СПОСОБ ВЫРАЩИВАНИЯ ПРОФИЛИРОВАННЫХ КРИСТАЛЛОВ ТУГОПЛАВКИХ СОЕДИНЕНИЙ
METHOD OF GROWING PROFILED CRYSTALLS OF HIGH-MELTING COMPOUNDS

Изобретение относится к области выращивания из расплава профилированных кристаллов тугоплавких соединений по способу Степанова, например лейкосапфира, рубина, алюмоиттриевого граната и других тугоплавких соединений, которые могут быть использованы в приборостроении, машиностроении, термометрии, химической промышленности.
Известно устройство и способ получения профилированных кристаллов в виде труб из расплава на торце формообразователя (А.с. СССР №1592414, МПК C30B 15/34, заявл. 26.11.86, опубл. 15.09.90, бюл. №34), в котором используют формообразователь с кольцевым питающим капилляром и одним вертикальным каналом, выполненным в верхней части формообразователя. К недостаткам такого устройства следует отнести невозможность на практике, при малом диаметре вертикального канала, получения кристаллов с продольными каналами длиной более 40 мм, поскольку в процессе выращивания внутренний мениск продольного канала или схлопывается, или разрывается.
Наиболее близким техническим решением, взятым за прототип, является устройство, позволяющее реализовать способ получения профилированных кристаллов (Патент Украины №36892, МПК C30B 15/34, заявл. 22.02.2000, опубл. 16.04.2001, бюл. №3, 2001), в котором получение кристаллов с продольными каналами малого диаметра осуществляют с использованием формообразователя, состоящего из внешнего и внутреннего элементов с капиллярным зазором между ними, причем внутренний элемент (фиксатор) изготовлен из несмачиваемого расплавом материала и вставлен в вертикальный канал малого диаметра, выполненный в верхней части внутреннего элемента формообразователя. Образование продольных каналов малого диаметра в выращиваемом кристалле, как заявляют авторы, осуществляется за счет того, что расплав не смачивает фиксатор (фиг.2 в указанном патенте). Однако данное изобретение не позволяет устойчиво получать кристаллы с продольными каналами, так как предлагаемый авторами в качестве несмачиваемого материала вольфрам, как показала практика, при выращивании кристаллов смачивается расплавом и в силу этого процесс выращивания становится трудновоспроизводимым и даже невозможным.
Задача и обеспечиваемый изобретением технический результат - стабильность процесса выращивания профилированных кристаллов длиной до 500 мм и более с продольными каналами малого диаметра.
эфф
Поставленная задача и указанный технический результат достигаются тем, что в способе выращивания профилированных кристаллов тугоплавких соединений с продольными каналами малого диаметра, включающем формирование столбика расплава между затравкой и верхним торцом формообразователя, снабженным вертикальным кольцевым питающим капилляром постоянного сечения и, по крайней мере, одним вертикальным каналом малого диаметра, выполненным в верхней части формообразователя, согласно изобретению в процессе выращивания кристалла расстояние от верхнего торца формообразователя до уровня расплава H поддерживают не более 0,8h, а питающий капилляр выполняют длиной L, определяемой из соотношения 2,5h>L>h, где h - высота подъема расплава в капилляре.
Высоту подъема расплава в капилляре можно определить по известной формуле Жюрена h=2σ·cos Ө/ρgr, где
σ - коэффициент поверхностного натяжения жидкости,
Ө - угол смачивания расплавом материала формообразователя,
ρ - плотность расплава,
g - ускорение силы тяжести,
r - радиус или ширина капилляра.
Схлопывание продольного отверстия в растущем кристалле происходит вследствие того, что сила, воздействующая на расплав, обусловленная смачиванием расплавом материала формообразования, направлена в сторону оси продольного отверстия в кристалле, и любое дополнительное воздействие на расплав, например вибрация или изменение температурного режима, приводит к схлопыванию отверстия в кристалле. Чем меньше диаметр отверстия в кристалле, тем больше сила «схлопывания» и тем труднее вырастить такой кристалл.
Поставленная авторами задача решалась путем уменьшения силы «схлопывания» за счет увеличения сопротивления прохождению расплава в питающем капилляре, конкретно, за счет увеличения его длины.
Заявляемое изобретение поясняется чертежом, на котором схематично изображен в разрезе формообразователь для выращивания профилированных кристаллов с продольными капиллярными каналами малого диаметра, а также расплав и растущий кристалл.
Формообразователь для выращивания профилированных кристаллов, с помощью которого реализуется заявляемый способ, выполнен из внешнего 1 и внутреннего 2 элементов с кольцевым питающим капилляром 3 и вертикальным каналом 4 малого диаметра, выполненным в верхней части формообразователя. Рост кристалла 6 осуществляют на затравку 7 из столбика расплава 5 на верхнем торце формообразователя.
Заявляемый способ осуществляется следующим образом.
эфф
Камеру, в которой проводят выращивание кристалла, наполняют инертным газом, затем расплавляют загрузку в тигле и погружают нижний торец формообразователя в расплав. Расстояние от уровня расплава до верхнего торца формообразователя составляет Н. Расплав за счет капиллярных сил поднимется по питающему капилляру 3 к верхнему торцу формообразователя. Далее опускают затравку 7 в виде трубки до касания верхнего торца формообразователя, производят затравление и включают перемещение затравки вверх. Из столбика расплава 5 начинается рост стержня 6, диаметр которого практически равен диаметру верхнего торца формообразователя, с продольным капиллярным каналом, соответствующим вертикальному каналу 4 малого диаметра, выполненному в верхней части формообразователя.
эфф
Поддерживая в предлагаемом диапазоне соотношение между Н, длиной питающего капилляра L и высотой подъема расплава в капилляре h, тем самым обеспечиваем минимальную величину силы «схлопывания» и практически исключаем схлопывание продольных каналов диаметром от 0,5 мм до 1,2 мм.
эфф
Когда величина Н составляет более 0,8h, то, как показывает практика, расплав либо может не подняться к верхнему торцу формообразователя из-за высокого сопротивления питающего капилляра прохождению по нему расплава, обусловленного повышенной длиной питающего капилляра, либо время его прохождения до верхнего торца формообразователя будет недопустимо долгим - более 30 минут.
Если длина питающего капилляра L меньше h, то сила «схлопывания» превалирует над силой сопротивления прохождению расплава в питающем капилляре, возникающей из-за вязкости расплава, увеличивается вероятность схлопывания в кристалле продольного канала малого диаметра при вибрациях или изменениях температурного режима.
Если длина питающего капилляра L составляет более 2,5h, то расплав либо не доходит до рабочего торца формообразователя из-за большого сопротивления прохождению расплава в питающем капилляре, либо время его прохождения до верхнего торца формообразователя будет недопустимо долгим - более 40 минут.
В результате использования предлагаемого способа практически исключается «схлопывание» продольных каналов и имеется возможность выращивания кристаллов достаточно большой длины (500 мм и более) с продольными каналами диаметром от 0,5 мм до 1,5 мм.
Пример конкретной реализации изобретения.
эфф
эфф
2
Эксперименты проводили на установке для выращивания кристаллов типа СЗВН-20.800/22-И1 с графитовой тепловой зоной. Формообразователь и тигель изготовили из молибдена. Диаметр тигля составлял 70 мм, глубина - 65 мм. Формообразователь имел верхний торец диаметром 12 мм, в котором выполнено по оси вертикальное отверстие диаметром 0,8 мм, т.е. формообразователь предназначен для выращивания стержня диаметром 12 мм с продольным каналом диаметром 0,8 мм. Высота формообразователя составляла 60 мм. При погружении формообразователя на 30 мм величина Н равнялась 30 мм. Ширина питающего капилляра равнялась 1 мм. Высота подъема расплава h в таком капилляре составляет 43 мм, т.е. Н=30 мм <0,8h=34,4 мм. Питающий капилляр L выполнен длиной 1,5h=64 мм. Загрузка тигля составляла 300 г оксида алюминия (бой кристаллов, полученных методом Вернейля). Выращивание кристаллов осуществляли со скоростью 0,8-1,2 мм/мин в среде инертного газа аргона с избыточным давлением 0,05 кгс/см.
В результате выращивали стержни диаметром 12 мм и длиной до 500 мм с продольными каналами диаметром 0,8 мм.
Было проведено: 1 серия экспериментов с формообразователем-прототипом; 4 серии экспериментов с формообразователями по предлагаемому изобретению, всего 30 циклов выращивания.
Во время первой серии, состоящей из 5 циклов выращивания, проводилось пробное выращивание кристаллов по методике прототипа. В отверстии 4 внутреннего элемента формообразователя на плотной посадке фиксировался вольфрамовый стержень диаметром 0,8 мм, который выступал над верхним торцом формообразователя на 0,5-3 мм (в различных экспериментах). Все попытки получить стержень с продольным отверстием закончились неудачей из-за чрезвычайной неустойчивости процесса выращивания. В результате получали только сплошной стержень.
эфф
Во время второй серии из 5 циклов Н=0,9 h=38,7 мм, где h=43 мм. В этом случае расплав во всех 5-ти экспериментах не поднялся к верхнему торцу формообразователя (по-видимому, из-за высокого сопротивления питающего капилляра прохождению по нему расплава, возникающего вследствие вязкости расплава). Выращивать кристалл было невозможно.
Во время третьей и четвертой серий длина питающего капилляра 1) L=40 мм <h=43 мм и 2) L=115 мм >2,5 h=107,5 мм. Было проведено по 5 циклов выращивания в указанных вариантах. В первом случае практически всегда происходило «схлопывание» продольного канала малого диаметра. Во втором случае расплав не поднимался до рабочего торца формообразователя.
эфф
Во время пятой серии из 10 циклов поддерживались заявляемые соотношения Н=30 мм <0,8 h=34,4 мм и 2,5h=107,5 мм >L=100 мм >h=43 мм. Это позволило устойчиво выращивать стержни диаметром 12 мм с внутренним каналом диаметром 0,8 мм длиной до 500 мм.
При соблюдении заявляемых соотношений получены также стержни с продольным отверстием диаметром 1,2 мм.
Таким образом, заявляемое изобретение позволяет стабильно получать кристаллы длиной до 500 мм и более с продольными каналами малого диаметра.
Заявляемое изобретение найдет применение в приборостроении, часовой промышленности, термометрии, химической промышленности.