КРИСТАЛЛИЗАЦИОННАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ АРМИРОВАННОГО САПФИРА

Полезная модель относится к быстрой кристаллизации монокристальных изделий из модифицированного сапфира, армированных молибденом.
Известны методы Вернейля, Степанова, Чохральского /1/, позволяющие осуществить однофазную кристаллизацию при выращивании тугоплавких монокристаллов из расплава.
Наиболее близкой к описываемой полезной модели относится установка А.В.Степанова, использующая капиллярные силы, с помощью которых формируется столбик расплава на поверхности формообразователя. Данный метод получил широкое распространение не только при выращивании профилированных металлических монокристаллов и полупроводников, но и при выращивании диэлектрических монокристаллов, в частности, лейкосапфира. Данный метод выращивания позволяет получить идеальный, оптически чистый монокристалл (сапфир), используемый в лазерной технике. Вместе с тем, сапфир обладает высокой теплопроводностью. Этот фактор можно использовать для отвода тепла с высокоэнергетических микросхем, используемых, в частности, в компьютерных технологиях. Но известная технология выращивания не позволяет использовать сапфир чисто для решения вопросов теплопроводности из-за большой цены на него. В тоже время известно, что при дендритном росте монокристалл сапфира является дефектным: он оптически мутный и его нельзя использовать в оптике. Но при дендритном росте у сапфира остаются без изменения механические свойства и теплопроводность, что позволяет использовать его для теплопроводящих элементов в высокоэнергетических электронных платах и как армирующий материал в композиционных сплавах.
2
3
2
3
В качестве прототипа выбрана установка А.В.Степанова, содержащая тигель с расплавом АlО, направляющие капилляры, опущенные в тигель с расплавом АlO, формообразователь, расположенный между направляющими капиллярами, и индуктор.
Недостатком данной установки является невозможность быстрой кристаллизации монокристальных изделий из модифицированного сапфира, армированного молибденом.
Цель изобретения - создание кристаллизационной установки, позволяющей осуществлять быструю кристаллизацию монокристальных изделий из модифицированного сапфира, армированного молибденом.
2
3
2
3
Поставленная цель достигается тем, что в кристаллизационную установку, содержащую тигель с расплавом АlО, направляющие капилляры, опущенные в тигель с расплавом АlО, формообразователь, расположенный между направляющими капиллярами, и индуктор, дополнительно введена направляющая трубка для создания охлаждающего потока газокапельной смеси, установленная выше направляющих капилляров. В качестве материала для формообразователя используется молибден.
Сравнение с прототипом показывает, что заявляемая установка отличается наличием нового элемента. Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию «новизна».
Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что перечисленные элементы являются известными, однако их введение в указанной связи с остальными элементами приводит к решению новой задачи быстрой кристаллизации монокристальных изделий из модифицированного сапфира, армированного молибденом. Это подтверждает соответствие технического решения критерию «существенные отличия».
На фиг.1 показана схема кристаллизационной установки для получения армированного сапфира.
2
3
Установка включает: 1 - монокристалл армированного сапфира; 2 - направляющая трубка с охлаждающим потоком газокапельной, смеси, 3 - тигель, 4 - индуктор; 5 - расплав АlО; 6 - направляющие капилляры; 7 - пленка расплава; 8 - формообразователь.
Установка работает следующим образом.
2
3
1
2
3
2
3
2
3
2
Расплав АlО при температуре T за счет капиллярных сил поднимается по направляющим капиллярам 6, между которыми расположен формообразователь. Так как имеется смачивание формообразователя 8 расплавом АlО 5, то возникает возможность изоляции поверхности роста от основной массы расплава АlO 5 и тем самым лучше контролируется постоянство сечения монокристалла 1. В качестве материала для формообразователя 8 используется молибден. Сформированный расплав АlO, армированный молибденом, охлаждается охлаждающим потоком газокапельной смеси (температура T), поступающей по направляющей трубке 2. Газокапельная смесь может представлять собой эмульсию. На
выходе установки формируется монокристалл сапфира 1, армированный молибденом. Чем продуктивней термостатирующий поток газокапельной смеси, тем производительней установка и тем большую скорость вытяжки  можно получить. При этом получается оптически мутный сапфир, но с заданными показателями прочности и теплопроводности. В дальнейшем, вытравливая армированный молибден из монокристалла сапфира, получаем сотовую структуру монокристалла, которую в дальнейшем можно использовать для пропускания охлаждающей жидкости при съеме большого количества тепла с высокоэнергетических поверхностей. Общие механические и термические характеристики получаемого таким образом сапфира приведены в таблице 1.
Таблица 1
Свойства сапфира
Механические
Твердость: Mohs 9, Knoop 2100 кг/м2 (є оси с); 1800 кг/м2 (Б оси с)
Модуль Юнга при 300 К: 4,4 (106 МРа)
Прочность на растяжение при 300 К: 190 МРа
Прочность на сжатие при 300 К: 2100 МРа
Постоянная Пуассона: 0,30
Термические
Коэффициент термического расширения: 5,3 (10-6/К) є оси с; 4,5 (10-6/К) Б оси с
Теплоемкость: 750 J/кг•К
Теплопроводность: 10000 Вт/м•К при 30 К;
40 Вт/м•К при 300 К;
4 Вт/м•К при 1500 К
Максимальная рабочая температура: 20000С
Таким образом, предлагаемая установка позволяет осуществить быструю кристаллизацию монокристальных изделий из модифицированного сапфира, армированного молибденом.
Литература
1. Багдасаров Х.С. Высокотемпературная кристаллизация из расплава. - М., Физматлит, 2004. - 159 с.