Mchakato wa msingi waSiCUkuaji wa fuwele umegawanywa katika usablimishaji na utengano wa malighafi kwenye halijoto ya juu, usafirishaji wa dutu za awamu ya gesi chini ya hatua ya mteremko wa halijoto, na ukuaji wa uundaji upya wa dutu za awamu ya gesi kwenye fuwele ya mbegu. Kulingana na hili, sehemu ya ndani ya kitunguu imegawanywa katika sehemu tatu: eneo la malighafi, chumba cha ukuaji na fuwele ya mbegu. Mfano wa simulizi ya nambari ulichorwa kulingana na upinzani halisi.SiCvifaa vya ukuaji wa fuwele moja (tazama Mchoro 1). Katika hesabu: chini yamsalabaIko umbali wa milimita 90 kutoka chini ya hita ya pembeni, halijoto ya juu ya kifaa cha kuchomea ni 2100 ℃, kipenyo cha chembe ya malighafi ni 1000 μm, unyeyushaji ni 0.6, shinikizo la ukuaji ni 300 Pa, na muda wa ukuaji ni saa 100. Unene wa PG ni milimita 5, kipenyo ni sawa na kipenyo cha ndani cha kifaa cha kuchomea, na iko milimita 30 juu ya malighafi. Michakato ya usablimishaji, uwekaji kaboni, na urejeshaji wa ukanda wa malighafi huzingatiwa katika hesabu, na mmenyuko kati ya vitu vya PG na awamu ya gesi hauzingatiwi. Vigezo vya sifa halisi vinavyohusiana na hesabu vinaonyeshwa katika Jedwali 1.
Mchoro 1 Mfano wa hesabu ya simulizi. (a) Mfano wa uwanja wa joto kwa simulizi ya ukuaji wa fuwele; (b) Mgawanyiko wa eneo la ndani la shida za kimwili na zinazohusiana
Jedwali 1 Baadhi ya vigezo vya kimwili vilivyotumika katika hesabu
Mchoro 2(a) unaonyesha kwamba halijoto ya muundo ulio na PG (iliyoonyeshwa kama muundo 1) ni kubwa kuliko ile ya muundo usio na PG (iliyoonyeshwa kama muundo 0) chini ya PG, na chini kuliko ile ya muundo 0 juu ya PG. Kiwango cha jumla cha joto huongezeka, na PG hufanya kazi kama wakala wa kuhami joto. Kulingana na Mchoro 2(b) na 2(c), kiwango cha joto cha mhimili na radial cha muundo 1 katika eneo la malighafi ni kidogo, usambazaji wa halijoto ni sawa zaidi, na usablimishaji wa nyenzo ni kamili zaidi. Tofauti na eneo la malighafi, Mchoro 2(c) unaonyesha kwamba kiwango cha joto cha radial kwenye fuwele ya mbegu ya muundo 1 ni kikubwa zaidi, ambacho kinaweza kusababishwa na uwiano tofauti wa njia tofauti za uhamishaji joto, ambazo husaidia fuwele kukua na kiolesura cha mbonyeo. Katika Mchoro 2(d), halijoto katika nafasi tofauti kwenye kinu cha kuchomea moto inaonyesha mwelekeo unaoongezeka kadri ukuaji unavyoendelea, lakini tofauti ya halijoto kati ya muundo 0 na muundo 1 hupungua polepole katika eneo la malighafi na huongezeka polepole katika chumba cha ukuaji.
Mchoro 2 Usambazaji wa halijoto na mabadiliko katika chombo cha kusulubu. (a) Usambazaji wa halijoto ndani ya chombo cha kusulubu cha muundo 0 (kushoto) na muundo 1 (kulia) kwa saa 0, kitengo: ℃; (b) Usambazaji wa halijoto kwenye mstari wa katikati wa chombo cha kusulubu cha muundo 0 na muundo 1 kutoka chini ya malighafi hadi fuwele ya mbegu kwa saa 0; (c) Usambazaji wa halijoto kutoka katikati hadi ukingo wa chombo cha kusulubu kwenye uso wa fuwele ya mbegu (A) na uso wa malighafi (B), katikati (C) na chini (D) kwa saa 0, mhimili mlalo r ni radius ya fuwele ya mbegu kwa A, na radius ya eneo la malighafi kwa B~D; (d) Mabadiliko ya halijoto katikati ya sehemu ya juu (A), uso wa malighafi (B) na katikati (C) ya chumba cha ukuaji cha muundo 0 na muundo 1 kwa saa 0, 30, 60, na 100.
Mchoro 3 unaonyesha usafiri wa nyenzo kwa nyakati tofauti katika kizibo cha muundo 0 na muundo 1. Kiwango cha mtiririko wa nyenzo za awamu ya gesi katika eneo la malighafi na chumba cha ukuaji huongezeka kadri nafasi inavyoongezeka, na usafiri wa nyenzo hudhoofika kadri ukuaji unavyoendelea. Mchoro 3 pia unaonyesha kwamba chini ya hali ya simulizi, malighafi huchorwa kwanza kwenye ukuta wa kando wa kizibo cha msalaba na kisha chini ya kizibo cha msalaba. Kwa kuongezea, kuna urejeshaji wa fuwele kwenye uso wa malighafi na huongezeka polepole kadri ukuaji unavyoendelea. Mchoro 4(a) na 4(b) zinaonyesha kuwa kiwango cha mtiririko wa nyenzo ndani ya malighafi hupungua kadri ukuaji unavyoendelea, na kiwango cha mtiririko wa nyenzo kwa saa 100 ni takriban 50% ya wakati wa awali; hata hivyo, kiwango cha mtiririko ni kikubwa kiasi pembeni kutokana na uchorwaji wa nyenzo, na kiwango cha mtiririko pembeni ni zaidi ya mara 10 ya kiwango cha mtiririko katika eneo la kati kwa saa 100; Kwa kuongezea, athari ya PG katika muundo 1 hufanya kiwango cha mtiririko wa nyenzo katika eneo la malighafi la muundo 1 kuwa chini kuliko ile ya muundo 0. Katika Mchoro 4(c), mtiririko wa nyenzo katika eneo la malighafi na chumba cha ukuaji hudhoofika polepole kadri ukuaji unavyoendelea, na mtiririko wa nyenzo katika eneo la malighafi unaendelea kupungua, ambayo husababishwa na ufunguzi wa njia ya mtiririko wa hewa kwenye ukingo wa chombo cha kusulubiwa na kizuizi cha uundaji upya juu; katika chumba cha ukuaji, kiwango cha mtiririko wa nyenzo cha muundo 0 hupungua kwa kasi katika saa 30 za awali hadi 16%, na hupungua kwa 3% tu katika muda unaofuata, huku muundo 1 ukibaki thabiti katika mchakato mzima wa ukuaji. Kwa hivyo, PG husaidia kuleta utulivu wa kiwango cha mtiririko wa nyenzo katika chumba cha ukuaji. Mchoro 4(d) unalinganisha kiwango cha mtiririko wa nyenzo mbele ya ukuaji wa fuwele. Katika hatua ya awali na saa 100, usafirishaji wa nyenzo katika eneo la ukuaji wa muundo 0 ni mkubwa kuliko ule ulio katika muundo 1, lakini daima kuna eneo la kiwango cha juu cha mtiririko kwenye ukingo wa muundo 0, ambalo husababisha ukuaji mkubwa kwenye ukingo. Uwepo wa PG katika muundo 1 hukandamiza vyema jambo hili.
Mchoro 3 Mtiririko wa nyenzo kwenye chombo cha kusulubishia. Mistari (kushoto) na vekta za kasi (kulia) za usafirishaji wa nyenzo za gesi katika miundo 0 na 1 kwa nyakati tofauti, kitengo cha vekta ya kasi: m/s
Mchoro 4 Mabadiliko katika kiwango cha mtiririko wa nyenzo. (a) Mabadiliko katika usambazaji wa kiwango cha mtiririko wa nyenzo katikati ya malighafi ya muundo 0 kwa saa 0, 30, 60, na 100, r ni radius ya eneo la malighafi; (b) Mabadiliko katika usambazaji wa kiwango cha mtiririko wa nyenzo katikati ya malighafi ya muundo 1 kwa saa 0, 30, 60, na 100, r ni radius ya eneo la malighafi; (c) Mabadiliko katika kiwango cha mtiririko wa nyenzo ndani ya chumba cha ukuaji (A, B) na ndani ya malighafi (C, D) ya miundo 0 na 1 baada ya muda; (d) Usambazaji wa kiwango cha mtiririko wa nyenzo karibu na uso wa fuwele ya mbegu ya miundo 0 na 1 kwa saa 0 na 100, r ni radius ya fuwele ya mbegu
C/Si huathiri utulivu wa fuwele na msongamano wa kasoro wa ukuaji wa fuwele za SiC. Mchoro 5(a) unalinganisha usambazaji wa uwiano wa C/Si wa miundo miwili wakati wa awali. Uwiano wa C/Si hupungua polepole kutoka chini hadi juu ya kitu cha kusulubiwa, na uwiano wa C/Si wa muundo 1 huwa juu kila wakati kuliko ule wa muundo 0 katika nafasi tofauti. Mchoro 5(b) na 5(c) zinaonyesha kuwa uwiano wa C/Si huongezeka polepole kadri ukuaji unavyoongezeka, jambo ambalo linahusiana na ongezeko la halijoto ya ndani katika hatua ya baadaye ya ukuaji, uboreshaji wa grafiti ya malighafi, na mmenyuko wa vipengele vya Si katika awamu ya gesi na kitu cha kusulubiwa cha grafiti. Katika Mchoro 5(d), uwiano wa C/Si wa muundo 0 na muundo 1 ni tofauti kabisa chini ya PG (0, 25 mm), lakini tofauti kidogo juu ya PG (50 mm), na tofauti huongezeka polepole inapokaribia fuwele. Kwa ujumla, uwiano wa C/Si wa muundo 1 ni wa juu zaidi, ambao husaidia kutuliza umbo la fuwele na kupunguza uwezekano wa mpito wa awamu.
Mchoro 5 Usambazaji na mabadiliko ya uwiano wa C/Si. (a) Usambazaji wa uwiano wa C/Si katika vinu vya kuchomea vya muundo 0 (kushoto) na muundo 1 (kulia) kwa saa 0; (b) Uwiano wa C/Si katika umbali tofauti kutoka mstari wa katikati wa kinu cha kuchomea cha muundo 0 kwa nyakati tofauti (saa 0, 30, 60, 100); (c) Uwiano wa C/Si katika umbali tofauti kutoka mstari wa katikati wa kinu cha kuchomea cha muundo 1 kwa nyakati tofauti (saa 0, 30, 60, 100); (d) Ulinganisho wa uwiano wa C/Si katika umbali tofauti (0, 25, 50, 75, 100 mm) kutoka mstari wa katikati wa kinu cha kuchomea cha muundo 0 (mstari imara) na muundo 1 (mstari uliopigwa) kwa nyakati tofauti (saa 0, 30, 60, 100).
Mchoro 6 unaonyesha mabadiliko katika kipenyo cha chembe na unyege wa maeneo ya malighafi ya miundo hiyo miwili. Mchoro unaonyesha kwamba kipenyo cha malighafi hupungua na unyege huongezeka karibu na ukuta wa kusulubiwa, na unyege wa ukingo unaendelea kuongezeka na kipenyo cha chembe kinaendelea kupungua kadri ukuaji unavyoendelea. Unyege wa ukingo wa juu ni kama 0.99 kwa saa 100, na kipenyo cha chini cha chembe ni kama 300 μm. Kipenyo cha chembe huongezeka na unyege hupungua kwenye uso wa juu wa malighafi, sambamba na unyege. Unene wa eneo la unyege huongezeka kadri ukuaji unavyoendelea, na ukubwa wa chembe na unyege huendelea kubadilika. Kipenyo cha juu cha chembe hufikia zaidi ya 1500 μm, na unyege wa chini ni 0.13. Kwa kuongezea, kwa kuwa PG huongeza halijoto ya eneo la malighafi na uenezaji wa gesi ni mdogo, unene wa unyege wa sehemu ya juu ya malighafi ya muundo 1 ni mdogo, ambayo inaboresha kiwango cha matumizi ya malighafi.
Mchoro 6 Mabadiliko katika kipenyo cha chembe (kushoto) na unyeyushaji (kulia) wa eneo la malighafi ya muundo 0 na muundo 1 kwa nyakati tofauti, kitengo cha kipenyo cha chembe: μm
Mchoro 7 unaonyesha kwamba muundo 0 hupinda mwanzoni mwa ukuaji, ambao unaweza kuhusishwa na kiwango kikubwa cha mtiririko wa nyenzo kinachosababishwa na grafiti ya ukingo wa malighafi. Kiwango cha kupinda hudhoofika wakati wa mchakato unaofuata wa ukuaji, ambao unalingana na mabadiliko ya kiwango cha mtiririko wa nyenzo mbele ya ukuaji wa fuwele wa muundo 0 katika Mchoro 4 (d). Katika muundo 1, kutokana na athari ya PG, kiolesura cha fuwele hakionyeshi kupinda. Kwa kuongezea, PG pia hufanya kiwango cha ukuaji wa muundo 1 kuwa chini sana kuliko kile cha muundo 0. Unene wa katikati wa fuwele ya muundo 1 baada ya saa 100 ni 68% tu ya ile ya muundo 0.
Mchoro 7 Mabadiliko ya kiolesura cha muundo 0 na muundo 1 fuwele katika saa 30, 60, na 100
Ukuaji wa fuwele ulifanyika chini ya hali ya mchakato wa simulizi ya nambari. Fuwele zilizokuzwa kwa muundo 0 na muundo 1 zinaonyeshwa katika Mchoro 8(a) na Mchoro 8(b), mtawalia. Fuwele ya muundo 0 inaonyesha kiolesura cha mkunjo, chenye miinuko katika eneo la kati na mpito wa awamu ukingoni. Mkunjo wa uso unawakilisha kiwango fulani cha kutolingana katika usafirishaji wa vifaa vya awamu ya gesi, na kutokea kwa mpito wa awamu kunalingana na uwiano wa chini wa C/Si. Kiolesura cha fuwele kilichokuzwa kwa muundo 1 kina mkunjo kidogo, hakuna mpito wa awamu unaopatikana, na unene ni 65% ya fuwele bila PG. Kwa ujumla, matokeo ya ukuaji wa fuwele yanalingana na matokeo ya simulizi, huku tofauti kubwa ya joto la radial kwenye kiolesura cha fuwele cha muundo 1, ukuaji wa haraka ukingoni unakandamizwa, na kiwango cha mtiririko wa nyenzo kwa ujumla ni polepole. Mwelekeo wa jumla unaendana na matokeo ya simulizi ya nambari.
Mchoro 8 Fuwele za SiC zilizopandwa chini ya muundo 0 na muundo 1
Hitimisho
PG inachangia uboreshaji wa halijoto ya jumla ya eneo la malighafi na uboreshaji wa usawa wa halijoto ya mhimili na radial, na kukuza usablimishaji kamili na matumizi ya malighafi; tofauti ya halijoto ya juu na chini huongezeka, na mteremko wa radial wa uso wa fuwele ya mbegu huongezeka, ambayo husaidia kudumisha ukuaji wa kiolesura cha mbonyeo. Kwa upande wa uhamishaji wa wingi, kuanzishwa kwa PG hupunguza kiwango cha jumla cha uhamishaji wa wingi, kiwango cha mtiririko wa nyenzo katika chumba cha ukuaji chenye PG hubadilika kidogo baada ya muda, na mchakato mzima wa ukuaji ni thabiti zaidi. Wakati huo huo, PG pia huzuia kwa ufanisi kutokea kwa uhamishaji mwingi wa wingi wa ukingo. Kwa kuongezea, PG pia huongeza uwiano wa C/Si wa mazingira ya ukuaji, haswa kwenye ukingo wa mbele wa kiolesura cha fuwele ya mbegu, ambayo husaidia kupunguza kutokea kwa mabadiliko ya awamu wakati wa mchakato wa ukuaji. Wakati huo huo, athari ya insulation ya joto ya PG hupunguza kutokea kwa urejeshaji katika sehemu ya juu ya malighafi kwa kiwango fulani. Kwa ukuaji wa fuwele, PG hupunguza kasi ya ukuaji wa fuwele, lakini kiolesura cha ukuaji ni mbonyeo zaidi. Kwa hivyo, PG ni njia bora ya kuboresha mazingira ya ukuaji wa fuwele za SiC na kuboresha ubora wa fuwele.
Muda wa chapisho: Juni-18-2024