CN1088634A - 电磁场中浮区熔化单晶体(或定向凝固)材料制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于单晶材料的制备方法，其工艺方法是
单晶浮区熔化的熔池内施加电磁场，电磁场为直流电
产生的恒稳磁场或交流电产生的交变磁场，料棒送进
速度和提拉速度(晶体生长速度)连续可调，料棒和单
晶体在磁场中作轴向旋转，采用稳定的机械装置提拉
出单晶。优点是：有效的克服了对已有各种浮区熔化
晶体生产造成的缺陷——重力对流、温差热对流和表
面张力对流对晶体生长所造成的破坏。
Description
本发明属于单晶材料的制备方法。
目前在高技术领域中，自动化微电子敏感元件，电热网络中的光纤器件都需要纤维材料，因为这些器件在要求具有同场相关的特殊性能（光-电、磁-光效应），而这些性能在单晶中比多晶中更好，因而单晶纤维的生长具有特别的重要性，它既保留了材料本身的性质，又具备有波导几何形状，单晶纤维特别适用于非线性光学敏感元件，因其具有长的相互作用长度，且在波导结构中有紧凑约束，非线性转换效率大大提高，所以纤维晶体生长技术是一个有代表性的发展方向，为高新技术提供材料。过去区域熔炼和提纯及区熔单晶制备是常用方法，很多材料是用坩埚区熔法制备，单晶体是微米直径的纤维单晶或织构取向纤维多采用无坩埚浮区熔化生长法，为制备单晶或织构取向纤维，相继发展出氙灯聚焦热源，氩弧热源等，其中激光热源的激光加热基座生长法（LHPG）是最有效的微米直径单晶（或织构）纤维制备的方法，激光法控制单晶或织构纤维是以恰克拉斯基（zochralskl）晶体生长技术为基础，用激光为热源控制几十至几百微米直径的各种高熔点多元氧化物陶瓷单晶纤维的技术，八十年代，具有特殊性能的各种单晶纤维材料，包括光电、温度、能量各类敏感材料，如：最重要的激光晶体材料YAG单晶纤维，铁电晶体-钛酸钡和非线性光学材料-铌酸锂就是采用此法生产的，单晶或定向生长的最重要条件是固/液界面上液体的稳定性与成份均匀性，浮区生长时熔池内的三种对流（与坩埚法相比，无坩埚的浮区熔化生长熔池内除重力对流，温差热对流外，还有因表面张力造成的马拉哥尼（Marngonl）对流，严重破坏了这种稳定条件，有时目视可见液流在熔池内旋转，为了减少热对流，在LHPG法中由双光束改进成四光束到环形光束的加热，并且使基座自旋等措施，但是不能改善另两种对流，且设备成本增高，效果不好，不能拉出高质量的单晶或织构纤维。
无坩埚浮区熔化单晶（或定向）材料制备工艺是生长高熔点氧化物单晶，尤其是纤维状（微米至毫米直径）单晶或定向材料的有效方法，尽管所用热源不同，但熔池均很小（微米至毫米）为长出优质单晶或取向单晶，要求送拉的机械系统高度稳定，热源高度稳定和环形对称，以确保固-液界面上液体处于绝对稳态，否则长出的晶体其单晶性或取向性受到破坏，外表光洁度和粗细均匀性差，这就要求设备在长时间（几小时至几十小时）充分稳定，以激光加热基座生长法（LHPG）法为例，为获得热对称性由双光束变为四光束进而变为环形光束，同时增加样品自旋转装置，尽管如此，只在改善热对流有进步，仍无法克服重力对流和浮区法固有的熔体形状不对称产生的表面张力对流，生长的单晶质量差。
为解决制备单晶体的不足，本发明的目的提供一种电磁场中浮区熔化单晶体材料制备方法，采用浮区熔化单晶体生长在一个恒定的磁场中进行，有效的解决了消除熔池对流，保证固-液界面处于绝对稳定状态，从而达到可生长出结构完整、严格取向的单晶或织构细棒。
本发明的技术方案是为克服对已有的各种浮区熔化晶体生长所存在的缺陷-重力对流，温差热对流、表面张力对流对稳态晶体生长所造成的严重破坏，其特征在于在单晶浮区熔化的熔池内施加电磁场，具体以激光加热基座生长法为例，用2支30瓦的二氧化碳连续激光器为热源，料棒送进与提拉装置为一稳定的机械系统，送进速度为0.5mm/小时～5mm/小时，提拉速度与送进速度连续可调，提拉速度（晶体生长速度）亦可调，原料棒与生长晶体均绕轴向旋转，所加磁场可为直流电产生的恒稳磁场或交流电产生的交变磁场，磁场是采用纯铁芯或硅钢片铁芯，绕以线圈，所用场强根据料棒直径及与磁极间距离确定，在50～500高斯，且磁极在样品两侧安放。当原料棒顶端被热源（激光）加热熔化后，形成滴状熔池，并同时施加磁场，为在较低电源功率条件下获得较高电磁场强度，应尽量把样品靠近磁极，并应置于两磁极之间，使样品处于对称均匀磁场中，在整个晶体生长过程的始终一直施加磁场效应。
本发明与已有技术比较有如下优点：由于熔池外加电磁场，与重力对流、温差热对流、表面张力对流而导致的旋转熔体中感生的电磁场产生交互作用，从而获得电磁制动效果，保证固-液界面上液体处于绝对稳定状态，以可生长出结构完整、取向严格的单晶体或纤维棒料，且表面光洁，粗细均匀，内部元素分布均匀，显微组织有固定取向，为工程材料实用化开创前景。
本发明之实施例：
用激光加热基座生长法（LHPG）制备铋系织构取向超导纤维，将铋系（2∶2∶1∶2）超导材料氧化铋（Bi2O3）、碳酸锶（SrCO3）、碳酸钙（CaCO3）和氧化铜（CuO）粉末按（2∶2∶1∶2）配比，混合后在Al2O3坩锅中熔化，条件为1150℃，15分钟，浇铸成φ1.5～2.0mm非晶料棒，用双束CO2连续激光器与热源（30W）以0.17～0.8cm/h拉速制备织构取向超导纤维，熔池附近分别加有直流恒稳磁场或交流交变磁场，场温为50～500高斯，控制纤维直径0.5～1.5mm，磁场与不加磁场控制的超导纤维，外观光洁度与直径均匀性相差很大，前者光滑均匀，完全消除了不加电磁场时目视可见的熔池旋转现象和原有粗糙、粗细不均匀现象经超导优化处理后，加电磁场的超导相呈明显织构取向，这种组织是获得高临界电流密度（Jc）的组织特征。
Claims (3)
1、一种电磁场中浮区熔化单晶体(或定向凝固)材料制备方法，其特征在于在单晶浮区熔化的熔池内施加电磁场，具体以激光加热基座生长法为例，用2支30瓦二氧化碳连续激光器为热源，料棒送进与提拉装置为一稳定机构系统，送进速度为0.5mm～5mm/小时，提拉速度晶体生长速度和送进速度连续可调。
2、按权利要求1所述之单晶体（或定向凝固）材料制备方法，其特征在于所加电磁场可山直流电产生的恒稳磁场或交流电产生的交变磁场磁场强度50～500高斯。
3、按权利要求1所述之单晶体（或定向凝固）材料制备方法，其特征在于原料棒与生长晶体均按轴向旋转，且把料棒靠近磁极，处于对称均匀的磁场中。
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| CN 92112228 CN1088634A (zh) | 1992-12-19 | 1992-12-19 | 电磁场中浮区熔化单晶体(或定向凝固)材料制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102358954A (zh) * | 2011-10-12 | 2012-02-22 | 北京工业大学 | 一种生长CaxBa1-xNb2O6系列晶体的方法 |
| CN104818519A (zh) * | 2015-04-21 | 2015-08-05 | 上海大学 | 一种改善非线性光学晶体ZnGeP2性能的方法 |
| WO2020062341A1 (zh) * | 2018-09-28 | 2020-04-02 | 江苏大学 | 一种激光增材装置及其增材制造的方法 |
-
1992
- 1992-12-19 CN CN 92112228 patent/CN1088634A/zh active Pending
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| CN102358954A (zh) * | 2011-10-12 | 2012-02-22 | 北京工业大学 | 一种生长CaxBa1-xNb2O6系列晶体的方法 |
| CN102358954B (zh) * | 2011-10-12 | 2013-10-23 | 北京工业大学 | 一种生长CaxBa1-xNb2O6系列晶体的方法 |
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