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提拉法和导模法生长的半透明氧化物晶体热应力的数值分析

DOI：10.1002/crat.201800219 期刊：Crystal Research and Technology 出版年份：2019 更新时间：2025-09-23 15:22:29
摘要： 氧化物晶体生长通常较为困难，因为这些体系中生长界面存在大曲率，会产生高热应力、位错和晶体开裂。采用三维数值模拟研究了通过直拉法（Cz）和导模法（EFG）生长的蓝宝石与硅酸镧镓（La3Ta0.5Ga5.5O14，LGT）半透明晶体的热应力分布。对直拉炉中生长的蓝宝石晶锭进行热应力分析显示，冯·米塞斯应力以近乎对称的方式分布在晶体的大面积区域。压电性硅酸镧镓晶体在直拉构型下的热应力计算表明，其冯·米塞斯应力呈非对称分布，且晶锭单侧应力更高。这些数值结果与实验观测到的晶体外表面非对称开裂现象相符。多晶锭导模法生长白色蓝宝石带的3D建模显示，当带状晶体数量从2根增至10根时，冯·米塞斯应力几乎保持恒定。研究采用P1近似和罗斯兰辐射模型两种方法模拟蓝宝石晶体内部的辐射传热，数值结果表明：应用罗斯兰公式会导致温度场计算出现显著误差，尤其在导模法构型中更为明显。
作者： Carmen Stelian，Jessica Muzy，Serge Labor，Marc Fivel，Hugues Cabane，Thierry Duffar
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研究概述 实验方案 设备清单

研究目的

比较各向异性力学性能对两种氧化晶体（蓝宝石和LGT）在直拉法生长过程中热应力分布的影响，研究多模EFG系统中生长的蓝宝石带材的热应力，并探讨两种模型（P1近似和Rosseland辐射模型）在模拟蓝宝石晶体内部辐射传热中的应用。

研究成果

数值模拟显示直拉法生长的蓝宝石中存在高且对称的热应力，这解释了高位错密度的成因。LGT晶体中的非对称应力分布与实验开裂现象相关。EFG生长法随着晶带数量增加，由于辐射热交换作用呈现出更低且恒定的应力水平。对于半透明晶体内部的辐射传热过程，P1近似法比Rosseland模型能提供更精确的计算结果。

研究不足

罗斯兰模型在温度场计算中会引入显著误差，尤其对于EFG构型而言。采用可变形网格的3D建模较为复杂，且未用于EFG界面形状模拟。为减少计算耗时，EFG建模中忽略了熔体对流。

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