Влияние поступательной вибрации и равномерного вращения на процессы тепломассопереноса в расплаве вещества при выращивании кристаллов методом Бриджмена в условиях микрогравитации

Abstract

В условиях микрогравитации конвекция, обусловленная действием гравитационных сил, вследствие малости последних, практически отсутствует. Первоначально с этим фактом связывали возможность получения на борту космических аппаратов (КА) более однородных и совершенных, чем в земных условиях (где гравитационная конвекция оказывает существенное влияние на процессы кристаллизации), монокристаллов. Однако до сих пор получить таким способом однородные и совершенные кристаллы не удалось из-за воздействия на экспериментальные образцы при выращивании неконтролируемых вибраций различной природы, связанных с работой КА. Такого рода вибрационные воздействия приводят к появлению конвективных течений, воздействующих на процессы тепломассопереноса в расплавах веществ, что, в конечном итоге, и приводит к образованию макронеоднородностей в структуре получaемых материалов. В данной работе исследуется возможность ослабления влияния вибраций на структуру получаемого в условиях космического эксперимента кристаллического материала за счет быстрого равномерного вращения экспериментального образца. Показано, что при наличии достаточно интенсивного равномерного вращения вибрации не оказывают существенного влияния на структуру конвективного течения в расплаве, которая практически полностью определяется вращательным движением. При этом, конвективное течение, в соответствии с результатами, полученными в работе [7], практически не взаимодействует с фронтом кристаллизации, что приводит к более однородному, чем в случае отсутствия вращения, распределению примеси в кристалле.

В умовах мiкрогравiтацiї конвекцiя, зумовлена дiєю гравiтацiйних сил, внаслiдок малостi останнiх, практично вiдсутня. Спочатку з цим фактом пов'язували можливiсть отримання на борту космiчних апаратiв (КА) бiльш однорiдних та досконалих, нiж у земних умовах(де гравiтацiйна конвекцiя має суттєвий вплив на процеси кристалiзацiї), монокристалiв. Проте дотепер отримати таким чином однорiднi та досконалi кристали не вдалося через дiю на експериментальнi зразки при вирощуваннi неконтрольoваних вiбрацiй рiзної природи, пов'язаних з роботою КА. Такого роду вiбрацiйнi дiї призводять до появи конвективних течiй, що дiють на процеси тепломасопереносу у розплавах речовин, що i призводить до утворення макронеоднорiдностей у структурi кiнцевих матерiалiв. У данiй роботi дослiджується можливiсть послаблення дiї вiбрацiй на структуру кристалiчного матерiалу, отримуваного в умовах космiчного експерименту, за рахунок швидкого рiвномiрного обертання експериментального зразка. Показано, що за наявностi достатньо iнтенсивного рiвномiрного обертання вiбрацiї суттєво не впливають на структуру конвективної течiї у розплавi, котра практично повнiстю визначається обертальним рухом. При цьому, конвективна течiя, у вiдповiдностi до результатiв, отриманих у роботi [7], практично не взаємодiє з фронтом кристалiзацiї, що призводить до бiльш однорiдного, нiж у випадку вiдсутностi обертання, розподiлу домiшкiв у кристалi.

In conditions of space flight convection caused by action of gravitational forces, owing to smallness the last, practically is absent. First, an opportunity of obtaining onboard space vehicles (SV) more homogeneous and perfect monocrystals than in terrestrial conditions (where gravitational convection renders essential influence on processes of crystallization) was associated with this fact. However, till now to receive the homogeneous and perfect crystals in such a way was not succeeded because of influence on experimental samples of various uncontrollable vibrations caused by work of SV. Such vibrating influences result in occurrence of convectional flows exerting essential influence on processes of heat and mass transfer in melts of substances. This can result in formation of inhomogeneities in structure of materials. In the given work the opportunity of weakening of influence of vibration on structure of a crystal material receiving in conditions of space experiment due to fast uniform rotation of an experimental sample is investigated. It is shown, that at presence of enough intensive uniform rotation vibration does not render essential influence on structure of convective flow in melt, which practically is determined by rotary motion. At the same time, such convective flow, according to the results received in work [7], practically does not interact with a crystallization front. This results in more homogeneous distribution of an impurity in crystal than in case of absence of rotation.