第四章 熔体中的晶体生长技术(熔体导模法).ppt

4.4熔体导模法生长宝熔体导模法生长宝石晶体石晶体主要内容主要内容l l一、导模法生长晶体简介l l二、导模法生长晶体的工艺过程l l三、导模法生长晶体的工艺原理l l四、导模法生长宝石晶体装置l l五、导模法生长宝石晶体实例l l六、导模法生长宝石晶体特点及鉴别一、一、“边缘限定薄膜供料生长”技术，简称EFG法EFGEFG法首要的条件是要求模法首要的条件是要求模法首要的条件是要求模法首要的条件是要求模具材料必须能为熔体所润具材料必须能为熔体所润具材料必须能为熔体所润具材料必须能为熔体所润湿，并且彼此间又不发生湿，并且彼此间又不发生湿，并且彼此间又不发生湿，并且彼此间又不发生化学作用在润湿角化学作用在润湿角化学作用在润湿角化学作用在润湿角θ θ满足满足满足满足0<θ<90°0<θ<90°的条件下，使得的条件下，使得的条件下，使得的条件下，使得熔体在毛细管作用下能上熔体在毛细管作用下能上熔体在毛细管作用下能上熔体在毛细管作用下能上升到模具的顶部，并能在升到模具的顶部，并能在升到模具的顶部，并能在升到模具的顶部，并能在顶部的模具截面上扩展到顶部的模具截面上扩展到顶部的模具截面上扩展到顶部的模具截面上扩展到模具的边缘而形成一个薄模具的边缘而形成一个薄模具的边缘而形成一个薄模具的边缘而形成一个薄膜熔体层，膜熔体层，膜熔体层，膜熔体层，晶体的截面形晶体的截面形晶体的截面形晶体的截面形状和尺寸则为模具顶部边状和尺寸则为模具顶部边状和尺寸则为模具顶部边状和尺寸则为模具顶部边缘的形状和尺寸所决定。

缘的形状和尺寸所决定缘的形状和尺寸所决定缘的形状和尺寸所决定因此，因此，因此，因此，EFGEFG法能生长出各法能生长出各法能生长出各法能生长出各种片、棒、管、丝及其它种片、棒、管、丝及其它种片、棒、管、丝及其它种片、棒、管、丝及其它特殊形状的晶体，具有直特殊形状的晶体，具有直特殊形状的晶体，具有直特殊形状的晶体，具有直接从熔体中控制生长定型接从熔体中控制生长定型接从熔体中控制生长定型接从熔体中控制生长定型晶体的能力晶体的能力晶体的能力晶体的能力二、导模法生长晶体的工艺过程二、导模法生长晶体的工艺过程a: a: 将籽晶浸入熔体将籽晶浸入熔体b: b: 籽晶表面回熔籽晶表面回熔c c:  :  缩颈放肩提拉缩颈放肩提拉l ld:  d:  提拉使熔体提拉使熔体提拉使熔体提拉使熔体到模具顶部表到模具顶部表到模具顶部表到模具顶部表面面面面l le:   e:   特定形状的特定形状的特定形状的特定形状的晶体的生长阶晶体的生长阶晶体的生长阶晶体的生长阶段三三、、导模法生长晶体的工艺原理导模法生长晶体的工艺原理                        将原料放入坩埚中加将原料放入坩埚中加将原料放入坩埚中加将原料放入坩埚中加热熔化，熔体沿一模具在热熔化，熔体沿一模具在热熔化，熔体沿一模具在热熔化，熔体沿一模具在毛细作用下上升至模具顶毛细作用下上升至模具顶毛细作用下上升至模具顶毛细作用下上升至模具顶端，在模具顶部液面上接端，在模具顶部液面上接端，在模具顶部液面上接端，在模具顶部液面上接籽晶提拉熔体，使籽晶在籽晶提拉熔体，使籽晶在籽晶提拉熔体，使籽晶在籽晶提拉熔体，使籽晶在熔体的交界面上不断进行熔体的交界面上不断进行熔体的交界面上不断进行熔体的交界面上不断进行原子或分子的重新排列，原子或分子的重新排列，原子或分子的重新排列，原子或分子的重新排列，随降温逐渐凝固而生长出随降温逐渐凝固而生长出随降温逐渐凝固而生长出随降温逐渐凝固而生长出与模具边缘形状相同的单与模具边缘形状相同的单与模具边缘形状相同的单与模具边缘形状相同的单晶体。

晶体        熔体是通过模具的毛熔体是通过模具的毛熔体是通过模具的毛熔体是通过模具的毛细管到达模顶的上细管到达模顶的上细管到达模顶的上细管到达模顶的上升的高度：升的高度：升的高度：升的高度：           导模法生长的晶体，由于熔体无对流搅导模法生长的晶体，由于熔体无对流搅拌，因此杂质分布主要由扩散决定此方拌，因此杂质分布主要由扩散决定此方法生长的晶体分凝系数是一个不变值法生长的晶体分凝系数是一个不变值 这这是此方法的一大优点是此方法的一大优点四、导模法生长宝石晶体装置四、导模法生长宝石晶体装置l l与提拉法的差异：与提拉法的差异：与提拉法的差异：与提拉法的差异：                      生长装置与提拉法生长装置与提拉法生长装置与提拉法生长装置与提拉法相似不同的是将具相似不同的是将具相似不同的是将具相似不同的是将具有毛细管的模具安装有毛细管的模具安装有毛细管的模具安装有毛细管的模具安装在坩埚底部，籽晶通在坩埚底部，籽晶通在坩埚底部，籽晶通在坩埚底部，籽晶通过毛细管口与熔体相过毛细管口与熔体相过毛细管口与熔体相过毛细管口与熔体相接触，然后按照模具接触，然后按照模具接触，然后按照模具接触，然后按照模具顶端截面的形状提拉顶端截面的形状提拉顶端截面的形状提拉顶端截面的形状提拉初各种形状的晶体。

初各种形状的晶体初各种形状的晶体初各种形状的晶体而晶体提拉法只能得而晶体提拉法只能得而晶体提拉法只能得而晶体提拉法只能得到圆柱状的晶体到圆柱状的晶体到圆柱状的晶体到圆柱状的晶体        模具的选择原则：模具的选择原则：模具的选择原则：模具的选择原则：          1  1 熔点高于晶体的熔点；熔点高于晶体的熔点；熔点高于晶体的熔点；熔点高于晶体的熔点；能被熔体润湿；与熔体相能被熔体润湿；与熔体相能被熔体润湿；与熔体相能被熔体润湿；与熔体相互之间不发生化学反应互之间不发生化学反应互之间不发生化学反应互之间不发生化学反应          2  2 模具的形状、尺寸精确，模具的形状、尺寸精确，模具的形状、尺寸精确，模具的形状、尺寸精确，边缘平滑、顶部表面的光边缘平滑、顶部表面的光边缘平滑、顶部表面的光边缘平滑、顶部表面的光洁度好（达到镜面的水平）洁度好（达到镜面的水平）洁度好（达到镜面的水平）洁度好（达到镜面的水平）          3 3加工好的模具使用前应加工好的模具使用前应加工好的模具使用前应加工好的模具使用前应在高温下进行退火处理，在高温下进行退火处理，在高温下进行退火处理，在高温下进行退火处理，这样不易产生气孔。

这样不易产生气孔这样不易产生气孔这样不易产生气孔不同形状的导模五、导模法生长宝石晶体实例（合成金五、导模法生长宝石晶体实例（合成金绿宝石）绿宝石）1  1 原料配制原料配制原料配制原料配制：：：：2晶体生长工艺条件晶体生长工艺条件        （（1）籽晶切向为）籽晶切向为//[001]          (2) 模具顶端以上轴向温度梯度为：模具顶端以上轴向温度梯度为：5~10℃/mm           (3)提拉速度为提拉速度为15~20mm/h            (4)生长气氛为高纯氬气生长气氛为高纯氬气六、导模法生长宝石晶体特点与鉴别特点：特点：特点：特点：（（（（1 1）能够直接从熔体中拉制出丝、管、杆、片、板以及其）能够直接从熔体中拉制出丝、管、杆、片、板以及其）能够直接从熔体中拉制出丝、管、杆、片、板以及其）能够直接从熔体中拉制出丝、管、杆、片、板以及其它各种特殊形状的晶体它各种特殊形状的晶体它各种特殊形状的晶体它各种特殊形状的晶体   ，，，，所以，此法生产的产品可免除对宝所以，此法生产的产品可免除对宝所以，此法生产的产品可免除对宝所以，此法生产的产品可免除对宝石晶体加工所带来的繁重切割、成型等机械加工程序，同时大石晶体加工所带来的繁重切割、成型等机械加工程序，同时大石晶体加工所带来的繁重切割、成型等机械加工程序，同时大石晶体加工所带来的繁重切割、成型等机械加工程序，同时大大减少了物料的加工损耗，节省了加工时间，从而降低了产品大减少了物料的加工损耗，节省了加工时间，从而降低了产品大减少了物料的加工损耗，节省了加工时间，从而降低了产品大减少了物料的加工损耗，节省了加工时间，从而降低了产品的成本。

的成本2 2）能够获得成分均匀的掺质晶体因为熔体在毛细管中）能够获得成分均匀的掺质晶体因为熔体在毛细管中）能够获得成分均匀的掺质晶体因为熔体在毛细管中）能够获得成分均匀的掺质晶体因为熔体在毛细管中的对流作用极弱，界面通过扩散过程向熔体主体中运动，的对流作用极弱，界面通过扩散过程向熔体主体中运动，的对流作用极弱，界面通过扩散过程向熔体主体中运动，的对流作用极弱，界面通过扩散过程向熔体主体中运动，在提拉作用下，晶体的熔质浓度将达到主体的浓度就是在提拉作用下，晶体的熔质浓度将达到主体的浓度就是在提拉作用下，晶体的熔质浓度将达到主体的浓度就是在提拉作用下，晶体的熔质浓度将达到主体的浓度就是说说说说熔质的有效分凝系数熔质的有效分凝系数熔质的有效分凝系数熔质的有效分凝系数KeKe近似为近似为近似为近似为1 1用此方法生长的宝石用此方法生长的宝石用此方法生长的宝石用此方法生长的宝石颜色均匀色彩鲜艳颜色均匀色彩鲜艳颜色均匀色彩鲜艳颜色均匀色彩鲜艳（（3）易于生长出无生长纹的、光学均匀性好）易于生长出无生长纹的、光学均匀性好的晶体 因为晶体的生长发生在模具顶端因为晶体的生长发生在模具顶端的熔体薄膜上，处于恒定的温度状态，不的熔体薄膜上，处于恒定的温度状态，不受坩埚液面变化的影响，因此固液界面温受坩埚液面变化的影响，因此固液界面温度保持恒定，保证了晶体生长在稳定状态度保持恒定，保证了晶体生长在稳定状态下进行。

下进行生长宝石晶体的鉴别生长宝石晶体的鉴别1，存在固态包裹体，存在固态包裹体,通常不存在未熔化的通常不存在未熔化的粉料包裹体，但可能存在模具金属包裹粉料包裹体，但可能存在模具金属包裹体体2，存在籽晶，同提拉法一样存在籽晶，同提拉法一样3,   存在气态包裹体存在气态包裹体七七 合成变石猫眼的具体生长方法如合成变石猫眼的具体生长方法如下下:1. 1.原料：按化学配比称取高纯度的原料：按化学配比称取高纯度的原料：按化学配比称取高纯度的原料：按化学配比称取高纯度的AL2O3AL2O3、、、、BeOBeO原料和致色原料和致色原料和致色原料和致色元素元素元素元素Cr2O3 Cr2O3 、、、、V2O5V2O5，将粉料压成块状；在，将粉料压成块状；在，将粉料压成块状；在，将粉料压成块状；在1300℃1300℃下灼烧下灼烧下灼烧下灼烧1010小时，得到多晶质金绿宝石块料小时，得到多晶质金绿宝石块料小时，得到多晶质金绿宝石块料小时，得到多晶质金绿宝石块料2. 2.   加热：将制成的原料装入钼坩埚中，使用射频加热到加热：将制成的原料装入钼坩埚中，使用射频加热到加热：将制成的原料装入钼坩埚中，使用射频加热到加热：将制成的原料装入钼坩埚中，使用射频加热到1900℃1900℃以上至熔化。

以上至熔化以上至熔化以上至熔化3. 3.     生长（即提拉）速度生长（即提拉）速度生长（即提拉）速度生长（即提拉）速度：每小时为：每小时为15-20mm15-20mm4. 4.   在坩埚内垂直地安放钼制的毛细管模具熔体在毛细管作在坩埚内垂直地安放钼制的毛细管模具熔体在毛细管作在坩埚内垂直地安放钼制的毛细管模具熔体在毛细管作在坩埚内垂直地安放钼制的毛细管模具熔体在毛细管作用下涌升到模具顶端，并扩展布满端面形成熔体薄层将用下涌升到模具顶端，并扩展布满端面形成熔体薄层将用下涌升到模具顶端，并扩展布满端面形成熔体薄层将用下涌升到模具顶端，并扩展布满端面形成熔体薄层将坩埚上方的变石籽晶接触模具顶端熔体膜，待籽晶浸渍表坩埚上方的变石籽晶接触模具顶端熔体膜，待籽晶浸渍表坩埚上方的变石籽晶接触模具顶端熔体膜，待籽晶浸渍表坩埚上方的变石籽晶接触模具顶端熔体膜，待籽晶浸渍表面回熔后，逐渐提拉上引晶体生长是在氩气体中进行的，面回熔后，逐渐提拉上引晶体生长是在氩气体中进行的，面回熔后，逐渐提拉上引晶体生长是在氩气体中进行的，面回熔后，逐渐提拉上引晶体生长是在氩气体中进行的，保持生长所需要的惰性气体和压强环境。

保持生长所需要的惰性气体和压强环境保持生长所需要的惰性气体和压强环境保持生长所需要的惰性气体和压强环境5. 5.晶体生长停止后，在晶体生长停止后，在晶体生长停止后，在晶体生长停止后，在4 4小时内将炉温降至小时内将炉温降至小时内将炉温降至小时内将炉温降至500℃500℃，然后缓慢，然后缓慢，然后缓慢，然后缓慢冷却至室温即得到了模具顶部截面形状的变石猫眼宝石冷却至室温即得到了模具顶部截面形状的变石猫眼宝石冷却至室温即得到了模具顶部截面形状的变石猫眼宝石冷却至室温即得到了模具顶部截面形状的变石猫眼宝石晶体晶体在生长过程中气泡的产生原因：晶体在生长过程中气泡的产生原因：1由于生长速度过快引起的；由于生长速度过快引起的；2搅拌速度过快引起的界面不稳定；搅拌速度过快引起的界面不稳定；3由于组分过冷引起的界面形态变化导致的；由于组分过冷引起的界面形态变化导致的；4由于原材料在生长之初没有进行充分的化合由于原材料在生长之初没有进行充分的化合引起的；引起的；5盛放原料的坩埚在高温下释放气体引起的盛放原料的坩埚在高温下释放气体引起的。