常重力条件下分离结晶的探索实验#

常重力条件下分离结晶的探索实验

李震，王飞

（重庆大学动力工程学院，重庆，400044）

摘要：本文提出一种利用气泡在容器壁面聚集形成气缝，使结晶物与容器壁分开的分离结晶新方法。、为常重力条件下分离结晶技术的发展提供了新思路。选用油为研究对象，进行了常重力条件下的分离结晶实验，得到较好的实验结果。同时还通过系列实验分析了气泡量、容器尺寸等因素对分离结晶的影响。

关键词：常重力；气缝；分离结晶；实验

中图分类号：TK123

The Exploratory experiment on Detached Solidification in

Gravity Condition

Li Zhen, Wang Fei

(Clollege of Power Engineering of Chongqing University, Chongqing 400044) Abstract: This paper presents a way get the crystals separated from the container wall,using of bubbles get together to the container wall,and explore new method for detached solidification,provides a new idea for the development of detached solidification in gravity https://www.wendangku.net/doc/c810086028.html,ed oil carried out experiment of detached solidification in ravity conditions and obtain better results.Also analyzed the bubble volume, container size and other factors on the effect of detached solidification.

Key words: Gravity; Gasgap; Detached Solidification; Experiment

0引言

目前，在地面条件下，大多采用Czochralski提拉法和Bridgman定向凝固法来制备大尺寸晶体，但这两种方法对热应力作用非常敏感的晶体材料制备很难实现。有研究者试图将Czochralski法和Bridgman法相结合，这一想法主要来源于1974年太空实验室在微重力条件下进行的Bridgman法晶体生长实验[1]，结果发现通过Bridgman法生长的晶体某一部分尺寸比安瓿内径要稍小。显然，该部分晶体的生长过程是在脱离安瓿内壁状态下完成的。此后，Duffar等[2]和Regel等[3]对微重力条件下晶体生长中出现的这种分离现象进行了详细研究，提出一种结合Czochralski法和Bridgman法各自优点的晶体生长新方法，即分离结晶Bridgman晶体生长法。这种分离结晶法几乎可以消除晶体与安瓿壁直接接触带来的所有不利影响，使得晶体质量得到奇迹般的提高。众多学者对这种基于Bridgman方法的新型分离结晶晶体生长技术作了研究[4-6]，目前该技术在微重力条件下已取得成功，但在常重力条件下至今未能取得理想的结果。因此，本文以油的结晶为研究对象，进行在常重力条件下进行分离结晶的探索实验，探讨实现分离结晶的可行性，为常重力条件下的分离结晶技术的发展提供基础。

1实验基本原理

溶有CO2气体的水溶液在凝固过程中将会不断逸出气体。因此，可以利用逸出的气体在

基金项目：受重庆大学“211工程”三期建设研究生开放实验室支持；国家自然科学基金（No. 50676112）作者简介：李震（1985-），男，博士研究生，主要从事传热传质方向研究. E-mail: lizhen2184610@https://www.wendangku.net/doc/c810086028.html,

容器壁和结晶晶体表面形成气缝，使晶体生长时晶体与容器壁分离，从而实现在地面常重力条件下的分离结晶。实验基本原理如图1所示。在试管中加入含CO2气体的水溶液，然后加入适量凝固温度高于水的油，采用恒温冷浴提供结晶所需的低温。在升降调节器的控制下，将试管慢慢从热端（环境温度）向冷端（恒温冷浴）移动，即将试管慢慢的移入恒温冷裕中。试管内，从恒温冷浴载冷剂液面到油液面将形成递增的温度梯度区，由于油的凝固温度高于水且油位于水的上方，控制移动速度，可以使得油和水几乎同时结晶。CO2气体在冰中的溶解能力远小于在水中的溶解能力，随着水慢慢凝固成冰，CO2气体在水中形成气泡，在浮力作用下向上移动，如图2所示。气泡在水中移动时，随着气泡移动速度的增加，粘性阻力逐渐增大，阻碍气泡浮力作用。

在表面张力的作用下，油水界面成

弧形，当气泡上升至弧形界面时，由于

油的粘度系数远高于水，粘性阻力突然

增大，将抵消浮力的作用。同时油水界

面的存在，气泡在界面上必将受到表面

张力的牵引，使得气泡突然增加一个沿

着弧形界面切线方向的一个力。弧形界

面上忽略气泡重力的受力分析如图3所

示。因此，水中形成的CO2气泡不会从

油面中间逸出，而是沿着弧形界面移动

到壁面处，沿着壁面向上移动。随着油图1实验原理图

的温度逐渐降低，慢慢向固态转变，油Fig.1 Experimental schematic diagram

的粘性阻力逐渐增大，CO2气泡向上移动的阻力越来越大，最终难以逸出，被困在管壁和油之间形成气缝，达到分离结晶的效果。

图2 气泡逸出示意图图3界面处气泡受力分析图

Fig.2 Schematic diagram of bubble escape Fig.3 Stress analysis of bubbles at the interface 2分离结晶实验

2.1 实验装置

实验装置如图4所示，选用恒温冷裕提供结晶所需冷源，空调控制环境温度，试管支架固定结晶所用容器，升降调节器来控制容器移动速度。

2.2 小尺寸条件下油的分离结晶实验

选用直径为10mm的试管作为实验容器，饱和CO2水溶液和凝固温度为5℃的油作工质进行实验；调节恒温冷浴温度为-10℃，环境温度16℃；调节升降调节器，将升降台移动速

升降调节器

支架

恒温冷浴

油

水

冰

空气

度控制为0.03mm/s，移动方向垂直向下；试管中水溶液充注高度为40mm，油高度为40mm。

待油完全结晶后取出试管，结果如图5所示。可以看到，油与壁面有明显的分离，有明显的分离结晶效果。这是因为下部水溶液在结冰时，放出的CO2气体形成气泡，在向上移动的过程中，不断的聚集到油与管壁之间，在油结晶过程中形成气缝。气缝的存在，使油与壁面分开，实现分离结晶。

图4实验装置

Fig.4 Experimental device

图5 油分离结晶实验结果

Fig.5 Experimental results of detached solidification about oil

2.3 大尺寸条件下油的分离结晶实验

为研究容器尺寸及形状对分离结果效果的影响，选用底部直径60mm、颈部直径25mm、高70mm、容积为100ml的锥形瓶作容器。相比试管而言，锥形瓶的优势在于其横截面积由下向上逐渐递减，气泡上升过程中受到倾斜壁面的阻挡，导向移动。使得气体聚集密度增大，更易实现分离结晶。

为研究气泡量对分离结晶的影响，向锥形瓶中加入50ml含CO2气体的饱和水溶液，并将水溶液静置不同的时间（静置时间越长，水溶液中CO2气体含量越少）。然后再加入25ml 凝固温度为5℃的油，设定升降调节器移动速度为0.03mm/s，方向垂直向下，恒温冷浴温度为-10℃，环境温度保持16℃。

通过实验，可以看到，在水溶液无搁置情况下（图6a所示），在结晶油和锥形瓶壁面之间有大量气泡聚集，油结晶过程基本实现了分离结晶。随着水溶液静置时间变长，水溶液中CO2气体含量减少，实验时结晶油和锥形瓶壁面之间聚集的气泡也越来越少，分离结晶效果越来越差，静置144小时后实验，已基本没有分离结晶的效果。因此，由实验结果可知，

气泡量的多少对分离结晶的效果有明显的影响。对比小尺寸条件下的实验可以发现，在小尺寸条件下的分离结晶效果要明显好于大尺寸条件下的分离结晶效果，这是因为小尺寸条件下气泡的聚集密度更大，更容易形成完整的气缝，使油与壁面很好的分离，达到更好的分离结晶效果。

a 、充满CO 2气体的水溶液为饱和溶液时

b 、饱和水溶液静置24小时后进行实验

c 、饱和水溶液静置72小时后进行实验

d 、 饱和水溶液静置144小时后进行实验

图6气泡量对分离结晶效果的影响

Fig.6 Bubble volume effect on the detached solidification

3 结论

利用气泡聚集形成气缝，达到分离结晶是一种新的分离结晶方法。作为常重力条件下探索分离结晶的实验，本实验取得了较好的效果。实验表明：1、利用气泡生成的气缝，能很好的实现常重力条件下分离结晶。2、气泡量的多少，对分离结晶的效果有很大的影响，气泡量越多，分离结晶的效果越好。3、容器尺寸也是影响分离结晶的一个重要因素，相比而言，小的尺寸能取得更好的效果。4、容器形状也是影响分离结晶的因素。 [参考文献] (References)

[1] Yue J T, Voltmer F W. Influence of Gravity-free Solidification on Solute Microsegregation. Journal of

Crystal Growth, 1975, 29: 329

[2] Duffar T, Paret-Harter I, Dusserre P. Crucible De-wetting during Bridgman Growth of Semiconductors in

Microgravity. Journal of Crystal Growth, 1990, 100: 171--184

气泡

气泡

气泡

[3]Regel L L, Wilcox W R. A Review of Detached Solidification in Microgravity. Microgravity Sci. Technol,

1999, 14: 152-166

[4]Duffar T, Serrano M D, Moore C D. Bridgman Solidification of GaSb in Space. Journal of Crystal Growth,

1998, 192: 63--72

[5]Wang Y Z, Regel. Influence of Contact Angle, Growth Angle and Melt Surface Tension on Detached

Solidification of InSb. Journal of Crystal Growth, 2000, 209:175--180

[6]Duffar T, Boiton P, Dusserre P, et al. Crucible De-wetting during Bridgman Growth in

Microgravity. Journal of Crystal Growth, 1997, 179: 397—409～160.