基础上,以影响流动和传热的主要结构建立了某固定管板式换热器温度场数值计算模型,采用分段模拟、整体综合的方法,利用CFD软件Fluent对该换热器在正常操作工况下的流动与传热情况进行了数值模拟,得到了计算流道上有关各个构件的壁温场分布,并把主要结构CFD数值计算的结果与实测温度数据进行了对比。结果表明,CFD模拟模型数值分析得到的温度数据与实测数据相符,说明温度场的数值模拟分析方法及其流动条件的假定是符合实际的,计算参数选择是合理可行的。有关固定管板换热器中管束、管板和壳体的温度梯度变化情况的分析表明,尽管在它们的轴向、周向和径向都存在温度梯度,但是温度梯度变化最大的方向是轴向,这意味着轴向将产生最大热应力。     

加热器/坩埚相对位置对ф200mm单晶硅生长过程中温度场和晶体质量的影响

采用CGSim晶体生长软件,对现有工业单晶炉中的加热器位置进行优化并分析了其对热场、固液界面、晶体中温度梯度和氧含量的影响。结果表明,随加热器的上移,功率消耗略有降低,熔体内的温度梯度逐渐下降,在高埚位的生长条件下可以适当提升拉晶速率;同时,固液界面也趋于平坦,晶体中的温度梯度有所减少,从而可以有效地抑制缺陷的形成。另外,晶体中的氧含量也有一定程度的下降。可以得出,在晶体等径生长初期,提高加热器的位置是降低晶体生长成本和提升晶体品质的途径之一。     

自然对流对于熔体生长中小面化的影响

应用基于边界保角变换技术的Ｇａｌｅｒｋｉｎ有限元方法，研究熔体生长中动力学效应和自然对流的耦合作用探究了对流对生长系统中的温场分布、相界面２以及界面过冷度的影响。研究结果表明：自然对不充可使相界面的弯曲度减小，界面的相对位置降低，同时，对流使得小面端点处的夹角变得圆滑，小面域和粗糙面域的界线变得不明显，相应地，小面尺寸有所减小。     

散热参数对冷心放肩微量提拉法生长蓝宝石晶体影响的数值模拟

利用数值模拟分析的方法,研究了冷心放肩微量提拉法生长蓝宝石晶体过程中热交换器散热参数对晶体质量的影响趋势;分析了热交换器的散热参数变化对晶体生长的固液界面凸出率和晶体内温度分布、温度梯度的影响.结果表明,热交换器的对流换热系数和工作流体的温度变化对晶体生长的固液界面突出率和温度梯度具有相似的影响效果;且在晶体长到一定尺寸后,只靠加大热交换器的散热热能力,不足使晶体继续生长.     

碳素扩散场对塔状晶体合成的影响

高温高压温度梯度法生长宝石级金刚石时,碳素的扩散场会对晶体品质产生很大影响.不同分布的扩散场适合生长不同形貌的晶体.研究发现,图1的碳素扩散场适合生长尺寸较大的板状晶体.合成高温塔状晶体时,若β>0.6,合成出的绝大多数晶体内都会出现大量的包裹体.该扩散场不适合生长β值较大的塔状晶体.通过有限元模拟,得到了该扩散场碳素浓度等值线分布图.找到了该扩散场适合板状晶体生长的原因是碳素在扩散场的分布与板状晶体的形貌要求相匹配,与塔状晶体生长的要求相违背导致的.     

基于格子波尔兹曼法的热障陶瓷涂层凝固生长过程模拟

热障涂层(TBCs)在使用过程中表面陶瓷层的脱落是影响其使用寿命的关键,针对以上问题,建立了凝固生长过程流动及传热传质模型,用格子波尔兹曼法(LBM)研究了涂层凝固生长过程。结果显示:不考虑对流影响时,晶体生长的形貌呈现对称十字枝晶形状;在考虑对流的情况下,迎流部分生长快,背流部分生长受到抑制。在大的过冷度影响下,晶界出现波动,出现二次枝晶生长。等离子喷涂涂层在温度梯度下朝向正温度梯度方向呈柱状晶生长。枝晶生长受到对流的影响和侧向温度梯度的影响。迎流方向和大温度梯度方向枝晶形貌发达,背流方向和小温度梯度处枝晶生长受到抑制。     

白宝石弓形片晶体生长研究

;对于采用电阻加热导模法生长白宝石弓形片来说,模具顶端的温度场对晶体外形控制起着关键作用.实验发现模具顶端附近径向温度梯度1.6℃/mm、轴向温度梯度3.3℃/mm时,晶体生长较易获得理想的晶体外形.对于晶体生长过程中产生的气泡,实验设计了合适的模具、找到了适宜的工艺参数,有效地解决了这个问题.小角晶界的产生,可通过选用高质量的籽晶、采用缩径放肩工艺、调整模具顶端的形状来消除.通过这些问题的解决,实验生长出外形(2.6×30×240)mm和晶体内部质量符合手表镜面要求的白宝石弓形片.     

液液水力旋流器流场特性与分离特性研究（二）——锥角变化对轴向速度 …

研究了液液水力旋流器锥角变化对其轴向速度场分布的影响，主要讨论了大、小锥角变化时大锥段和小锥段轴向速度场的分布情况，得出了一些有益的结论。     

液液水力旋流器流场特性与分离特性研究(二)——锥角变化对轴向速度场的影响

研究了液液水力旋流器锥角变化对其轴向速度场分布的影响， 主要讨论了大、小锥角变化时大锥段和小锥段轴向速度场的分布情况，得出了一些有益的结论。     

正八棱形套管连续式超声反应器声强分布研究

在大尺寸正八棱形套管连续式超声场污水处理装置内采用无限大障板上活塞形振动元为模型分析了其声场分布特性,采用声强测量仪测量了该反应室轴向和径向的声强分布。结果表明:反应器内声场由各换能器近声场部分叠加而成,轴向和径向的声强分布具有相似的分布结果;多频组合的声强分布均匀性优于单频平行辐射声场,正交辐射声场各频率组合都表现出较好的声强分布均匀性,其中以30-30-30-30kHz的频率组合最佳,声强变化幅度轴向小于5%,径向小于10%;混响声场轴向和径向的声强变化幅度均小于10%,且具有较高的声强强度,平均声强约为0.95W·cm-2,大大减少了由于反应器形状而产生的空化死角,有利于超声空化效应的发生。     

不同形状喷嘴的射流流动与卷吸特性

在不同雷诺数下,基于ANSYS Fluent 6.3软件对圆、椭圆、正方、十字、三角5种形状喷嘴的射流卷吸特性进行数值模拟,分析了轴向射流时均速度分布. 结果表明,三角形喷嘴的射流轴向最大时均速度最大,不同形状喷嘴的射流轴向最大时均速度均随轴向位置增大呈幂函数关系衰减;射流穿透深度与雷诺数和弗劳德准数存在多元线性关系;随轴向位置增大,射流横截面形状由初始段内喷嘴形状逐渐向圆形转化并最终扩展为圆形边界;射流轴线速度半值宽随轴向位置增加呈线性增大趋势,三角形喷嘴的卷吸率是十字形喷嘴的1.92~2.32倍.