CN104088010B - 一种直接成型蓝宝石整流罩的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直接成型蓝宝石整流罩的方法，其具体加工步骤如下：1)在坩埚内加入蓝宝石晶体原料；2)使籽晶杆的轴心线与毛细管导模的轴心线重合，并与毛细管导模的上端具有30—50mm的间隙；3)通过控制系统控制炉体进行加热，直至坩埚内的蓝宝石晶体原料熔化，蓝宝石熔液随毛细管导模向上移动至籽晶杆的下端；4)通过坩埚旋转机构带动坩埚旋转，同时通过竖移机构向上提拉籽晶杆，并通过转动机构带动籽晶杆绕其轴心线转动；5)直到整流罩成型后，后对炉体进行降温，待降温后将整流罩与籽晶杆一起取下；最后将整流罩从籽晶杆上取下，进行后续打磨处理。本发明能够有效降低加工难度，提高生产效率。

Description

一种直接成型蓝宝石整流罩的方法

技术领域

本发明涉及晶体加工技术领域，尤其涉及一种直接成型蓝宝石整流罩的方法。

背景技术

蓝宝石作为光学材料，基于其在0.2-5μm波段具有良好透光性及其优良的物理、化学、机械性能，使其越来广泛应用于红外军事装备、卫星的窗口材料。与其他同应用材料(MgF2、ZnS等)相比，蓝宝石有着极高的机械强度、耐热性能好、耐化学腐蚀性好、在较宽波段(可见光、红外、微波)拥有良好的透波能，因此其应用越来越广。特别是近年来导弹技术的飞速发展，蓝宝石作为整流罩和窗口材料的优势体现得愈加明显，也对蓝宝石整流罩的品质要求越来越高，尺寸要求越来越大。但是，由于晶体习性、生长手段、成品率等原因的限制，高品质蓝宝石的生长难度较大，特别体现在大尺寸晶体方面。

由于蓝宝石整流罩的整体结构呈碗状，因此，目前主流蓝宝石整流罩的制备流程是从蓝宝石晶坯加工出半球型或锥形等形状的整流罩，该方法不仅加工难度极高，加工量极大，坯料的浪费严重，而且成本也很高。所以低成本高质量地生长大尺寸蓝宝石整流罩单晶是当前面临的迫切任务。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的在于怎样解决现有蓝宝石整流罩加工难度大，加工精确度低，材料浪费多，并且生产成本高的问题，提供一种直接成型蓝宝石整流罩的方法，能够有效降低加工难度，提高生产效率。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是这样的：一种直接成型蓝宝石整流罩的方法，其特征在于：包括蓝宝石晶体生长炉炉体、坩埚、毛细管导模、籽晶杆、籽晶杆移动机构、坩埚旋转机构、以及控制系统；所述坩埚位于炉体内，毛细管导模竖直设于坩埚上方，其下端伸入坩埚内，且毛细管导模的轴心线与坩埚的轴心线之间具有间距；所述籽晶杆移动机构位于炉体上方，其包括竖移机构和转动机构，所述转动机构与竖移机构相连，通过竖移机构能够带动转动机构上下移动；在转动机构下方设有一籽晶杆固定架，所述籽晶杆竖直安装在该籽晶杆固定架上，且籽晶杆的轴心线和坩埚的轴心线之间的距离与毛细管导模的轴心线和坩埚的轴心线之间的距离相等，所述转动机构能够带动籽晶杆固定架及籽晶杆固定架绕籽晶杆的轴心线转动；所述坩埚旋转机构位于炉体下方，该坩埚旋转机构通过一传动轴与坩埚相连，且坩埚的轴心线与传动轴的轴心线重合，通过坩埚旋转机构能够带动坩埚绕其轴心线旋转；

其具体加工步骤如下：

1)在坩埚内加入蓝宝石晶体原料；

2)通过坩埚旋转机构使毛细管导模的轴心线与籽晶杆的轴心线重合，同时通过纵移机构使籽晶杆的下端伸入炉体内并与毛细管导模的上端具有30—50mm的间隙；

3)通过控制系统控制炉体进行加热，直至坩埚内的蓝宝石晶体原料熔化，蓝宝石熔液随毛细管导模向上移动至籽晶杆的下端，同时通过控制系统控制炉体内的温度，使蓝宝石熔液与籽晶杆的下端接触后能够快速结晶；

4)当蓝宝石熔液晶体在籽晶杆下端结晶后，通过坩埚旋转机构带动坩埚旋转，同时通过竖移机构向上提拉籽晶杆，并通过转动机构带动籽晶杆绕其轴心线转动，其中，籽晶杆下端结晶体上任意一点P，其对应的高度H_p，结晶半径R_p以及旋转速度ω_p分别为：

$H_p=v_{t1}t1+v_{t2}t2+\mathrm{...}+v_{tp}tp={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^p{v}_{ti}ti;$

其中v_ti为任意时间段ti对应的提拉速度；

$R_p=2S\sin \frac{{\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2+\mathrm{...}+{\mathrm{\θ}}_p}{2}=2S\sin \frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^p{\mathrm{\θ}}_i}{2}=2S\sin \frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^p\mathrm{\ω}{2}_{ti}ti}{2};$

其中ω2_ti为任意时间段ti对应的坩埚旋转速度；θi为任意时间段ti坩埚转过的角度；S为籽晶杆旋转中心线与坩埚旋转中心线之间的距离；

ω_p＝ω1_tp

其中，ω1_tp为时间段tp对应的籽晶杆旋转速度；

通过控制系统控制提拉速度、籽晶杆转动速度以及坩埚旋转速度，使液态晶体在籽晶杆下端的结晶体的下沿连续生长，逐渐形成整流罩；其中：提拉速度为0＜v≤100mm/min，籽晶杆转动速度0＜ω1≤40r/min，坩埚旋转速度；0＜ω2≤40r/min；

5)直到整流罩成型后，通过控制系统控制逐渐降低炉体加热温度，直至停止加热，然后对炉体进行降温，待降温后将整流罩与籽晶杆一起取下；最后将整流罩从籽晶杆上取下，进行后续打磨处理。

进一步地，在竖移机构上还设有称重装置，所述转动机构安装在称重装置下方，通过该称重装置能够对转动机构及籽晶杆固定架进行称重，从而对结晶成型的罩体重量进行实时监控，从而通过结晶成型重量与理论重量进行比较，以实时对提拉速度、水平移动速度以及旋转速度进行修正。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、直接从熔体中生长出蓝宝石整流罩毛坯,通过球面和锥面积分原理对晶体内表面和外表面的曲率进行严格控制,从而只需要很少的加工量便可获得整流罩的成品,大大地提高了晶体的利用率,降低了整流罩的成本。

2、生产过程中，产生的废料更低，并且整流罩的成品率更高、加工成本更低。

附图说明

图1为本发明的生长过程原理图；

图2为本发明的生长原理图。

图中：1—坩埚，2—毛细管导模，3—籽晶杆，4—传动轴。

具体实施方式

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明。

实施例：参见图1、图2，一种直接成型蓝宝石整流罩的方法，包括蓝宝石晶体生长炉炉体、坩埚1、毛细管导模2、籽晶杆3、籽晶杆移动机构、坩埚旋转机构、以及控制系统；所述坩埚1位于炉体内，毛细管导模2竖直设于坩埚1上方，其下端伸入坩埚1内，且毛细管导模2的轴心线与坩埚1的轴心线之间具有间距。所述籽晶杆移动机构位于炉体上方，其包括竖移机构和转动机构，所述转动机构与竖移机构相连，通过竖移机构能够带动转动机构上下移动；在转动机构下方设有一籽晶杆固定架，所述籽晶杆竖直安装在该籽晶杆固定架上，且籽晶杆的轴心线和坩埚的轴心线之间的距离与毛细管导模的轴心线和坩埚的轴心线之间的距离相等，所述转动机构能够带动籽晶杆固定架及籽晶杆固定架绕籽晶杆的轴心线转动。所述坩埚旋转机构位于炉体下方，该坩埚旋转机构通过一传动轴4与坩埚1相连，且坩埚1的轴心线与传动轴4的轴心线重合，通过坩埚旋转机构能够带动坩埚1绕其轴心线旋转。在竖移机构上还设有称重装置，所述转动机构安装在称重装置下方，通过该称重装置能够对转动机构及籽晶杆固定架进行称重，从而对结晶成型的罩体重量进行实时监控，从而通过结晶成型重量与理论重量进行比较，以实时对提拉速度、水平移动速度以及旋转速度进行修正。

其具体加工步骤如下：

1)在坩埚1内加入蓝宝石晶体原料；

2)通过坩埚旋转机构使毛细管导模的轴心线与籽晶杆的轴心线重合，同时通过纵移机构使籽晶杆的下端伸入炉体内并与毛细管导模的上端具有30—50mm的间隙；

3)通过控制系统控制炉体进行加热，直至坩埚1内的蓝宝石晶体原料熔化，蓝宝石熔液随毛细管导模2向上移动至籽晶杆3的下端，同时通过控制系统控制炉体内的温度，使蓝宝石熔液与籽晶杆3的下端接触后能够快速结晶；

4)当蓝宝石熔液晶体在籽晶杆3下端结晶后，通过坩埚旋转机构带动坩埚1旋转，同时通过竖移机构向上提拉籽晶杆3，并通过转动机构带动籽晶杆3绕其轴心线转动，其中，籽晶杆3下端结晶体上任意一点P，其对应的高度H_p，结晶半径R_p以及旋转速度ω_p分别为：

$H_p=v_{t1}t1+v_{t2}t2+\mathrm{...}+v_{tp}tp={\mathrm{\Σ}}_{i=1}^p{v}_{ti}ti;$

其中v_ti为任意时间段ti对应的提拉速度；

$R_p=2S\sin \frac{{\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2+\mathrm{...}+{\mathrm{\θ}}_p}{2}=2S\sin \frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^p{\mathrm{\θ}}_i}{2}=2S\sin \frac{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^p\mathrm{\ω}{2}_{ti}ti}{2};$

其中ω2_ti为任意时间段ti对应的坩埚1旋转速度；θi为任意时间段ti坩埚1转过的角度；S为籽晶杆3旋转中心线与坩埚1旋转中心线之间的距离；

ω_p＝ω1_tp

其中，ω1_tp为时间段tp对应的籽晶杆旋转速度；

通过控制系统控制提拉速度、籽晶杆转动速度以及坩埚旋转速度，使液态晶体在籽晶杆下端的结晶体的下沿连续生长，逐渐形成整流罩；其中：提拉速度为0＜v≤100mm/min，籽晶杆转动速度0＜ω1≤40r/min，坩埚旋转速度；0＜ω2≤40r/min；

5)直到整流罩成型后，通过控制系统控制逐渐降低炉体加热温度，直至停止加热，然后对炉体进行降温，待降温后将整流罩与籽晶杆3一起取下；这样能够有效防止拿出时整流罩坯料开裂；最后将整流罩从籽晶杆3上取下，进行后续打磨处理。

本发明坩埚1与毛细管导模2的位置相对固定，完成引晶后，通过籽晶杆3的旋转ω1，毛细管导模2不断在结晶体下沿进行涂覆，从而实现晶体的连续生长；通过提拉运动v，实现晶体的生长高度不断增加；由坩埚1及导模的旋转ω2，使得导模与晶体的接触点发生偏移，形成半径R；生长周期内，坩埚1和导模共计旋转θ角。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制技术方案，本领域的普通技术人员应当理解，那些对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (1)

1.一种直接成型蓝宝石整流罩的方法，其特征在于：该方法所使用的设备包括蓝宝石晶体生长炉炉体、坩埚、毛细管导模、籽晶杆、籽晶杆移动机构、坩埚旋转机构、以及控制系统；所述坩埚位于炉体内，毛细管导模竖直设于坩埚上方，其下端伸入坩埚内，且毛细管导模的轴心线与坩埚的轴心线之间具有间距；所述籽晶杆移动机构位于炉体上方，其包括竖移机构和转动机构，所述转动机构与竖移机构相连，通过竖移机构能够带动转动机构上下移动；在转动机构下方设有一籽晶杆固定架，所述籽晶杆竖直安装在该籽晶杆固定架上，且籽晶杆的轴心线和坩埚的轴心线之间的距离与毛细管导模的轴心线和坩埚的轴心线之间的距离相等，所述转动机构能够带动籽晶杆固定架及籽晶杆固定架绕籽晶杆的轴心线转动；所述坩埚旋转机构位于炉体下方，该坩埚旋转机构通过一传动轴与坩埚相连，且坩埚的轴心线与传动轴的轴心线重合，通过坩埚旋转机构能够带动坩埚绕其轴心线旋转；在竖移机构上还设有称重装置，所述转动机构安装在称重装置下方，通过该称重装置能够对转动机构及籽晶杆固定架进行称重，从而对结晶成型的罩体重量进行实时监控，从而通过结晶成型重量与理论重量进行比较，以实时对提拉速度、水平移动速度以及旋转速度进行修正；

其具体加工步骤如下：

1)在坩埚内加入蓝宝石晶体原料；

2)通过坩埚旋转机构使毛细管导模的轴心线与籽晶杆的轴心线重合，同时通过纵移机构使籽晶杆的下端伸入炉体内并与毛细管导模的上端具有30—50mm的间隙；

3)通过控制系统控制炉体进行加热，直至坩埚内的蓝宝石晶体原料熔化，蓝宝石熔液随毛细管导模向上移动至籽晶杆的下端，同时通过控制系统控制炉体内的温度，使蓝宝石熔液与籽晶杆的下端接触后能够快速结晶；

4)当蓝宝石熔液晶体在籽晶杆下端结晶后，通过坩埚旋转机构带动坩埚旋转，同时通过竖移机构向上提拉籽晶杆，并通过转动机构带动籽晶杆绕其轴心线转动，其中，籽晶杆下端结晶体上任意一点P，其对应的高度H_p，结晶半径R_p以及旋转速度ω_p分别为：

$H_p=v_{t1}t1+v_{t2}t2+...+v_{tp}tp={\Σ}_{i=1}^p{v}_{ti}ti;$

其中v_ti为任意时间段ti对应的提拉速度；

$R_p=2Ssin\frac{{\mathrm{\θ}}_1+{\mathrm{\θ}}_2+...+{\mathrm{\θ}}_p}{2}=2Ssin\frac{{\Σ}_{i=1}^p{\mathrm{\θ}}_i}{2}=2Ssin\frac{{\Σ}_{i=1}^p\mathrm{\ω}{2}_{ti}ti}{2};$

其中ω2_ti为任意时间段ti对应的坩埚旋转速度；θi为任意时间段ti坩埚转过的角度；S为籽晶杆旋转中心线与坩埚旋转中心线之间的距离；

ω_p＝ω1_tp

其中，ω1_tp为时间段tp对应的籽晶杆旋转速度；

通过控制系统控制提拉速度、籽晶杆转动速度以及坩埚旋转速度，使液态晶体在籽晶杆下端的结晶体的下沿连续生长，逐渐形成整流罩；其中：提拉速度为0＜v≤100mm/min，籽晶杆转动速度0＜ω1≤40r/min，坩埚旋转速度；0＜ω2≤40r/min；

5)直到整流罩成型后，通过控制系统控制逐渐降低炉体加热温度，直至停止加热，然后对炉体进行降温，待降温后将整流罩与籽晶杆一起取下；最后将整流罩从籽晶杆上取下，进行后续打磨处理。