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[学位]

热交换法蓝宝石晶体生长过程数值模拟方法及传热机理研究

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Author:

吴明 (吴明.)

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Abstract:

蓝宝石晶体是目前最常用的LED(固体发光二极管)衬底材料,生长高质量、低成本蓝宝石晶体对于降低LED成本、提高LED性能显得尤为重要。热交换法是生长大尺寸、高质量蓝宝石晶体的重要方法,热交换法生长系统内部的传热传质直接决定了结晶炉内部的温度分布、熔体流动以及结晶界面形状,进而影响蓝宝石晶体质量和加热功率。因此,研究蓝宝石晶体热交换法生长过程中的传热传质机理及其控制,对于降低蓝宝石晶体的生产成本、提高晶体质量具有重要意义。
本文针对热交换法蓝宝石晶体生长过程中的传热现象,开发了适合于描述热交换法系统内传热、流动特征的基本数值算法,建立了蓝宝石晶体生长过程的全局传热数值模型,研究了热交换法蓝宝石晶体生长过程中晶体内辐射换热机理,以及坩埚盖板、坩埚位置对于传热传质的影响机理,分析了蓝宝石晶体不同长晶阶段结晶界面形状,并提出相应改进方案对结晶界面形状进行控制。
首先,提出了一种能够在固定网格下准稳态模拟纯物质固液相变的焓方法。基本思想为将固液界面处释放或者吸收的相变潜热分散在界面附近的一个区域内。通过和自适应网格法的结果进行对比,验证了本文提出的方法,并研究了网格大小和类型、潜热分散区域大小以及相变速率对计算精度的影响。在此基础上,提出了潜热分布函数的一般形式。潜热分布函数的选择原则为将潜热分散区域内的相变潜热集中在固液界面上。根据选取原则获得的潜热分布函数,不仅可以控制计算精度,而且不再需要提前选择潜热分散区域的大小。本文研究了两种相变潜热分布函数的对计算精度影响。结果表明将相变潜热适当地集中在固液界面上有利于提高计算精度。
其次,针对蓝宝石热交换法生长过程中晶体内辐射现象,发展了辐射换热数值模型。针对有限体积法中由于镜面反射引起的控制角交错现象,提出了一种改进处理方法,通过和原有方法进行对比,发现改进方法能够有效地降低控制角交错所导致的计算误差。在此基础上,研究了晶体内辐射对蓝宝石长晶过程中传热流动的影响机理,结果表明晶体内辐射能够显著强化蓝宝石区域内部的传热以及增加结晶界面凸度。
然后,基于所建立的全局传热模型和所开发的数值模拟方法,分别研究了坩埚盖板和坩埚轴向位置对长晶过程中传热和熔体流动的影响机理。
通过对比分析有盖板和无盖板两种生长系统内部的热场和熔体流动,发现坩埚盖板能够显著影响熔体区域的换热和温度分布。加入坩埚盖板后,熔体区域的轴向温度梯度增加,径向温度梯度降低,从而导致熔体流动减弱,同时结晶界面凸度减小,晶体外围热应力也相应降低。因此,加入坩埚盖板有利于蓝宝石晶体生长。
通过对比分析不同坩埚位置下系统内的热场和熔体流动,发现坩埚位置能够明显影响熔体区域和晶体区域的换热。在长晶阶段,随着坩埚位置的上升,熔体流动增强,结晶界面凸度增加;在退火阶段,随着坩埚位置的上升,晶体内温度分布更加均匀,晶体内热应力降低。因此,在长晶阶段应该适当降低坩埚位置,而在退火阶段则应当升高坩埚位置,以生长高质量的蓝宝石晶体。
最后,研究了热交换法制备蓝宝石晶体过程中不同生长阶段结晶界面形状及其影响因素。在扩径生长阶段,会出现结晶界面和坩埚接触角为钝角的现象,不利于晶体生长。可以通过在坩埚底部设计辐射挡板来抑制钝接触角的出现。结晶界面凸度过大是等径生长阶段存在的问题,研究发现,通过分段控制坩埚侧壁外壁面的表面发射率可以有效降低等径生长阶段结晶界面的凸度。对于整个长晶过程,提出了在坩埚底部附近设计隔热环来控制结晶界面形状的技术方案。研究结果表明隔热环设计能够有效抑制扩径生长阶段钝接触角的出现,同时也能降低等径生长阶段结晶界面的凸度。
以上研究揭示了热交换法蓝宝石晶体生长过程中传热机理以及热区组件对温度分布和熔体流动的影响规律,能够为实际生产中的结构改进和工艺优化提供指导,从而提高蓝宝石晶体质量以及降低生产成本。

Keyword:

传热 辐射换热 蓝宝石 热交换法 数值模拟

Author Community:

  • [ 1 ] 西安交通大学能源与动力工程学院

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Basic Info :

Degree: 工学博士

Mentor: 王元

Year: 2016

Language: Chinese

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