Método de crisol frío para cultivar y sintetizar cristales de circonio cúbico
El método del crisol frío para cultivar cristales de ZrO2_2 se remonta a 1969, cuando el científico francés Lulin y otros utilizaron energía de alta frecuencia para calentar un crisol frío para el crecimiento de cristales. Aunque el equipo es sencillo, se cultivaron pequeños cristales de circonio cúbico con un estabilizador de 12,5% Y2O3, pero esta investigación no se ha realizado. En 1972, un equipo de investigación dirigido por V.I. Alekasadrov en el Instituto de Física Lebedev de la antigua Unión Soviética mejoró la tecnología de Lulin, cultivó cristales más grandes y solicitó patentes en Estados Unidos y otros países. De 1976 a 1979 obtuvo sucesivamente patentes del Reino Unido, Alemania y Estados Unidos. Después de 1976, la antigua Unión Soviética vendió gradualmente este cristal al mercado de las gemas como sustituto de los diamantes naturales. Durante este período, la American Ceres Company también realizó investigaciones, mejoró el sistema de crisol en frío y solicitó una patente, produciendo una gran cantidad de cristales de circonio cúbico sintéticos para piedras preciosas. China inició la investigación en 1982 y pronto logró la producción en masa. Es uno de los países del mundo que puede suministrar grandes cantidades de cristales de Czochralski.
Los cristales de CZ crecen fácilmente hasta convertirse en cristales de varios colores, con colores brillantes. El cristal CZ no solo se utiliza como piedra preciosa, sino también como un excelente material óptico y material de matriz láser.
1. Principio de funcionamiento de la tecnología de crisol frío de alta frecuencia
1. Principios básicos
Como todos sabemos, generalmente los materiales no metálicos de alta temperatura son Materiales dieléctricos a temperatura ambiente. Tiene alta resistividad y baja pérdida dieléctrica, lo que dificulta su fusión directa con campos electromagnéticos de alta frecuencia. Sin embargo, los experimentos han demostrado que la conductividad de la masa fundida de estos materiales es buena, lo que proporciona las condiciones para la tecnología de calentamiento de alta frecuencia.
La tecnología de crisol frío de alta frecuencia no utiliza un crisol especial, sino que utiliza directamente el material cristalino que se cultiva como "crisol" para derretir el interior sin derretir la capa exterior. Su ingenio es agregar un; Un dispositivo de enfriamiento absorbe calor de la capa superficial para que la capa superficial no se derrita y forme una cáscara no fundida, que actúa como un crisol. Este es el "crisol frío". El material cristalino que se ha derretido en el interior cristaliza y crece mediante el principio de crecimiento de cristales del método de descenso del crisol.
2. Proceso de fusión
Para fundir materiales no metálicos a alta temperatura, se debe formar una pequeña zona de fusión mediante un método que sirva como una masa fundida conductora. El método más simple es colocar una pequeña cantidad de láminas de metal o polvo correspondientes en el centro del material, encender la fuente de alimentación de alta frecuencia y utilizar calentamiento por inducción de metal y calor de oxidación rápida para derretir primero una pequeña cantidad de materia prima ( ver Figura 4-1-2).
Figura 4-1-2 Diagrama esquemático del proceso de fusión
En la zona de fusión local, la suma de la potencia absorbida y el calor liberado por oxidación es mayor que (al menos igual a) el calor emitido por la zona de fusión y la suma de la absorción de calor requerida por el material para que la zona de fusión pueda expandirse. La práctica muestra que este período de tiempo es muy corto y el metal se oxida rápidamente para formar una zona de fusión de esfera hueca (Figura 4-1-2(a)). El tamaño de la zona de fusión está relacionado con la potencia de entrada. Cuando la potencia de entrada aumenta (principalmente aumentando el voltaje en la etapa inicial), la zona de fusión se expande hasta el equilibrio (Figura 4-1-2 (b)). Para diferentes materiales, cuanto mayor sea la conductividad térmica, mayor será la potencia de entrada requerida.
2. Tecnología y equipo de crisol en frío de alta frecuencia
El conjunto completo de equipos para la tecnología de crisol en frío de alta frecuencia consta de tres partes: un dispositivo de oscilación de alta frecuencia y un dispositivo de crisol en frío. sistema de crisol y un dispositivo desplegable de crecimiento de cristales (consulte la Figura 4-1-3).
Figura 4-1-3 Diagrama esquemático del dispositivo de crecimiento de cristales de crisol en frío
1 Fuente de alimentación de alta frecuencia
Según el principio y los requisitos del proceso. Al fundir materiales no metálicos (tomando circonio como ejemplo), la fuente de alimentación de alta frecuencia debe tener las siguientes características:
1) La frecuencia de funcionamiento de 1 ~ 6 MHz es estable y ajustable.
2) Tiene buena coordinación de trabajo y puede adaptarse a requisitos cambiantes desde carga ligera (10% del valor nominal) hasta carga pesada (110%). No dañará ni averiará los componentes cuando trabaje bajo sobretensión.
3) La potencia es ajustable, es decir, el voltaje del ánodo se puede ajustar uniformemente dentro del rango del 30% al 130% (valor nominal), y lo mejor es tener una función estabilizadora de voltaje confiable.
4) Puede funcionar de forma continua durante mucho tiempo. Debido a las particularidades de los requisitos, no se dispone de fuentes de alimentación de alta frecuencia ya preparadas. Los equipos para la tecnología de crisol frío de alta frecuencia están especialmente diseñados. Esta fuente de alimentación tiene las siguientes características: el circuito de oscilación utiliza un oscilador capacitivo de tres puntos con una frecuencia relativamente estable. Este tipo de circuito tiene las ventajas de una frecuencia estable, una buena forma de onda y una estructura simple. No se ve afectado fácilmente por circuitos parásitos a frecuencias más altas, pero es difícil iniciar la oscilación.
2. Sistema de crisol en frío
El sistema de crisol en frío es uno de los equipos clave para el crecimiento de cristales. Debe poder atravesar campos eléctricos de alta frecuencia y soportar masas fundidas con temperaturas internas superiores a 3000°C sin fundirse. Su composición es:
1) El tubo de cobre refrigerado por agua está doblado en forma de doble "U" con un espacio de 1 ~ 1,5 mm, lo que garantiza la suave penetración de la energía electromagnética de alta frecuencia. Debido al suave flujo de agua en el interior, es fácil formar una "cáscara fría" para soportar la masa fundida.
2) La base refrigerada por agua consta de tres partes, con aislamiento en el medio, que corta eficazmente la corriente inducida de alta frecuencia y mejora la eficiencia.
La base está dividida en una cavidad superior y una cavidad inferior. La cavidad superior suministra agua y la cavidad inferior drena agua. La cavidad superior y la cavidad inferior están soldadas a ambos extremos del tubo de cobre superior respectivamente.
3) Debajo se muestra un soporte aislante fabricado en fibra de vidrio, que está aislado de la parte metálica del mecanismo abatible.
3. Dispositivo desplegable y sistema de regulación de velocidad
El mecanismo desplegable adopta un mecanismo de transmisión de tornillo y engranaje helicoidal y es impulsado por un generador de torque de CC y una unidad de motor eléctrico. . La velocidad del motor es ajustable y la precisión del ajuste de la velocidad es alta, lo que garantiza la estabilidad del crecimiento del cristal. La unidad de torsión de CC está alimentada por un controlador de modulación de ancho de pulso especialmente diseñado con dos ajustes de circuito cerrado de retroalimentación de velocidad y retroalimentación de voltaje para garantizar requisitos de velocidad constantes.
En tercer lugar, el crecimiento de cristales de circonio cúbico sintético
1 Preparación de materias primas
La principal materia prima para producir circonio cúbico es el polvo de ZrO2 y el TiO2. en la materia prima, el contenido de Fe2O3 y Fe2O3 es relativamente alto y la fracción de masa general es inferior al 0,03% para garantizar que los cristales crecidos sean amarillos y tengan buena transparencia. El estabilizador es Y2O3 de alta pureza, de color blanco y delicado.
Para que crezcan cristales coloreados, es necesario dopar una cierta cantidad de elementos de impureza, como óxidos de elementos de tierras raras y óxidos de elementos de grupos de transición, como se muestra en la Tabla 4-1-4. Mezcle ZrO2 e Y2O3 en una proporción de 9:1 mol, agregue los elementos de impureza correspondientes, mezcle uniformemente y reserve.
Tabla 4-1-4 Dopantes y colores comunes en cristales de CZ
2. Proceso de crecimiento de cristales
Coloque las materias primas mezcladas en el crisol frío y colóquelas. Coloque una pequeña cantidad de rodajas de circonio sobre él, encienda la alimentación para aumentar el voltaje y derretir las materias primas. Después de que las materias primas se derritan y la masa fundida se estabilice durante un período de tiempo, y el voltaje, la corriente y la corriente de compuerta sean básicamente estables, baje lentamente el crisol. En este momento se producirá una nucleación espontánea en la parte inferior debido al enfriamiento de la parte inferior. A medida que el crisol desciende, algunos núcleos de cristal con ventajas de crecimiento crecen rápidamente, desplazando a otros cristales pequeños para convertirse en columnas de cristal. En términos generales, los parámetros operativos típicos de un crisol con un diámetro de d=250 mm son: voltaje 9 ~ 10 kV, corriente 7 ~ 10 A, corriente de compuerta 1 ~ 1,5 A, velocidad de descenso del crisol 3 ~ 15 mm/h después del crecimiento. Una vez completado, reduzca lentamente la potencia, deje que el cristal se recozca durante un período de tiempo, apague la alimentación, enfríe a temperatura ambiente de forma natural y saque el bloque de cristal. Haga clic para abrir y separar el bloque de cristal completo.
Otras aplicaciones y últimos avances de la tecnología de crisol en frío
La tecnología de crisol en frío ha evolucionado enormemente desde que se puso en aplicación industrial en 1976.
En términos de equipos de crisol frío de alta frecuencia, después de Rusia, Estados Unidos, China y otros países han desarrollado y ampliado con éxito la capacidad de producción y la han puesto en producción comercial, produciendo cientos de toneladas de cristales de ZrO2_2 cada año. año. El diámetro del crisol frío se ha ampliado a más de 400 mm, la capacidad de carga se ha ampliado de unos pocos kilogramos a 1200 kilogramos y se pueden producir casi 400 kilogramos de cristales de circonio cada vez. La estabilidad del equipo mejora enormemente y se logra un control automático.
La investigación sobre los cristales de Czochralski también ha avanzado mucho. Hoy en día se pueden producir casi todo tipo de cristales, especialmente el cristal azul verdoso que se ha lanzado recientemente al mercado. Se puede imitar el azul del zafiro y el verde de la esmeralda.