Газодинамический кристаллизатор

Полезная модель относится к быстрой кристаллизации монокристальных изделий из модифицированного сапфира. Газодинамический кристаллизатор, содержащий тигель с расплавом Аl₂O ₃ и направляющий капилляр, опущенный в тигель с расплавом Аl₂О₃, отличающийся тем, что в него дополнительно введены направляющие трубки для создания формирующего и охлаждающего потоков газокапельных смесей, установленные выше направляющего капилляра.

Полезная модель относится к быстрой кристаллизации монокристальных изделий из модифицированного сапфира.

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 монокристалл (сапфир), используемый в лазерной технике. Вместе с тем, сапфир обладает высокой теплопроводностью. Но данная технология выращивания не позволяет использовать сапфир чисто для решения вопросов теплопроводности из-за большой цены на него. Известно, что при дендритном росте монокристалл сапфира является дефектным: он оптически мутный и его нельзя использовать в оптике. Однако 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.

В качестве прототипа выбрана установка А.В.Степанова, содержащая тигель с расплавом Аl₂О ₃ и направляющий капилляр, опущенный в тигель с расплавом Аl₂O₃.

Недостатком данной установки является невозможность быстрой кристаллизации монокристальных изделий из модифицированного сапфира.

Цель изобретения - создание кристаллизационной установки, позволяющей осуществлять быструю кристаллизацию монокристальных изделий из модифицированного сапфира.

Поставленная цель достигается тем, что в кристаллизационную установку, содержащую тигель с расплавом Аl₂О₃ и направляющий капилляр, опущенный в тигель с расплавом Аl ₂О₃, дополнительно введены направляющие трубки для создания формирующего и охлаждающего потоков газокапельных смесей, установленные выше направляющего капилляра.

Сравнение с прототипом показывает, что заявляемая установка отличается наличием новых элементов и их связями между ними. 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. Это подтверждает соответствие технического решения критерию «существенные отличия».

На фиг.1 показана схема газодинамического кристаллизатора.

Установка включает: 1 - тигель с расплавом Аl ₂O₃, 2 - направляющий капилляр, 3 - направляющая трубка с формирующим потоком газокапельной смеси, 4 - направляющая трубка с охлаждающим потоком газокапельной смеси, 5 - монокристалл сапфира.

Установка работает следующим образом.

Расплав Al₂О ₃ при температуре Т₀ за счет капиллярных сил поднимается по направляющему капилляру 2, размер которого лежит в пределах от 100 мкм до 7-8 мм (l), и встречается с формирующим потоком газокапельной смеси, подаваемой в направляющую трубку 3. Газокапельная смесь может представлять собой эмульсию, температура T₁, которой равна T₁ =Т_K+T, где T_K - температура кристаллизации расплава Аl₂O₃; T - 1-2°С - перегрев. Формирующий поток обеспечивает термостатирование расплава Аl₂О ₃ с заданными размерами и геометрией (на фиг.1 размер d, который в 2-3 раза меньше параметра l). Сформированный расплав Аl₂О₃ охлаждается охлаждающим потоком газокапельной смеси (температура T ₂), поступающей по направляющей трубке 4. На выходе установки формируется монокристалл сапфира 5. Чем продуктивней термостатирующий и формирующий потоки газокапельных смесей, тем производительней установка. При этом получается оптически мутный сапфир, но с заданными показателями прочности и теплопроводности. Общие характеристики получаемого сапфира приведены в таблице 1.

Таблица 1
Свойства сапфира
Физические	Механические
Химическая формула: -А1203	Твердость: Mohs 9, Knoop 2100 кг/м2 (є оси с); 1800 кг/м2 (Б оси с)
Параметры решетки: ; a=4,748 Џ; с=12,957 Џ
Температура плавления: 20530С	Модуль Юнга при 300 К: 4,4 (105 МРа)
Плотность: 3,974 кг/м3	Прочность на растяжение при 300 К: 190 МРа
Оптические	Прочность на сжатие при 300 К: 2100 МРа
Проницаемость: 0,17-6,5 м	Постоянная Пуассона: 0,30
dn/dt: 13 (10-6/K)	Термические
Отражающий индекс при 0,589 м: 1,760 (є оси с); 1,768 (Б оси с)	Коэффициент термического расширения: 5,3 (10-6/К) є оси с; 4,5 (10-6/К) Б оси с
Электрические	Теплоемкость: 750 J/кгК
Диэлектрическая постоянная при 300 К, 1 MHz 10,6 (є оси с); 8,6 (Б оси с)	Теплопроводность: 10000 Вт/мК при 30 К; 40 Вт/мК при 300 К; 4 Вт/мК при 1500 К
Диэлектрическая прочность при 60 Hz: 48 (106 В/м)	Максимальная рабочая температура: 20000С

Таким образом, предлагаемая установка позволяет осуществить быструю кристаллизацию монокристальных изделий из модифицированного сапфира.

Литература

1. Багдасаров Х.С. Высокотемпературная кристаллизация из расплава. М., Физматлит, 2004. - 159 с.

Газодинамический кристаллизатор, содержащий тигель с расплавом Al₂O₃ и направляющий капилляр, опущенный в тигель с расплавом Al₂ О₃, отличающийся тем, что в него дополнительно введены направляющие трубки для создания формирующего и охлаждающего потоков газокапельных смесей, установленные выше направляющего капилляра.