分離結(jié)晶過程中熔體熱毛細(xì)—浮力對流的研究.pdf

1、新型分離結(jié)晶Bridgman法（簡稱：分離結(jié)晶法）完美地結(jié)合了傳統(tǒng)的Cz提拉法和垂直Bridgman法的優(yōu)點(diǎn)，成為熔體法生長熱敏感性晶體材料的最佳方法。熔體法晶體生長過程中，當(dāng)自由表面上存在溫度梯度時，會在熔體內(nèi)部形成熱毛細(xì)對流。同時，常重力條件下由于熔體密度分布不均勻，還會導(dǎo)致熔體內(nèi)部產(chǎn)生浮力對流。熱毛細(xì)對流與浮力對流的存在，均會引起晶體生長質(zhì)量的下降，分離結(jié)晶法也不例外。因此，掌握分離結(jié)晶過程中熔體內(nèi)部熱毛細(xì)－浮力對流的流動規(guī)律，并

2、對其進(jìn)行主動調(diào)控成為分離結(jié)晶法生長高質(zhì)量晶體材料急需解決的科學(xué)問題。本文即以分離結(jié)晶過程中熔體流動為研究對象，采用理論分析、數(shù)值模擬與相關(guān)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法對其進(jìn)行了較為深入的研究，重點(diǎn)探究熱毛細(xì)－浮力對流的流動規(guī)律，得到了熔體內(nèi)部的速度分布與溫度分布，討論了Marangoni數(shù)、氣縫寬度、熔體高度以及軸向磁場對熔體流動的影響，確定了熔體流動失穩(wěn)的臨界Marangoni數(shù)，分析了流動失穩(wěn)的物理機(jī)制。
　　主要研究內(nèi)容及結(jié)果如下：

3、r>　　首先，建立了分離結(jié)晶過程中控制晶體-熔體-坩堝氣液界面形狀的微分方程組，采用龍格-庫塔法對該微分方程組進(jìn)行了數(shù)值求解。結(jié)果表明，氣液界面兩側(cè)壓差和熔體-坩堝接觸角是影響氣液界面形狀和氣縫寬度的主要因素。αe+θc<180°時，氣液界面為一個凸向熔體側(cè)的彎液面，氣縫寬度隨著氣液界面兩側(cè)壓差的增大而減小，隨著接觸角的增大而減??；αe+θc>180°時，氣液界面為一個凸向氣體側(cè)的彎液面，氣縫寬度隨著氣液界面兩側(cè)負(fù)壓差的減小而增大，隨著

4、接觸角的增大而增大。當(dāng)熔體冷熱端氣壓差調(diào)節(jié)速率與結(jié)晶速率成線性變化時，能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的分離結(jié)晶過程。氣縫寬度的計算結(jié)果，為后續(xù)進(jìn)行熔體熱毛細(xì)-浮力對流的數(shù)值模擬提供了參考依據(jù)。
　　其次，建立了分離結(jié)晶過程中熔體熱毛細(xì)-浮力對流的物理數(shù)學(xué)模型，采用有限差分法對其進(jìn)行了詳細(xì)的三維數(shù)值模擬。結(jié)果表明，在熱毛細(xì)力和浮力的共同驅(qū)動下，熔體內(nèi)部存在上下兩個流動方向相反的流胞。影響熔體內(nèi)熱毛細(xì)-浮力對流的主要因素有Marangoni數(shù)、氣縫寬度

5、和熔體高度等。隨著Marangoni數(shù)的增大，熔體內(nèi)部流動逐漸增強(qiáng)，當(dāng)Marangoni數(shù)超過某一臨界值后，熔體內(nèi)部流動會轉(zhuǎn)變成三維非穩(wěn)態(tài)流動。同時，熔體內(nèi)部流動隨著氣縫寬度和熔體高度的減小而增強(qiáng)，流動失穩(wěn)的臨界Marangoni數(shù)隨著氣縫寬度的減小而增大，隨著熔體高度的減小略微減小。流動失穩(wěn)的物理機(jī)制可以解釋為熔體內(nèi)溫度的變化與速度的變化二者不同步，導(dǎo)致熔體內(nèi)流胞流動出現(xiàn)減弱-增強(qiáng)-減弱的周期性變化過程，當(dāng)這種周期性變化過程被擾動放大

6、時，熔體流動由穩(wěn)態(tài)流動轉(zhuǎn)變成周期性振蕩流動。
　　然后，對軸向磁場作用下分離結(jié)晶過程中熔體熱毛細(xì)-浮力對流的流動規(guī)律進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，軸向磁場能夠有效地抑制熔體內(nèi)部流動，并隨著磁場強(qiáng)度的增大，抑制效果增強(qiáng)。當(dāng)磁場強(qiáng)度增加到一定程度后，磁場對熔體的抑制作用不再增加，說明磁場只能抑制熔體流動，并不能完全消除熔體內(nèi)的熱毛細(xì)-浮力對流。軸向磁場對熔體流動的抑制機(jī)理歸因?yàn)閷?dǎo)電的熔體在軸向磁場內(nèi)流動時，產(chǎn)生了與流動方向相反的洛倫茲力，從而