Меню Рубрики

Установки для выращивания искусственных сапфиров

Выращивание сапфиров методом Степанова

Выращивание сапфиров методом Степанова.

Выращивание сапфиров методом Степанова позволяет выращивать монокристаллы сапфира любой желаемой формы поперечного сечения и профиля (трубки, нити, пластины, тонкие ленты и пр.)

Описание:

Выращивание сапфиров методом Степанова основано на использовании различных эффектов (сил поверхностного натяжения, тяжести, электромагнитного взаимодействия, гидродинамических явлений и т.п.), формирующих мениск расплава в процессе вытягивания кристалла .

А.В. Степанов исходил из того, что жидкость (расплав) может принимать определенную форму не только с помощью стенок сосуда, но и вне сосуда, в свободном состоянии. Форма или элемент формы, которую желательно получить, создается в жидком состоянии за счет различных эффектов , позволяющих жидкости сохранить форму. Сформированный так объем жидкости переводится в твердое состояние в результате подбора определенных условий кристаллизации.

А. В. Степанов предложил, например, формировать мениск при помощи специальных формообразователей (фильер), помещаемых в расплав так, чтобы мениск расплава приподнимался над щелью в поплавке, лежащем на поверхности расплава в тигле и изготовленном из материала , смачиваемого расплавом.

Формообразующее устройство (фильера) в данном случае представляет собой довольно сложный комплекс элементов. Оно позволяет управлять формой, геометрией, тепловым состоянием столба расплава и вытягиваемого кристалла, а также распределением примеси в кристалле. Твердый формообразователь (фильера) характеризуется физическими свойствами материала , из которого он изготовлен (его смачиваемостью, плотностью, теплопроводностью, теплоемкостью), а также конфигурацией (формой отверстия или щели, глубиной отверстия, формой отверстия по глубине), которая задает и определяет сечение кристалла (мениска).

Преимущества метода Степанова:

– возможность контроля, как профиля, так и ориентации кристалла непосредственно в процессе его роста,

выращивание сапфиров в виде кристаллов любой желаемой формы поперечного сечения ( трубки , нити , пластины, тонкие ленты и пр.),

– получение заранее заданных изделий различного профиля и сложных форм, которые кристаллизируются непосредственно из расплава,

минимизация механической обработки готовых изделий. Она либо минимальна либо не требуется вообще,

– устойчивость процесса роста кристалла к механическим воздействиям и температурным флуктуациям, которые приводят лишь к перемещению фронта кристаллизации по высоте столбика расплава, не нарушая форму поперечного сечения кристалла,

возможность выращивания на затравки с различной кристаллографической ориентацией,

– условия роста, способствующие хорошему отводу теплоты кристаллизации, обеспечивают высокую скорость кристаллизации кристалла,

метод хорошо применим для выращивания профильных монокристаллов различных веществ (сапфира, танталата бария и магния, фторида лития, сплава медь-золото, а также различных эвтектических материалов с анизотропными свойствами).

Оборудование для выращивания сапфиров по методу Степанова:

Оборудование для выращивания сапфиров по методу Степанова представлено установкой выращивания профильных монокристаллов сапфира «СПЕКТР-ДМ2».

Технические характеристики установки «СПЕКТР-ДМ2»:

Характеристики: Значение:
Способ нагрева резистивный
Питание нагревателя выпрямленным током
Внутренние размеры камеры, мм
– диаметр 560
– высота 1250
Управление тепловым режимом путем регулирования мощности на нагревателе. Отклонение мощности от установившегося значения в режиме стабилизации, % ± 0,2
Максимальная температура в рабочем пространстве, ºС 2100
Рабочий ход штока, мм, не менее 600
Рабочая среда в камере:
– вакуум, Па (мм рт.ст.), до 6,65 (5·10 -2 )
– инертная – аргон при избыточном давлении до, кПа (кгс/см 2 ) 29,4 (0,3)
Наличие системы теленаблюдения с кратностью увеличения в пределах 5…10
Электропитание установки осуществляется от системы питания электроэнергией TN-S: трехфазная пятипроводная (с нулевым защитным PE и нулевым рабочим N проводами) сеть
переменного тока с глухозаземленной нейтралью напряжением (400 ± 24) В, частотой (50 ± 0,5) Гц.
Максимальная потребляемая мощность, кВА 65
Расход охлаждающей воды с температурой 20 ± 5 ºС и давлением 3 кгс/см 2 ,
необходимой для охлаждения установки, м 3 /ч, не более
5,0
Занимаемая площадь, с учетом зоны обслуживания, м 2 12
Масса, кг, не более 2700

Примечание: описание технологии на примере установки «СПЕКТР-ДМ2».

выращивание кристаллов сапфира
оборудование для выращивания сапфиров цена
метод выращивания монокристаллов сапфира
выращивание сапфиров методом Степанова в России кристаллов домашних условиях 342

Читайте также:  Установка пожарного гидранта в колодце чертежи

источник

Выращивание сапфиров

В настоящее время существует возможность получать драгоценные камни, которые в естественных условиях образуются не одну тысячу лет, меньше чем за полмесяца. Это действительно впечатляет! Синтетические камни находят своё применение в научных и промышленных целях. Детали из сапфиров отличаются высокой прочностью и прозрачностью. Из них в основном делают инструменты, линзы и стекла.

Благодаря искусственному синтезированию сапфиров, в лабораторных условиях можно менять условия роста кристаллов, придавая камням нужные характеристики. Например, можно синтезировать полностью прозрачный кристалл, который также называют лейкосапфиром.

История получения искусственных сапфиров начинается с 1904 года, когда французский химик О. Верней придал огласке метод получения кристаллов с помощью вертикальной горелки, глинозёма и прямого потока воздуха.

Значительный вклад в дальнейшее развитие методов получения искусственных самоцветов внесли советские учёные Института кристаллографии. Получение синтетическиих камней с эффектом астеризма стало возможным лишь к середине XX века.

Способы

Сапфиры в большинстве получают тремя способами: методами Вернейля, Чохральского либо методом зонной плавки. Рассмотрим подробнее каждый из перечисленных методов.

Метод Вернейля

Как вы могли, наверное, заметить в названии метода фамилия «Вернейль» звучит очень похоже на «Верней». Огюст Верней – тот самый химик, который впервые обнародовал способ получения искусственных сапфиров. Именно в честь французского учёного и назван данный метод. Фамилия в методе немного изменена, но название закрепилось исторически, и с этим ничего не поделать.

Аппарат Вернейля или Аппарат Вернейля включает в себя вертикальную кислородную горелку, дозатор порошкообразного оксида алюминия и основание (чаще всего керамическое). Порошок глинозёма под воздействием специального вибратора перемешивается в струе кислорода. Под воздействием температуры он плавится, и капли расплавленного оксида алюминия собираются в основании печи (на штифте).

Со временем порошок твердеет, но он еще мягок и хрупок. Массу из расплавившегося порошка перемещают в горелку, его верхушка со временем расплавляется. В итоге получается некоторое количество кристаллов сапфира, один из которых будет ориентирован в сторону максимального роста.

Этот кристалл будет ингибировать прирост остальных и послужит началом для роста конечного кристалла (кристалла Були). По мере наращивания кристаллической массы ускоряют высыпание глинозёма и скорость выхода струи кислорода (чем больше кислорода, тем больше температура). Верхушка растущего кристалла будет округлой, так как капли расплавленного глинозёма будут стекать с неё, падая сверху. Основание печи можно опускать по мере увеличения самоцвета.

Метод Чорхальского

Метод также называют методом вытягивания из расплава. Технология получения кристалла сапфира данным методом основана на том, что расплавленный оксид алюминия помещают в большую термоустойчивую ёмкость из тугоплавких металлов. Например, молибдена или родия. Затем расплав нагревают с помощью высокочастотного индуктора больше температуры плавления, и опускают в него затравочный кристалл. Для равномерного роста кристалла затравку медленно поднимают вверх и вращают. Кристалл наращивается вниз вокруг затравки и вытягивается в монолитный цилиндр.

Метод зонной плавки

В настоящее время метод зонной плавки становится всё популярнее. Этому методу посвящено множество научных статей. Существует две разновидности метода: горизонтально направленный и вертикально направленный. Метод определяет наличие нагревателя, который перемещается вдоль субстрата (горизонтально или вертикально), благодаря чему нагревается зона, где и будет происходить прирост кристалла.

Несущественным, но всё же недостатком метода является то, что в силу резкого изменения температур при извлечении кристалла, он часто трескается на две части. Однако этот факт нисколько не мешает ювелирным мастерам.

Технология получения звездчатых сапфиров

В 1949 году американская компания «Линде» под руководством компании «Union Carbide» запатентовала метод получения сапфиров с эффектом астеризма. Суть метода заключается в добавлении в порошок оксида алюминия небольшого количества рутила (от 0,1% до 0,3%). Сложность метода заключается в том, что рутил без специальной технологии распределяется в структуре кристалла неравномерно. Без равномерного распределения рутила звезда на сапфире не будет занимать всей поверхности камня, что существенно снизит его ценность.

Читайте также:  Установка iso образов на mac

Чтобы добиться равномерного распределения микрокристаллов рутила в периферии минерала, был предложен метод перемешивания путём периодического изменения температуры. Этого можно добиться, если неравномерно подавать кислород. Таким образом можно наслаивать слои рутила в растущем кристалле. Практика показала, что наиболее ценные экземпляры получаются, если слои чередуются с периодичностью в 1 мм.

Технология выращивания звездчатых кристаллов является ярким примером того, как можно изменять конечный облик синтезированного кристалла через контроль условий его получения.

источник

В Рыбинске увеличат производство объемных монокристаллов и подложек для сверхярких светодиодов

Этот сапфир не может похвастаться своей необыкновенной огранкой. Он не сверкает загадочным синим цветом и не украшает золотые серьги и кулоны. Это – 30-килограммовый искусственный кристалл, выращенный в специальных установках Рыбинского завода приборостроения.

— Сегодня выращиванием сапфиров занимается ООО «Рыбинские кристаллы», – рассказывает генеральный директор РЗП Николай Крундышев. – Для нас это идеальное партнерство малого и крупного бизнеса. Кристаллы для завода – совершенно новое дело, а производство оборудования – это наше, родное. Установки для выращивания сапфиров, которые выпускает сегодня РЗП, достаточно сложные: глубокий вакуум, вольфрамовые нагреватели, молибденовый тигель, керамические тепловые экраны, автоматизированная система управления. Но у нас есть проект, по которому в течение двух лет мы произведем 50 новых установок и будем выращивать в 5 раз больше сапфиров, чем ООО «Рыбинские кристаллы» сегодня. В конечном счете, это позволит увеличить общий объем производства на РЗП в два раза. Искусственные кристаллы, технология изготовления которых была изобретена в середине прошлого века, привычны для нас в их бытовом применении. Например, стекла в часах, которые не царапаются. Или экраны мобильных телефонов. Но самое главное – сапфиры сегодня используют в качестве подложек для сверхъярких светодиодов. — Эти кристаллы обеспечивают развитие энергосберегающих технологий, – объясняет Николай Крундышев. – Искусственный сапфир имеет достаточно интересные физические свойства. Прежде всего, его коэффициент преломления – единица. Луч света проходит через кристалл без искажения. Эта и другие характеристики сапфиров – твердость, стойкость к агрессивным средам – позволяют использовать их в самых разных сферах производства.

Источники света на сверхъярких светодиодах экономичнее люминесцентных ламп в два раза. Например, одна лампа в светильнике типа «армстронг», которые сегодня можно увидеть на потолках каждого второго офиса, потребляет порядка 18 Ватт. Лампы на сверхъярких светодиодах светят с той же интенсивность, но расходуют всего 9 Ватт. Серьезное преимущество и у аналогичных уличных светильников. Существующие галогеновые чувствительны к перепадам напряжения, часто выходят из строя. Светодиодные не подвержены таким дефектам, срок их службы – 50 тысяч часов и больше, а энергопотребление в разы меньше. Светодиоды на сапфировых подложках используются в технологии производства LCD-телевизоров, автомобильной светотехники, и область их применения постоянно растет. Значит, надо выращивать большое количество искусственных сапфиров.

— Технология выращивания кристаллов достаточно сложная, – рассказывает Николай Крундышев. – 2040 градусов – это еще расплав, а 2036 градусов – уже кристалл. Точность поддержания температуры на входе установки – всего полградуса. При таких параметрах нет прямых средств измерения температуры. Мы должны обеспечить постоянное электропитание, охлаждение – эти задачи мы постепенно решаем.

Постепенно – это значит, что сегодня на территории РЗП в Рыбинске работает 10 установок, к концу года должны появиться еще 20. Все – производства рыбинского предприятия. Увеличение объемов, безусловно, требует модернизации производства, к которой РЗП уже готов. А поскольку выращивание кристаллов требует непрерывного и гарантированного энергообеспечения, будет пересмотрено и все энергосистемы предприятия.

Читайте также:  Установка предпускового подогревателя на киа рио

— Это нам на руку, – считает Крундышев. – 5 0 установок – очень крупное предприятие. Мы подготовили проект создания нового цеха. Нам нужна тройная гарантия непрерывности энергоснабжения, значит, это – однозначно собственная генерация электроэнергии плюс использование существующих сетей. А поскольку треть себестоимости сапфиров – это электроэнергия, значит, ее надо экономить. Эффективность вложений в энергетику обеспечивается непрерывностью производства, равномерностью потребления электроэнергии.

Но это далеко не все, что ждет завод в перспективе. Вместе с ОАО «Роснано» РЗП разработал проект, который Николай Крундышев называет «большим».

— Это программа, которая предполагает инвестиции в размере 1 миллиарда 400 миллионов рублей. Она тоже связана с выращиванием кристаллов – сапфиров и карбида кремния. Последний – это прорывная нанотехнология, научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы, с которыми рыбинское предприятие самостоятельно не справится. Сегодня проект вошел в завершающую стадию – он согласован экономическим, юридическим, финансовым советами Роснано и находится на рассмотрении наблюдательного совета. Надеемся, на этой стадии сюрпризов уже не будет.

Карбид кремния – это кристаллическое вещество, которое, в дополнение ко всем физическим характеристикам сапфиров, имеет высокую теплопроводность. Светодиоды, изготовленные на основе карбида кремния, называют сверхсуперяркими. Но производство этих кристаллов еще более сложное, поскольку они не имеют жидкой стадии.

— Из твердой фазы карбид кремния сразу переходит в газообразную. Растет он медленно, метод выращивания совершенно иной. И самое главное – он в 50 раз дороже сапфиров, нам не по карману, – смеется директор. Это к тому, что без Роснано проект маловероятен. Тем более что в него заложено и производство конечного продукта – изготовление кристаллической подложки для светодиодов.

— В настоящее время сбыт сапфиров – это Германия, США, Китай, Корея, Тайвань, – говорит Крундышев. – В России потребление минимальное. Существуют в разной стадии готовности 2 предприятия, которые изготавливают светодиоды и могли бы быть потребителями наших полуфабрикатов. Но это незначительные объемы. Хотя надеемся на федеральную программу «Свет России». Развиваться она будет обязательно, значит, и в нашей стране будут потребители рыбинской продукции.

Для Рыбинска на РЗП есть еще один проект, который будет осуществлен – в этом директор уверен – месяца через три. Это производство светодиодных светильников.

— Будем собирать три вида светильников: офисные, цеховые и уличные. О преимуществе такого освещения я уже рассказал. Еще важна цена. Сегодня светодиодный офисный светильник стоит 5 тысяч рублей, цена наших будет 3 с половиной тысячи. Естественно, и срок окупаемости за счет экономии электропотребления уменьшится. Так же экономичны будут наши цеховые и уличные светодиодные светильники. Их мы и предложим Рыбинску. А что? У нас и цена ниже, и производство расположено на территории города. Новые рабочие места, налоги в бюджет, яркий свет на улицах города – всем хорошо.

P.S. В июле 2011 «Роснано» одобрило финансирование, научная поддержка проекта будет оказана Санкт-Петербургским государственным электротехническим университетом. СПбГЭТУ разработали инновационный проект совместно с ОАО «Рыбинский завод приборостроения».

Проект будет направлен на организацию производства объемных монокристаллов SiC и эпитаксиальных структур на его основе, а также производство подложек для сверхъярких светодиодов из монокристалла искусственного корунда. Внедрение уникальной технологии и оснащение производственным оборудованием будет осуществлено на базе компании «Рыбинские кристаллы».

В результате запуска рыбинского проекта в России будет создан крупный игрок на рынке искусственного сапфира и карбида кремния, способный предложить российским и иностранным потребителям продукцию мирового качества по конкурентоспособной цене. Научно-производственный проект будет реализован на территории Ярославской области и в Санкт-Петербурге в 2012–2016 годах, с общим объемом финансирования 1,5 млрд руб.

источник