VGF法磷化铟单晶炉加热器对炉内热场分布影响的研究

磷化铟(InP)是一种重要的化合物半导体,在通信、航空航天和人工智能等领域具有广泛的应用。InP单晶生长质量的优劣取决于其生长炉内热场的稳定与温控。InP晶体工业生产中广泛采用的垂直梯度凝固(VGF)法是在磷化铟单晶生长炉中构建高温、封闭、稳定及可控的热场,但因炉内缺乏直接观测和完整的参数监测手段,利用计算机数值仿真对炉内晶体生长的温度场进行科学分析,以获取最佳的生长温控条件,俨然成为有效且重要的方法。本文基于ANSYS有限元软件及炉内元件实测参数,建立了InP单晶生长系统热场三维物理和数学模型,基于磷化铟单晶生长过程中的温度离散数据,对所建模型对比和验证,获得了与实际生产温度数据吻合良好的效果(温度偏差控制在3%以内),验证了所建模型的有效性。基于此模型,本文对生产条件下四段加热器温度波动对热场分布影响进行了探讨,并对炉内四段加热器的温度波动对炉内低温区、高温区及料管中心温度影响规律进行了研究,所得结论对揭示工业生产过程中InP单晶炉热场的分布规律及调节方法具有一定的指导意义。

热场辅助电磁脉冲焊接Al/Cu异种金属接头组织性能研究

采用热场辅助电磁脉冲焊接技术对Al/Cu异种金属进行焊接,对比分析了热场温度分别为室温、100℃和200℃条件下焊接接头的宏观形貌、界面组织及力学性能。结果表明:热场辅助电磁脉冲焊接技术能够实现Al/Cu异种金属的优质焊接;随着热场温度的增加,焊接接头有效结合区的尺寸增大。而波状界面形貌随着热场温度不同呈现不同的形态,室温下界面呈现正弦波和剪切波的混合波形,100℃下呈不规则的嵌入式波形形貌,200℃下的形貌与室温类似,但是界面反应层的厚度最大;三种温度下的界面反应区都检测到了Al-Cu化合物的存在。力学性能测试结果表明,随着热场温度的升高,焊接接头的力学性能逐渐提高。当加热温度为200℃时,焊接接头的抗拉剪力达到了4076 N;所有试样都在界面处发生断裂,断裂区域存在断口形貌呈现“河流状”和韧窝结构混合形式,推断焊接接头的失效模式为韧脆混合断裂。在外场温度作用下,焊接接头的有效结合区增大,界面波形结构发生改变,进而有效地提升了接头的力学性能。

基于FEMAG软件的300CM单晶硅热场特征仿真

为获取最优单晶硅生长参数,利用FEMAG软件完成300CM单晶硅热场特征的模拟。应用FEMAG软件的Furgeo、Crygeo模块获取炉体、晶体的几何结构。利用IniMesh得到热场的总体几何结构,通过GemMesh模块划分热场总体几何结构网格,并通过设定具体参数获取最优非结构网格,根据已经确定的材料基础数量、晶体原理位置和熔体自由表面位置建立热场模型,仿真分析300CM单晶硅热场特征。实验结果表明:300CM单晶硅熔体在水平磁场下的流动具有三维非对称性;拉速几乎不影响单晶硅熔体热场分布;加强型热屏影响下热场的各种固液界面形状变化最小、最平坦,熔体在纵向温度梯度上的变化量最少;坩埚转速加快不影响固液界面的温度梯度。

半密封直拉法生长6英寸磷化铟单晶热场研究

磷化铟(InP)是一种重要的化合物半导体材料。InP由于性能优异,在高频电子器件及红外光电器件领域的应用日趋增多。目前,磷化铟器件的价格远高于砷化镓器件,其主要原因是磷化铟单晶成品率低,以及晶圆尺寸较小造成外延和器件工艺成本居高不下。增大InP单晶的直径对降低晶圆及半导体工艺成本至关重要。制备大尺寸InP单晶的主要难点是提高晶体的成品率和降低晶体的应力。目前行业内通常使用垂直梯度凝固(Vertical gradient freeze,VGF)法和液封直拉(Liquid Encapsulated Czochralski,LEC)法制备InP。VGF法在制备6英寸(15.24 cm)InP方面鲜有建树,LEC法制备的晶体往往具有更高的应力和位错密度。本研究展示了半密封直拉(Semi-Sealed Czochralski,SSC)法在生长大直径化合物半导体材料方面的优势,采用数值模拟方法分析了LEC法和SSC法中熔体、晶体、氧化硼和气氛中的温度分布,重点分析了SSC技术的温度分布。模拟结果中,SSC法晶体中的温度梯度为17.4 K/cm,明显低于LEC法中的温度梯度28.7 K/cm。在等径阶段SSC法晶体肩部附近气氛温度比LEC法高504 K。根据模拟结果对SSC法热场进行了优化后,本研究得到了低缺陷密度、无裂纹的6英寸S掺杂InP单晶,证实了SSC法应用于大尺寸InP单晶生长的优势。

铝电解槽热场和流场的测试分析和数值模拟

随着电流强度不断增大,铝电解槽产生的热场和流场情况更为复杂,基于COMSOL Multiphysics三维模拟软件,建立热场切片模型和流场整槽模型,对某厂家400 kA铝电解槽的热场和流场进行研究,并通过现场测试数据对比测试结果和模拟结果,验证了该模拟准确性以及该厂家设计合理性。在数值模拟基础上验证了铝电解槽侧部和底部增加纳米材料,铝电解槽最高温度由978℃升至985℃,具有良好的保温效果;并研究了260-310 mm铝液层高度的铝电解槽流场,发现铝液层高度在270-280 mm范围内铝电解槽较稳定。

热交换坩埚下降法制备大尺寸氟化铈晶体的热场设计与优化

随着CeF_(3)晶体在激光和磁光领域应用的持续发展,大尺寸、高光学质量的CeF_(3)单晶的需求日益急迫,而CeF_(3)熔体的高黏度和低热导率的特性给晶体生长工艺带来了较大挑战。为研究CeF_(3)熔体低导热性引发的生长问题,探究其生长过程中炉体结构和工艺参数对温度分布和结晶界面的影响机制,本工作对热交换坩埚下降法(Heat Exchanger-Bridgman method,HEB)生长大尺寸(ϕ80 mm)CeF_(3)晶体中炉体结构与晶体/熔体温度分布关系、不同生长阶段界面的变化规律以及热场结构对生长界面的作用机制开展了数值模拟研究。研究结果表明:当发热体长度与坩埚长度相适应时,更有利于构建合理的温度梯度场,而放肩和等径生长阶段的凹界面问题则可以通过改变隔板形状和加反射屏调节坩埚壁温度分布得到有效解决。本研究成果不仅可以加深对CeF_(3)晶体结晶习性的理解,炉体结构和生长界面的优化思路对坩埚下降法制备其他晶体同样有实际指导意义。

基于扇环插值的内壁多尺度热场图案的构造方法

为了实现对内燃机气缸盖鼻梁区热疲劳损伤的重点监测,获得高辨识度重构影像,提出了一种基于扇环插值的多尺度热场图案构造方法。首先,结合内燃机气缸盖内壁的热场分布规律,将气缸盖火力面划分成多尺度的热场区域,剖析内壁各区域易出现热疲劳损伤的机率,确定其分辨率。其次,基于圆弧插补的思想,把划分好的多尺度热场区域离散成由多条圆弧点群组成的扇环区域。然后,对扇环区域内的每条圆弧分别进行插值得到扇环热场图案,再将各个扇环热场图案组合成多尺度热场图案。最后,将构造出的多尺度热场图案和缸盖外壁的热能进行关联运算,重构出气缸盖内壁影像。为了验证本文方法的合理性,将重构出的内壁影像与基于双线性插值构造热场图案下的重构影像进行对比分析。分析结果表明,本文采用的方法重构出的有裂纹和无裂纹气缸盖内壁影像对比度较基于双线性插值方式构造热场图案的重构影像提升了74.77%和75.09%,结构相似度和峰值信噪比也略有提升,且本文中采用的方法更利于热疲劳损伤所导致的裂纹等缺陷的检测和非重点检测区域重构影像的质量提升。

高密度阳极铝电解槽电-热场耦合仿真研究

在铝电解槽中,阳极炭块内存在的气孔会降低炭块的导电和导热性能,并且增加炭渣,降低电流效率,导致炭耗和直流电耗升高。通过浸渍工艺得到的高密度阳极可以有效地降低炭块的气孔率。为了探究高密度阳极铝电解槽的电-热场变化和影响,基于ANSYS软件建立高密度阳极铝电解槽的电-热场耦合计算模型。研究结果表明:铝电解槽高密度阳极炭块的平均温度上升8.73℃,热应力增加,但形变量减小;侧部槽壳的平均温度下降28.59℃,热应力和形变量均降低,有利于保持槽膛内形稳定;热场变化主要与阳极炭块物性改变有关;槽电压降低49.16 mV,主要与炭块物性改变和电解质电阻率降低有关;高密度阳极电流全导通时间缩短3.39 h,可有效减弱换极产生的负面影响,阳极使用寿命可延长4 d,炭耗降低10.3 kg/t;铝电解槽反应能耗占比增加0.62%,电流效率提高1.69%,直流电耗降低270 kW·h/t。

ADU微球连续焙烧设备热场流场数值模拟

根据现有生产经验,ADU微球连续焙烧设备的最大难点是如何做到炉内气体均匀和温度场均匀,通过热场、流场数值模拟,在设备设计阶段充分论证设备结构,确保研制出的ADU微球连续焙烧设备不存在热场、流场不均匀、设备结构不合理等较大缺陷。基于ADU微球连续焙烧设备的自身特点,对焙烧设备的热场流场进行了模拟分析,综合考虑焙烧设备中的导热、对流、辐射等传热方式,获得在模拟稳定运行状态下炉内温度场、流场的分布情况,为ADU微球连续焙烧设备结构设计及制造提供一定的理论数据支持。

移动加热器法碲锌镉晶体生长系统热场研究

碲锌镉(Cd_(1-x)Zn_(x)Te,简称CdZnTe或CZT)是一种在室温下工作的半导体核辐射探测材料,因其优越的光电特性近年来受到越来越多的关注,在医学成像、环境监测和空间探测领域的应用也愈发广泛。移动加热器法(THM)被认为是目前生长CZT单晶最有前景的方法之一。晶体生长过程中,合适的温场是获得优质晶体的前提条件。本文使用Fluent软件对电阻加热式THM生长CZT单晶生长系统展开热场研究,首先建立描述系统热输运的物理和数学模型,提出一种设立控温点的逆模拟方法解决了加热器功率并非既定值的模拟难点,设定功率分别为225.6、343.7、1045.9、92.5、199.6 W的5个加热器情况下的炉内温场计算值与实验测量值有了较好的吻合。进而研究加热器与炉膛管距离、散热区宽度等炉膛结构对坩埚内CZT原料区温度分布的影响。研究结果表明,Canthal炉管与加热器间距离由5 mm增大至10、15 mm后,最高温度减小3.7%、5.6%,散热区宽度由30 mm增大至50、80 mm后,熔区宽度分别减小32.7%、50.0%。

大型气相裂解炉热场分布的优化解决措施

某石化公司乙烯装置新建气相乙丙烷裂解炉采用寰球大型气相裂解炉技术,双炉膛布置,全底烧设置。气相裂解炉建成投用后出现辐射段热场分布不均的异常情况,表现为火焰形状不稳定,COT偏差较大且容易波动,乙烯收率偏低。针对气相裂解炉热场分布进行观察和分析原因,2次对燃烧器进行改造,优化裂解炉热场分布,提高气相裂解炉的乙烯收率。

受潮对油浸式套管电热场的影响

套管受潮后水分在重力作用下积聚于套管尾部,为研究受潮对油浸式套管电场及温度场分布的影响,建立了110kV油纸绝缘套管的仿真模型,仿真了套管在不同受潮程度下套管内电场及温度场分布。结果表明:套管受潮后导致套管内电场强度和温度升高。受潮条件下套管内最大电场强度与套管尾部油浸纸受潮高度呈线性变化,且含水率越高,最大电场强度随油浸纸受潮高度的增大其增幅越大,但整体上受潮后套管内最大电场强度提升幅度并不显著;油浸纸中含水率质量分数低于4%时,套管内最高温度与套管尾端受潮高度呈线性变化,油浸纸中含水率为5%时,套管内最高温度与套管尾端受潮高度呈指数变化。受潮后套管内温升严重,是引发套管尾部放电致使套管损坏的主要原因。

热场辅助单晶蓝宝石晶圆精研加工性能

针对传统蓝宝石晶圆精磨加工表面质量差、效率低下的难题,提出热场辅助蓝宝石晶圆加工技术,研究热场辅助对蓝宝石晶圆精研加工性能的影响。通过自行设计的热场辅助装置控制加工区温度,基于半固结柔性磨具,在不同加工区温度条件下对蓝宝石晶圆进行精研加工,对比分析加工区温度对其加工性能的影响,并深入探讨材料去除机理。仿真结果表明,自行设计的热场辅助装置可使精研加工区迅速达到设定温度,且整个过程中晶圆的温度差<1.3℃。与室温下的加工结果相比,当加工区温度控制在50.0℃时,蓝宝石晶圆的表面粗糙度下降了6%,材料去除率提高了近114.2%。磨屑检测结果表明,提高加工区温度后,晶圆表面材料在去除过程中发生晶态结构转变,提高了蓝宝石加工过程中的水合反应速率,从而提高了材料去除率。热场辅助蓝宝石晶圆精研加工可同时获得较高的表面质量和加工效率,具有广阔的应用前景。

岩浆热场：它的基本特征及其与地热场的区别

"岩浆热场"指的是由岩浆引发的瞬间热场。热场的热主要来自未固结的岩浆,岩浆加热了围岩,使下地壳、中地壳和上地壳的下部在一个短暂的时间内保持一种高热状态。岩浆热场与地热场有许多不同:(1)热的来源不同。地热场的热主要来自地壳物质放射性生成的热;岩浆热场的热来自岩浆。(2)热的分布不同。地热场的等温面总体上呈水平分布,温度随深度增加而增加;岩浆热场的等温面则围绕岩体分布,靠近岩体温度高,远离岩体温度低,故岩浆热场的等温面是大体垂直于地热场等温面分布的。(3)热场的规模不同。地热场是全球性的,岩浆热场是局部性的,只在有岩浆的地方才出现。岩体小则规模小(热场宽度仅几米或几十米),岩体大则规模大(宽约几千米);如果存在大规模岩浆活动,岩浆热场的长宽均可达几百或上千千米,如在中国东部中生代大规模岩浆活动期间。(4)热持续的时间不同。地热场可以持续很长的时间(几十、几百或几千个百万年);岩浆热场是瞬间的突发性事件,持续的时间从几年到几个百万年。岩浆热场最重要的意义是,它是热液赖以上升的通道,它有利于来自下地壳底部和壳幔过渡带的流体(热液)的活动,使含矿热液得以顺利上升,并在热场范围内进行充分的活动、对流循环、萃取围岩中的成矿金属元素,并在地壳浅部岩浆热场之上合适的部位沉淀富集成矿。"岩浆热场"的概念依赖于对岩浆物理性质和过程的深入了解,由于我们这方面的知识相对贫乏,所以目前对岩浆热场的了解还是很肤浅的。

超级电容系统热场分布及影响参数分析

随着国家双碳战略的实施,清洁能源的利用以及储能逐步成为科研的热点。超级电容器因为拥有快速充放电、稳定耐用、容量大等优势,在储能的大家族里脱颖而出,应用于诸多领域。本文针对某集成电容模组进行热场分布的数学建模。通过数学模型,开展大量的仿真计算,并单因素考察了影响电容模组温度分布的固体初始温度、换热介质温度、流体入口平均速度、固体发热功率等参数,对整个电容模组的温度分布进行了精确刻画,并总结了各参数对热管理的影响,为下一步电容模组的结构优化、热管理提供了良好的理论指导和技术支撑。

地热场中“岩浆热场”的识别及其意义

岩浆热场顾名思义是由岩浆活动引发的热场,与岩浆活动休戚与共.一旦岩浆停止活动冷却后,岩体的温度与围岩的温度差为0时,它将回归地热场.因此,岩浆热场是一种瞬间发生的、出现在局部地域的、等温线围绕岩体分布的、温度变化很快的一种地热场,是地壳内部热事件的一种反映.岩浆侵入和喷出活动可以出现在地质历史演化的各个阶段和不同的地区,因此,岩浆热场也可能发生在地球历史演化的不同阶段和地域.研究表明,从地热场中识别出某些岩浆热场的信息是可能的,文中列举了羊八井、腾冲现代岩浆热场和四川古岩浆热场的若干实例,指出从地热场中识别岩浆热场是很有意义的.现代岩浆热场是人类可以利用的稳定的自然资源之一,古岩浆热场则可能解释为什么大多数岩浆热液矿床是多金属成矿的问题.此外,岩浆热场还可以解释油气藏中烃源岩成熟度、煤化程度以及古代和现代的某些地热场异常问题等.因此,注意对岩浆热场的识别,探讨它的形成机制,引发的热场效应,是一个值得探索的新课题.

空腹式连续刚构桥零号块施工过程湿热场效应分析

空腹式连续刚构桥在其施工过程中会受到湿热场效应的影响,可能会导致桥梁混凝土的开裂,影响桥梁使用寿命。因此,文中依托湖北恩施云南庄特大桥,通过COMSOL有限元软件建立桥梁湿热场模型,研究其零号块在施工过程中的湿热场效应。结果表明,零号块的第一主应力在第3天达到峰值,为3.67 MPa,出现在梁体顶板和腹板外侧处。此外,结构的第一主应力先减小后增大,其最大值在第28天为1.8 MPa。

自适应型均压真空灭弧室电热场设计与优化

随着“中国制造2025”中的“创新驱动、绿色发展”的提出,高压电力开关逐步向智能化、环保化方向演进。真空断路器相对SF_(6)断路器,绝缘介质和灭弧介质对环境友好,是断路器未来发展的方向。多个真空断口串联避免了单断口真空断路器的饱和效应,将真空断路器推向更高的电压等级,多断口断路器核心技术难题是均压配置,传统均压措施并联的均压电容需要空间大,不能满足电力系统小型化、智能化建设需要。针对上述问题,提出了一种自适应型均压真空灭弧室结构,对新结构进行电热场仿真计算,为未来样机研制提供理论依据。

基于遥感和GIS的城市热场分布规律研究

以气象卫星资料为主要信息源 ,以陆地卫星 TM资料、土地利用专题图件、气象观测资料为辅助信息源 ,利用 GIS空间分析技术 ,对城市热力分布特征和变化规律进行动态监测和综合分析。同时还对地面亮温和气温的相关模式进行研究和建立 ,取得了较好的应用效果。

断层失稳错动热场前兆模式:雁列断层的实验研究

在实验室使用红外热像仪和接触式测温仪同步观测记录了压性和张性雁列断层失稳错动前后的热场变化过程.从实验记录中发现,在断层失稳引起温度场和热红外辐射亮温温度场上升之前,在两断层段之间的岩桥区发生降温变化.断层带开始升温发生在失稳前2～3s内,岩桥区的降温却发生在失稳前约20s,这两个超前时间长度相差近一个量级.此类热场先降后升变化过程在雁列构造变形中有一定的普遍性,可能作为雁列断层失稳错动的热场前兆模式.根据实验观测结果,详细描述了上述热场变化的时间过程及其空间分布特征,分析了产生此种失稳前兆模式的机制,显著异常出现的条件及有利观测部位,讨论了它在地震前兆探索等研究中的意义.