Моделювання теплового стану комірки апарата високого тиску при вирощуванні кристалів нітриду ґалію
DOI:
https://doi.org/10.26642/ten-2023-1(91)-57-66Ключові слова:
апарат високого тиску (АВТ), високий тиск, висока температура, нітрид ґалію, метод скінченних елементів (МСЕ), комірка високого тиску (КВТ)Анотація
З використанням методу скінченних елементів досліджено тепловий стан спеціально сконструйованої комірки апарата високого тиску типу «тороїд–40» для проведення експериментів з вирощування кристалів нітриду ґалію методом температурного градієнта. Досліджено вплив зміни концентрації складу нагрівачів на тепловий стан комірки високого тиску. Визначено, що однакова концентрація графіту у верхньому і нижньому торцевих нагрівачах призводить до відхилення від бажаної горизонтальної орієнтації ізоліній температури у ростовому об’ємі. За умови, коли концентрація графіту у нижньому нагрівачі більша за концентрацію у верхньому, і ця різниця перевищує 4 % за масою, топологія температурних полів набуває горизонтальної орієнтації, але це призводить до неприйнятного збільшення осьового градієнта температури. Сприятливі умови для синтезу кристалів GaN (за параметрами градієнта і топології ізоліній температури) створюються за умови, коли концентрація графіту у нижньому нагрівачі змінюється в інтервалі 9–11 %, а у верхньому – менша на 2–3 % за масою. В результаті дослідження впливу кристалізованої фази GaN на розподіл температури у зразку Fe–GaN отримано зменшення температури в контрольних точках ростового об’єму (до 5 °С). Побудовано залежність максимального перепаду температури у ростовому об’ємі від розміру зони кристалізації.
Посилання
Petrusha, I.A., Sadovyi, B.S., Sadovyi, P.S. et al. (2021), «Investigation of GaN behavior in contact with Fe, Fe2-4N and Co/Cr at high pressures and high temperatures», Instrumentalne materialoznavstvo, Issue 24, pp. 312–325.
Turkevych, V.Z., Rumiantseva, Yu.Yu., Sadova, Yu.I. et al. (2022), «Thermodynamic calculations of the Fe–Ga–N melting diagram in the context of gallium nitride crystallization under high temperatures and pressures», J. Superhard Mater, Vol. 44, No. 2, pp. 73–78.
Liudvichenko, O.P., Anisin, O.M., Lieshchuk, O.O. and Petrusha, I.A. (2021), «Modeliuvannia teplovoho stanu aparata vysokoho tysku pry doslidzhenni rozchynnosti nitrydu galiiu v zalizi», Instrumentalne materialoznavstvo, Issue 24, pp. 325–334.
Novikov, N.V., Levitas, V.I., Leshchuk, A.A. and Idesman, A.V. (1991), «Mathematical modeling of diamond synthesis process», High Pres. Res., Vol. 7, рр. 195–197.
Leshchuk, A.A., Novikov, N.V. and Levitas, V.I. (2001), «Computer simulation of physical and mechanical processes running in the reaction cells of high-pressure installations in the course of synthesis of diamonds», Strength Mater, Vol. 33, No. 3, pp. 277–292.
Lyeshchuk, O. (2010), «Computational modeling of superhard materials synthesis», Comp. Mater. Sci., Vol. 49, No. 1S, pp. 85–94.
Lyeshchuk, O.O., Polotniak, S.B. and Novikov, M.V. (2012), «Thermomechanical approach to the modeling of HP–HT material processing», J. Phys. Conf. Ser., Vol. 377.
Dutka, V.A., Maystrenko, A.L., Borymskyi, O.I. et al. (2020), «Modeling the temperature field in a high-pressure apparatus during the sintering of large-sized products based on boron carbide», J. Superhard Mater, Vol. 42, No. 4, pp. 240–250.
Li, R., Zheng, G., Liu, Y. et al. (2016), «Finite element design of a temperature field for high-pressure diamond synthesis», Diam. Relat. Mater, Vol. 69, рр. 133–137.
Li, Y., Wang, C., Chen, N. et al. (2017), «Significant improvement of multi-seed method of diamond synthesis by adjusting the lateral cooling water temperature», Cryst. Eng. Comm., Vol. 19, рр. 6681–6685.
Li, R., Ding, M. and Shi, T. (2018), «Finite element design for the HPHT synthesis of diamond», J. Cryst. Growth, Vol. 491, pp. 111–115.
Panasiuk, T.S., Lieshchuk, O.O., Lysakovskyi, V.V. et al. (2019), «Zastosuvannia shestypuansonnoho aparata vysokoho tysku dlia vyroshchuvannia monokrystaliv almazu instrumentalnoho pryznachennia», Tekhnichna inzheneriia, No. 2, pp. 36–43.
Liudvichenko, O.P., Lyeshchuk, O.O. and Petrusha, I.A. (2023), «Effect of the concentration of components and the size of heaters on the thermal state of a high-pressure cell to study the solubility of gallium nitride in iron», J. Superhard Mater., Vol. 45, No. 2, pp. 83–92.
Liudvichenko, O.P., Anisin, O.M., Lieshchuk, O.O. and Shchydlovskyi, V.I. (2021), «Skinchennoelementnyi analiz elektrorezystyvnoho nahrivannia aparata vysokoho tysku dlia doslidzhennia rozchynnosti GaN u Fe», Mech. Adv. Technol., Vol. 5, No. 3, pp. 302–306.
Savytskyi, O.V. and Lysakovskyi, V.V. (2018), «Elektroprovidnist hrafitovykh detalei rezystyvnoho nahrivannia, vyhotovlenykh shliakhom presuvannia», Porodorazrushaiushchyi y metalloobrabatыvaiushchyi ynstrument – tekhnyka y tekhnolohyia eho yzghotovlenyia y prymenenyia, zb. nauk. robit, YNM im. V.N. Bakulia NAN Ukrainy, Kyiv, Issue 21, pp. 295–300.
Solfiti, E. and Berto, F. (2020), «A review on thermophysical properties of flexible graphite», Procedia Struct. Integrity, Vol. 26, рр. 187–198.
Список використаної літератури:
Investigation of GaN behavior in contact with Fe, Fe2-4N and Co/Cr at high pressures and high temperatures / І.А. Petrusha, B.S. Sadovyi, P.S. Sadovyi and other // Інструментальне матеріалознавство. – 2021. – Вип. 24. – С. 312–325.
Thermodynamic calculations of the Fe–Ga–N melting diagram in the context of gallium nitride crystallization under high temperatures and pressures / V.Z. Turkevych, Yu.Yu. Rumiantseva, Yu.I. Sadova and other // J. Superhard Mater. – 2022. – Vol. 44, № 2. – P. 73–78.
Моделювання теплового стану апарата високого тиску при дослідженні розчинності нітриду ґалію в залізі / О.П. Людвіченко, О.М. Анісін, О.О. Лєщук, І.А. Петруша // Інструментальне матеріалознавство. – 2021. – Вип. 24. – С. 325–334.
Mathematical modeling of diamond synthesis process / N.V. Novikov, V.I. Levitas, A.A. Leshchuk, A.V. Idesman // High Pres. Res. – 1991. – Vol. 7. – P. 195–197.
Leshchuk A.A. Computer simulation of physical and mechanical processes running in the reaction cells of high-pressure installations in the course of synthesis of diamonds / A.A. Leshchuk, N.V. Novikov, V.I. Levitas // Strength Mater. – 2001. – Vol. 33, № 3. – P. 277–292.
Lyeshchuk O. Computational modeling of superhard materials synthesis / O.Lyeshchuk // Comp. Mater. Sci. – 2010. – Vol. 49, № 1S. – P. 85–94.
Lyeshchuk O.O. Thermomechanical approach to the modeling of HP–HT material processing / O.O. Lyeshchuk, S.B. Polotniak, M.V. Novikov // J. Phys. Conf. Ser. – 2012. – Vol. 377.
Modeling the temperature field in a high-pressure apparatus during the sintering of large-sized products based on boron carbide / V.A. Dutka, A.L. Maystrenko, O.I. Borymskyi and other // J. Superhard Mater. – 2020. – Vol. 42, № 4. – P. 240–250.
Finite element design of a temperature field for high-pressure diamond synthesis / R.Li, G.Zheng, Y.Liu and other // Diam. Relat. Mater. – 2016. – Vol. 69. – P. 133–137.
Significant improvement of multi-seed method of diamond synthesis by adjusting the lateral cooling water temperature / Y.Li, C.Wang, N.Chen and other // Cryst. Eng. Comm. – 2017. – Vol. 19. – P. 6681–6685.
Li R. Finite element design for the HPHT synthesis of diamond / R.Li, M.Ding, T.Shi // J. Cryst. Growth. – 2018. – Vol. 491. – P. 111–115.
Застосування шестипуансонного апарата високого тиску для вирощування монокристалів алмазу інструментального призначення / Т.С. Панасюк, О.О. Лєщук, В.В. Лисаковський та ін. // Технічна інженерія. – 2019. – № 2. – С. 36–43.
Liudvichenko O.P. Effect of the concentration of components and the size of heaters on the thermal state of a high-pressure cell to study the solubility of gallium nitride in iron / O.P. Liudvichenko, O.O. Lyeshchuk, І.A. Petrusha // J. Superhard Mater. – 2023. – Vol. 45, № 2. – P. 83–92.
Скінченноелементний аналіз електрорезистивного нагрівання апарата високого тиску для дослідження розчинності GaN у Fe / О.П. Людвіченко, О.М. Анісін, О.О. Лєщук, В.І. Щидловський // Mech. Adv. Technol. – 2021. – Vol. 5, № 3. – C. 302–306.
Савицький О.В. Електропровідність графітових деталей резистивного нагрівання, виготовлених шляхом пресування / О.В. Савицький, В.В. Лисаковський // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения : зб. наук. робіт. – Київ : ИНМ ім. В.Н. Бакуля НАН України, 2018. – Вип. 21. – C. 295–300.
Solfiti E. A review on thermophysical properties of flexible graphite / E.Solfiti, F.Berto // Procedia Struct. Integrity. – 2020. – Vol. 26. – P. 187–198.
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2023 Олександр Олександрович Лєщук , Олексій Петрович Людвіченко , Сергій Олександрович Гордєєв
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.
Автор, який подає матеріали до друку, зберігає за собою всі авторські права та надає відповідному виданню право першої публікації, дозволяючи розповсюджувати даний матеріал із зазначенням авторства та джерела первинної публікації, а також погоджується на розміщення її електронної версії на сайті Національної бібліотеки ім. В.І. Вернадського.
