本文關(guān)鍵詞：泡生法藍(lán)寶石60kg級生長爐可控溫場研究

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【摘要】：藍(lán)寶石的優(yōu)良性質(zhì),使其在民用、軍用、航空航天等方面都有出色表現(xiàn)。近年藍(lán)寶石LED襯底材料的火熱,以及電子產(chǎn)品高端手表手機(jī)外屏的推波助瀾,使得藍(lán)寶石長晶產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展,對高品質(zhì)大尺寸藍(lán)寶石的需求與日俱增。然而藍(lán)寶石生長技術(shù)源于國外,國內(nèi)生長大尺寸藍(lán)寶石晶體的各生長技術(shù)都還不完善,于泡生法而言,工藝要求的復(fù)雜性使得泡生法的生長設(shè)備的研究也相當(dāng)復(fù)雜。國內(nèi)外專家、學(xué)者也在不斷得從事此方面的研究,設(shè)備的結(jié)構(gòu)合理性在逐漸的通過數(shù)值模擬,計算機(jī)仿真的方式改進(jìn)。本文以探究泡生法藍(lán)寶石60kg級的可控溫場為目的,主要研究內(nèi)容如下:(1)分析60kg級泡生法藍(lán)寶石單晶爐的結(jié)構(gòu)以及泡生法工藝各階段流程,得知工藝過程中的引晶階段和等徑生長階段對藍(lán)寶石晶體的影響至關(guān)重要,進(jìn)而重點(diǎn)關(guān)注該兩個階段進(jìn)行研究。(2)結(jié)合藍(lán)寶石的熱學(xué)性質(zhì)、長晶學(xué)理論,對泡生法藍(lán)寶石生長過程中的結(jié)晶驅(qū)動、均勻成核以及非均勻成核、成核速率、成分過冷過熱的原理進(jìn)行分析,得知為避免結(jié)晶過程中的異相成核和成分過冷現(xiàn)象對藍(lán)寶石品質(zhì)造成不良影響,固液界面溫度梯度和晶體生長速率非常重要。(3)對60kg級泡生法單晶爐進(jìn)行三維建模,將對應(yīng)二維模型應(yīng)用到ANSYS/FLUENT中進(jìn)行仿真,采用DO輻射模型、融化凝固模型等進(jìn)行求解,對引晶過程和等徑過程熱場結(jié)構(gòu)中的對流產(chǎn)生原因、如何影響晶體生長以及溫度梯度的合適與否與調(diào)整方向等進(jìn)行了詳細(xì)分析,并結(jié)合參考文獻(xiàn)進(jìn)行了討論。(4)分析現(xiàn)有設(shè)備引晶控制系統(tǒng)設(shè)計困難的原因,提出后續(xù)研究方向;根據(jù)熱場分析得到的控制特性,提出對等徑階段采用自適應(yīng)性較強(qiáng)的模糊PID控制器進(jìn)行控制,應(yīng)用MATLAB的SIMULINK工具箱搭建模塊并進(jìn)行了仿真,實(shí)驗(yàn)控制效果良好驗(yàn)證了控制器的可行性。研究結(jié)果表明,對于泡生法晶體生長爐大慣性、純滯后、參數(shù)時變的被控對象,采用自適應(yīng)模糊PID控制算法,有較高的穩(wěn)態(tài)精度,也有更好的動態(tài)性能。
【關(guān)鍵詞】：藍(lán)寶石 泡生法 ANSYS/FLUENT 熱場分析 MATLAB 模糊PID控制
【學(xué)位授予單位】：浙江理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TQ164
【目錄】：

• 摘要6-7
• ABSTRACT7-12
• 第1章 緒論12-25
• 1.1 引言12-13
• 1.2 藍(lán)寶石晶體的基本性質(zhì)13-16
• 1.2.1 熱學(xué)性能14-15
• 1.2.2 電學(xué)性能15
• 1.2.3 光學(xué)性能15-16
• 1.2.4 力學(xué)機(jī)械性能16
• 1.3 藍(lán)寶石工業(yè)制備方法16-22
• 1.3.1 提拉法16-17
• 1.3.2 導(dǎo)模法17-18
• 1.3.3 溫度梯度法18
• 1.3.4 熱交換法18-19
• 1.3.5 坩堝下降法19
• 1.3.6 泡生法19-21
• 1.3.7 冷心放肩微量提拉法21-22
• 1.4 藍(lán)寶石晶體行業(yè)概述22-23
• 1.4.1 國內(nèi)外現(xiàn)狀22-23
• 1.5 科研現(xiàn)狀23-24
• 1.6 主要研究內(nèi)容24-25
• 第2章 泡生法單晶爐設(shè)備及工藝流程25-36
• 2.1 晶體生長設(shè)備簡介25-29
• 2.1.1 熱場25-26
• 2.1.2 控制柜26-27
• 2.1.3 電源柜27-28
• 2.1.4 真空系統(tǒng)28
• 2.1.5 水冷系統(tǒng)28
• 2.1.6 提拉稱重系統(tǒng)28-29
• 2.2 工藝流程29-34
• 2.2.1 裝料及設(shè)備準(zhǔn)備工作29-30
• 2.2.2 化料30-31
• 2.2.3 引晶31-32
• 2.2.4 等徑生長32-33
• 2.2.5 退火33-34
• 2.2.6 充氬氣取晶體34
• 2.3 本章小結(jié)34-36
• 第3章 長晶過程物理數(shù)學(xué)模型分析36-46
• 3.1 結(jié)晶驅(qū)動36
• 3.2 成核闡述36-40
• 3.2.1 均勻成核36-37
• 3.2.2 非均勻成核37
• 3.2.3 均勻成核速率37-38
• 3.2.4 晶體生長過程中的成分過冷與熱過冷38-39
• 3.2.5 成分過冷的形成條件39-40
• 3.3 傳熱模型概述40-44
• 3.3.1 FLUENT輻射模型41-43
• 3.3.2 FLUENT熔化凝固模型43-44
• 3.4 泡生法生長過程控制方程44-45
• 3.4.1 邊界條件45
• 3.5 本章小結(jié)45-46
• 第4章 生長爐建模及ANSYS/FLUENT仿真46-57
• 4.1 有限元仿真46-47
• 4.1.1 計算程序流程圖46-47
• 4.2 參數(shù)說明及建模47-48
• 4.2.1 模型建立47-48
• 4.2.2 網(wǎng)格劃分48
• 4.3 ANSYS/FLUENT仿真過程說明48-52
• 4.3.1 基本假設(shè)條件48-49
• 4.3.2 FLUENT仿真過程49-52
• 4.4 模擬結(jié)果分析52-55
• 4.4.1 引晶過程52-53
• 4.4.2 等徑過程53-55
• 4.5 晶體生長過程中的熱傳遞55
• 4.6 溫場可控性分析55-56
• 4.6.1 引晶過程55-56
• 4.6.2 等徑過程56
• 4.7 本章小結(jié)56-57
• 第5章 等徑過程自適應(yīng)模糊PID控制器設(shè)計及仿真57-65
• 5.1 引言57-58
• 5.1.1 自適應(yīng)模糊PID控制器57-58
• 5.2 等徑過程特性分析58-59
• 5.2.1 等徑過程被控對象58-59
• 5.3 基于上稱重的自適應(yīng)模糊PID控制器設(shè)計59-65
• 5.3.1 仿真過程及結(jié)果59-62
• 5.3.2 對比試驗(yàn)62-65
• 第6章 總結(jié)與展望65-67
• 6.1 總結(jié)65-66
• 6.2 展望66-67
• 參考文獻(xiàn)67-71
• 攻讀學(xué)位期間研究成果71-72
• 致謝72

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