生长杆状红宝石的方法及其装置.pdf

本发明是关于直接从熔体中生长予定截面形状和尺寸的杆状红宝石的方法。现在晶体材料的生长是根据美国H·E·La    Belle    Jo.的方法进行的，称为润湿导模法。即EFG法（Edge-defined    film-fed    growth）。本发明根据美国专利3591348生长白宝石的方法加以改进，利用润湿导模法技术直接从熔体中拉制杆状红宝石。本方法可以保证杆状红宝石色红均匀，色彩鲜明、外表光滑、平直度好、规格准确、机械强度高、应力小和晶体完整性好的特点。采用本发明生长的杆状红宝石的质量和机械加工性能均优于焰熔法生长的红宝石梨晶体。在外形和尺寸上可适应手表轴承、仪表轴承、线切割机架丝杆和装饰宝石等的规格要求，大大简化了后加工工序，提高了宝石的利用率和成品率，节省人力、物力和能源。为此，按本发明生长的杆状红宝石为工业应用开辟了新的有效途径。本发明还适用于生长其他掺杂的有色宝石，如兰宝石、YAG等。
    为了实现这种生长方法，本发明对该生长方法所需的装置进行了改进。图1和图2是晶体生长的装置图。在单晶炉工作室1内的坩埚托杆17上放置一个保温隔热套，它是由石英管3、氧化锆砂4、钼片圆筒5和氧化锆垫6构成的。蛇形感应铜套管2围绕着石英管，铜套管2偶合30瓩逆变式中频发生器，电源频率在1800～3000赫芝，一个钨制的圆筒状感应发热体7放置在保温隔热套内，在感应发热体内放置有氧化锆坩埚托12，在坩埚托12上安放具有模具11的坩埚10，坩埚需用能经受住操作温度（即2100℃以上），并且不与熔体起化学作用的金属材料制成，它们可以使用钼、钨、铼或铱。为了保证得到操作温度，在坩埚10之上放置钼制保温盖9，在感应体7之上放置钼制后热器8，在氧化锆砂层4之上放置氧化锆罩13、如此，大大地减少了感应发热体和坩埚地热散失，提高了模具顶端的温度，保证了晶体生长过程中具有较适合的温度梯度。将具有<0001>的籽晶16固定在钼制籽晶夹具15上，再把籽晶夹具安装在籽晶杆14上，调整坩埚的位置保证模具11的顶端与籽晶16的末端对正，籽晶杆在移动过程中应保证无振动和无爬行现象发生。

    参照图1和图2，安装在坩埚10中的一个模具部件11，模具的制作材料除具有耐高温和不与氧化铝熔体起化学作用外，还必须有可能为氧化铝熔体所润湿的特性，模具顶端的截面形状可以是圆形、方形、三角形、八角形等，模具通过冲压或吻合在一个钼制的支撑座19上，模具顶端表面应具有较高的表面光洁度，毛细管通道21的直径一般在0.4毫米，当毛细管的直径确定后，模具部件的长度由熔体在毛细管中所上升高度即形成的熔体柱的高度h（厘米）所决定，h由方程式h＝2ν cosθ/ρ·d·g来确定，这里θ是接触角，ρ是氧化铝熔体的密度3.95克/厘米3，d是毛细管的直径（厘米），ν是表面张力（达因/厘米），钼制模具的ν值为360±40达因/厘米，钨制模具的ν值为680±100达因/厘米，g是重力速度（达因/克）。氧化铝熔体18由于毛细现象的作用自毛细管通道上升到与毛细管口齐平呈凹状弯液面，将籽晶下放与模具顶端相接触，熔化了的籽晶与毛细孔中的熔体相汇合在一起，随着籽晶的提拉生长作用在籽晶上发生，由于熔体与新生长晶体的亲合力以及熔体表面张力的作用，当生长作用进行时，模具顶端的熔体将在表面上扩展开，直至全部复盖。因为θ角小于90°，则形成一个为模具顶端边缘所限定的熔体液膜20（又称熔体池），其厚度在0.1～0.3毫米，如此晶体生长作用将通过水平地消耗熔体池而垂直地进行，伴随着生长作用的连续进行，表面张力引起另外的熔体（坩埚中的熔体）通过毛细管通道源源地供给到模具的顶端，并加入到熔体池的整个容积中，毛细管通道以和晶体生长速率相一致的速率不停地供给熔体，这就保证了晶体生长过程连续不断地进行，直到坩埚中的熔体被全部消耗完为止，而所生长的晶体具有和模具顶部截面相符合的形状和尺寸。

    下面介绍一个实例来进行说明。钨感应发热体是圆筒状构造，其外径是55毫米，内径是45毫米，高是45毫米，钼坩埚具有内径22毫米，壁厚4毫米，高度为28毫米，深度为23毫米，坩埚以在图1中所示的方式安放，安装在坩埚中的模具如图2所示，圆棒的尺寸如下：直径是2毫米，长度为其上端凸出坩埚上口5毫米，毛细管的孔径为0.4毫米，坩埚中装满掺铬的纯α-氧化铝或焰熔法红宝石废料，将具有<0001>的宝石（红宝石或白宝石）籽晶安装在夹具15上，调整坩埚的位置，保证模具顶端和籽晶端部对正。以后将单晶炉工作室进行第一次抽真空至2×10-1乇级后，充入4个“九”的纯Ar气至表压为0.1，再进行第二次抽真空至不大于5×10-5乇级后，充入5个“九”的纯Ar气至表压为0.3。上述操作完成后，开启逆变式中频发生器，感应圈被通以电流，逐渐调节电流升温至坩埚中的氧化铝固体熔化（氧化铝的熔点是2050℃），此时模具顶部的温度应控制在约2070℃，熔体18自毛细管中上升并充满毛细管，熔体柱将升高到它的弯液面基本与模具顶端齐平，在恒温一段时间之后，操纵提拉机构，将籽晶下放到使其端部与模具顶端相接触，并让它放置在那个位置受热和平衡一段时间，以便使籽晶的末端熔化，并使熔化的籽晶和毛细管中的液体相汇合在一起，以后开动提拉机构，以15毫米/时的速度提拉，当籽晶被提拉时，晶体生长作用在籽晶上发生，并且熔体在模具顶部表面扩展而形成熔体液膜20，熔体液膜为模具顶部边缘限定，它的厚度一般在0.1～0.3毫米，以后提高拉速到30毫米/时，随着籽晶的提拉生长作用连续发生，另外的熔体将由于表面张力的作用，则源源不断地通过毛细管通道供应到熔体液膜中。

    倘若生长作用在籽晶上出现，但是熔体液膜没有扩展开，则采用推动熔体液膜扩展开来的办法是，通过调节液膜的温度（即增加加热功率）或通过调节拉速来实现，而保持拉速恒定，增加功率较为可取。在该项发明中，模具顶端可视为一个等温发热体，而熔体液膜中过冷度和模具顶端上部的轴向温度梯度则不随坩埚中熔体液面的下降发生变化，而是保持恒定。

    按本发明生长出的杆状晶体具有色红均匀，色彩鲜明，表面光滑（有轻微的皱纹）且平直度好，劳厄图相表明具有较好的晶体完整性，适合于制造手表轴承、仪表轴承、线切割机架丝杆和装饰宝石的需要。该发明不仅适用于圆棒状宝石杆的生产，还适用于正方形的、三角形的、六角形的以及其它特殊形状的红宝石杆的生产和其它掺质的有色宝石的生产。