氧化物熔体自由表面变形的实验研究.pdfVIP

897 中国科学E辑工程科学材料科学2005，35(9)：897,-003 氧化物熔体自由表面变形的实验研究8 洪勇金蔚青潘秀纽 (中国科学院上海硅酸盐研究所，上海200050) 依田真一 (宇宙航空研究开发机构。FI本茨城县) 摘要 从稳态向振荡态的转变过程稳态热毛细对流的模式由一个对流主干和两个分 支组成．当振荡态对流引发后，对流主干的长度会随着温度的增加而增长．对流 主干和分支是熔体表面变形的表现形式在铂金环的两端施加了3种温度梯度： 120，60和10K，铂金环上温度分布的变化直接导致了熔体热毛细对流方向的变化， 从而引发了表面变形形式的改变．通过熔体温度分布的分析发现：表明表面变形 总是形成于熔体内的低温区．表面变形的形成是熔体产生表面回流的主要原因． 主干的振荡频率随着温度梯度的增加而增大． 关键词 表面变形 热毛细对流高温熔体 实时观察 在熔体晶体生长中，如果熔体中存在自由表面，那么熔体中的温度梯度会引 发表面张力梯度从而产生表面张力对流．这种对流根据其方向和温度梯度方向 和湍流．空间实验表明表面张力对流是晶体表面产生生长条纹的主要因素【1．2]． 这是因为在高的Ma数时，表面张力对流容易产生一种非稳态的振荡流，进一步 产生紊流．热毛细对流的振荡态是熔体晶体生长过程中所不期望出现的，因为振 荡态对流引发晶体生长速度的波动，从而导致了晶体表面的生长条纹的出现所 以，这种稳态向非稳态转变的产生条件和机理的研究就显得格外重要． 熔体晶体生长工业化的需求激发了对于表面张力对流的研究．目前，关于大 2004．12-28收稿，2005．04-30收修改稿 SCIENCEINCHINASet．E Science Engineering＆Materials 中国科学E辑工程科学材料科学 第35卷 不如实际的高温熔体苛刻．但是，模拟液体中的表面张力对流并不能完全反映实 际高温熔体中的表面张力对流的一些特征：在高温熔体中容易产生较大的温度 梯度，容易出现脉冲流等．而本实验的熔体晶体生长实时观察装置，能够对高温 氧化物熔体中的热毛细对流进行实时观察研究口“】，从而真实地反映高温熔体热 毛细对流的状态以及影响因素． 目前的工作是实验研究高温熔体中的热毛细对流从稳态到非稳态的转变以 及表面变形受温度梯度变化的影响． 1实验部分 实验中采用了空间高温实时观察装置【l“，简单介绍如下：图1为加热铂金环 的示意图如图所示，铂金环由铂金丝(≯O．2 电偶(口0．08 mm在环的两端各 mm)用于测量环上的温度．整个加热环内径为1．5 有一个v形的结构，用于防止铂金环高温变形．结合了休仑技术的微分干涉显微 镜用于实时观察，通过一个CCD的摄像枪从显微镜中得到的图像信号输入视频 捕捉卡进行视频采集，图像文件保存在计算机中． 图1铂金环示意图 mm的铂金环”1上， 将一小块Bil2Si020晶体放置在内径为1．5mm，高为0．2 加热至1200K使之熔化．由于表面的作用形成厚度约为0．2mm的熔体膜，调整 熔体的量使得中心区域减薄到0．07mm厚时，整个熔体膜呈现凹透镜的形状，熔 体中心约1mm直径的区域变为透明，而熔体与铂金环的接触区域呈现弯月面因 而在显微镜上显示为不透明区域．熔体的自由表面通过热辐射以及与空气的热 传递散热铂金环上的温度分布不均匀导致了在熔体中表面张力分布的不均匀， 从而引发了熔体中表面张力对流的形成． lNCHINASer．E