저자 소개: 영건, 중보협 인공제품전문위원회 제 3 회 위원, 상하이 신만센서 기술개발유한공사 부서장.

당원분, 중보협 인공제품전문위원회 제 2 회, 제 3 회 위원, 중과원 상해실리콘산염연구소 청화회사 수석 엔지니어.

인조제품 수정은 독특한 영롱함, 현란한 특성과 좋은 물리적, 화학적, 광학적 특성으로 중요한 감상가치와 소장가치를 가지고 있으며, 많은 중요한 산업적 용도를 가지고 있으며, 보석업계와 기능성 크리스털 소재에 광범위하게 적용된다. 불완전한 통계에 따르면 세계에서 성공적으로 연구되고 대량 생산에 투입된 합성 보석은 30 여 가지가 있는데, 그중에서도 특히 중요한 것은 10 여종이다. 우리의 일반적인 합성 보석은 합성 사파이어, 루비, 큐빅 지르코니아, 에메랄드, 크리스탈, 스피넬, 루틸, 골드 그린 고양이 눈, 다이아 등입니다. 무색 사파이어는 고온 고압기, 내마모장치, 특수창구, 적외선 유도, 미사일 페어링 등 첨단 기술 분야에 광범위하게 적용된다. 현재 블루, 바이올렛, 백광 다이오드 (LED) 및 블루레이 레이저 (LD) 업계에서 선호하는 기판으로 반도체 블루레이 발광 다이오드를 만드는 데 중요한 소재입니다. 모바일 전원 공급 장치의 에너지 절약 램프에 광범위하게 적용되어 현재 전체 국제 시장 수요가 매우 크다. 이 보석 결정체들은 대부분 융점이 매우 높다. 커런덤 시리즈 보석, 스피넬, 큐빅 지르코니아의 융점은 각각 2050 C, 2100 C, 2700 C 입니다. 구체적인 설명을 용이하게 하기 위해서, 이 글은 강옥보석 결정체의 성장을 예로 들어 토론한다.

용융점이 2000 C 에 달하는 결정체의 성장을 만족시키기 위해서는 가열 방식과 재료 모두 큰 어려움이 있다.

1) 가열 방법, 주로 2000 C 이상에 도달할 수 있는 세 가지 가열 방법이 있습니다.

수산화 불꽃: 비교적 간단한 가열 방법이지만 온도 구배는 제어하기 어렵다.

유도 가열: 플루토늄 재질 또는 결정질 원료는 전도성이어야 합니다. 그렇지 않으면 가열할 수 없습니다.

흑연/몰리브덴을 가열 재료의 저항으로 가열하다.

2) 도가니 재료: 주로 흑연, 몰리브덴, 이리듐 등. 이러한 재료는 진공 또는 보호 분위기 하에서 사용해야 하며, 장비에 대한 요구 사항이 크게 높아졌으며, 이러한 재료의 사용 비용도 높습니다. 도가니 재료의 문제를 해결하기 위해 사람들은 도가니가 없고 원료 자체를 도가니로 활용하는 기술을 개발했다.

다음은 서로 다른 가열 방법과 플루토늄 선택을 결합하여 테이블 1 과 같이 거의 다른 보석 결정체 성장 방식을 얻을 수 있습니다.

표 1 서로 다른 가열 방법과 텅스텐의 조합은 서로 다른 결정체 성장 방식을 형성한다.

표 1 기본적으로 용융액이 보석결정체를 자라게 하는 주요 방법을 요약해 커런덤 시리즈 보석의 성장에 기본적으로 사용할 수 있다. 그 중 화염 용해법은 보석결정체의 가장 일반적인 방법이다. 수소와 산소화염을 이용하여 가열하는 것이 비교적 간단하고, 전체 결정체 성장 설비도 비교적 간단하며, 동시에 성장 효율이 높고, 비용이 상대적으로 낮아 공업생산에 매우 적합하기 때문이다. 그러나 이 방법은 온도 증도가 크고, 결정체 응력이 크며, 어닐링 온도가 높고, 분말에 대한 요구가 엄격하다는 단점이 있다. 수정의 저질은 장식의 목적 외의 응용을 제한한다.

냉도법은 주로 큐빅 지르코니아를 성장시키는 데 사용된다. 먼저 원료 ZrO _ 2 에 묻힌 금속 지르코늄 열을 유발하고, 금속 지르코늄 주위의 ZrO _ 2 는 1, 200 C 이상으로 가열되며, ZrO _ 2 가 1, 200 C 이상의 전도성으로 인해 유발된다 원료 주위의 냉각 장치를 제어함으로써 원료의 표면층이 녹지 않고 녹지 않은 고체 셸이 도가니로 형성되며 ZrO _ 2 용융물의 용융 부분은 바닥이 떨어지는 동안 결정화됩니다.

영역 융해법은 결정체 재질을 소결하거나 눌러 막대기로 만든 다음, 고정한 막대기를 보온관에 넣고, 떨어뜨리거나 히터를 움직여 녹이게 하고, 용융 영역은 둥둥 떠다니며, 표면 장력으로만 지지함으로써 순수하거나 재결정된 결정체를 얻는다.

이러한 방법은 도가니가 필요하지 않거나 스스로 사용할 필요가 없어 성장 설비를 크게 단순화하지만, 결정체의 품질을 제한하고, 기능 개발에 불리하며, 대형 결정체를 얻기도 어렵고, 대형 방면의 응용을 만족시킬 수 없다는 특징이 있다.

라이닝이나 창구급 강옥결정체를 얻으려면 직선법, 도형법, 하강법, 거품생법과 같은 다른 방법을 사용해야 한다. 이러한 첨단 기술과 어려운 공예로 인해 현재 세계 공업 생산의 규모와 능력은 모두 시장 수요를 충족시킬 수 없다. 현재 러시아 일본 미국 등에서만 베이스보드 품질과 크기가 2 인치 1 인치 = 25.4mm 이상인 것으로 알려졌다.

필요한 결정체의 공업 생산. 이러한 방법은 인덕턴스 또는 저항 (흑연) 가열, 몰리브덴을 도가니로 사용하여 결정 성장에 필요한 온도 필드를 더 잘 제어할 수 있습니다. 단점은 흑연과 몰리브덴이 진공 또는 불활성 가스 보호 하에서 작동해야 하기 때문에 결정체 성장 장비에 대한 요구가 높고 생산 비용이 높지만, 안감급 강옥에 대한 비용은 여전히 가능하다는 것이다.

현재 국내에서 이런 방법으로 안감/창강옥 결정체를 성장시키는 연구는 주로 다음과 같다.

상해광기가 개척한' 방향 온도 증도법' 은 2 ~ 4 인치의 고품질 사파이어 결정체를 성장시켜 국제적으로 공인된 사파이어 결정체 성장 기술의 난점을 돌파하여 대형 사파이어 결정체 산업화를 위한 좋은 토대를 마련했다.

1993 년 상하이 광기소에서 무색 사파이어, 직경 120mm, 무게 3kg 가 성공적으로 성장했다.

윈난옥계 블루크리스탈 기술유한공사는 자주혁신을 통해 자주지적재산권을 지닌 감응 가열이 하강하여 큰 직경의 고품질 사파이어 단결정기판 기술을 개발하는 데 성공했다.

2000 년 베이징 인공결정체연구소는 직경 80mm, 두께 90mm 의 창급 무색 사파이어가 성공적으로 성장했다.

위에서 볼 수 있듯이 강옥보석 결정체의 일반적인 성장법에는 하강법이 도입되지는 않았지만 실제로는 유익한 보석 성장 방법이어야 한다. 그라데이션 난로 방법 또는 Bridgeman-Stockbarger 방법이라고도 하는 소위 하강법은 용융물에서 결정체를 성장시키는 일반적인 방법입니다. 일반적으로 용융물이 있는 텅스텐은 결정로에서 천천히 하강하며, 더 큰 온도 그라데이션을 통과할 때 용융물은 아래에서 위로 결정화되어 전체 결정체가 됩니다. 결정체로의 전형적인 구조도는 그림 1 에 나와 있습니다. 이 과정은 결정로를 따라 올라가거나, 텅스텐과 결정로를 움직이지 않고, 결정로를 천천히 냉각시켜 완성할 수도 있다. 따라서 온도 구배 법의 본질은 도가니 강하 방법이다.

그림 1 도가니 하강 결정로 구조 다이어그램

화염 제련법과 당김법에 비해 하강법은 다음과 같은 장점을 가지고 있다.

1) 온도 필드를 쉽게 미세 조정할 수 있습니다. 다단 난방을 설정하고 인슐레이션을 변경하고 필요에 따라 열전도도를 조정하여 필요한 온도 필드를 쉽게 얻을 수 있으므로 결정체의 품질을 높이는 데 매우 중요합니다.

2) 대형 결정의 성장은 매우 편리합니다. 이런 방법으로 자란 결정체의 지름과 높이는 수백 밀리미터에 달할 수 있다.

3) 한 난로에서 동시에 여러 개의 결정체를 성장시킬 수 있으며, 공예 조건은 파악하기 쉽고, 프로그래밍과 자동화가 쉽다.

그러나 단점도 있어 직접 관찰하기 어렵고 진공이나 불활성 가스 보호 장비가 필요하다.

커런덤 결정은 도가니 강하 법에 의해 자랄 수 있습니다. 텅스텐이나 텅스텐을 텅스텐으로 사용할 수 있으며, 고주파 감지 가열 또는 흑연 저항을 사용하여 가열할 수 있습니다. 산화 알루미늄 원료를 결정종이 들어 있는 텅스텐에 넣고 난로에 넣어 자라다. 난로를 진공으로 뽑거나 보호가스에 충전한 다음 가열하여 녹고, 일정한 온도를 몇 시간 동안 유지한 후, 도가니는 온도 그라데이션이 20 ~ 40 C/CM 인 결정도를 통해 천천히 0.5 ~ 5 mm/h 의 결정도를 통과하면 필요한 강옥결정체를 얻을 수 있다.

도가니 하강법이 보석 결정체의 성장에 더 잘 적응할 수 있도록 일반 도가니 하강법에 기초하여 신기술을 발전시킬 필요가 있다. 가능한 발전 방향은 다음과 같다.

1) 다중 도가니 기술: 도가니 하강법은 한 난로에서 여러 개의 도가니를 성장시킬 수 있으며, 생산량과 완제품률을 높이는 데 있어서 생산비용을 낮추는 것은 매우 중요하며, 직선법보다 절대적인 우세를 가지고 있다. 도가니가 온도 필드의 균일성과 대칭성을 현저하게 파괴해 성장난이도를 크게 높였기 때문에, 도가니하강로를 합리적으로 설계해야 한다. 다중 기술의 합리적인 사용으로 생산 비용이 화염 제련법보다 낮다고 할 수 있다.

(2) 보조용제 하강법: 보조용제법은 성장온도가 높고 난이도가 높은 산화물 결정체에 특히 적합하다. 보석결정체는 바로 이런 결정체다. 그러나 용제법은 온도 구배가 작고 결정체 크기가 작다는 등 큰 한계가 있다. 하강법은 용제법의 이러한 한계를 극복할 수 있다. 이 두 가지 방법을 결합할 수 있다면 보석 결정체의 성장에 큰 도움이 될 것이다. 예를 들어 PbF2-PbO 를 용제로 사용하면1350 C 에서 무색의 저밀도 사파이어 결정체를 얻을 수 있지만 크기가 작고 비용이 많이 들어 대량 생산이 어렵다. 만약 하강법을 결합할 수 있다면 개선될 수 있다.

3) 강제 대류 도입: 강제 대류를 도입하면 용융물의 전도와 열 전달을 크게 가속화하여 결정체의 품질을 높일 수 있습니다. 특히 보석 결정체의 경우 용융 온도가 높고 점도가 높기 때문에 효과가 특히 두드러집니다. 가속 회전 기술이나 교반 기술을 통해 강제 대류를 도입할 수 있다. 예를 들어, 윈난옥계 블루크리스탈 기술유한공사는 자주지적재산권을 가진 감응 가열 하강법을 개발해 단결정의 성장 기술을 휘젓는 데 성공했다. 이 기술을 이용하여 처음으로 성장 직경이 2 인치, 3 인치, 4 인치, 기포, 결정계 등 결정체 결함이 있는 고품질 사파이어 결정체봉의 파일럿 생산을 완료했다. 직경 2.4 인치 사파이어 단결정 기판 654.38+0.5 만 조각의 연간 생산 능력을 실현하였다. 이 기술은 기존의 낙하식 단결정 성장 기술에 비해 성장 과정이 안정적이고 생산 비용이 낮으며 생산률이 높은 (최대 90%) 등의 장점을 가지고 있으며, 기술은 국내 선진 수준에 도달했다.

요약하면, 도가니 하강 방법은 일반적으로 사용되는 결정화 방법으로, 더 많은 실험적 연구를 통해 보석 결정의 성장에 큰 역할을 할 수 있어야합니다.

참고

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