高温循环载荷下石英坩埚气孔-裂纹应力强度因子数值模拟

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单位宁夏大学宁夏光伏材料重点实验室;宁夏大学物理与电子电气工程学院;
来源人工晶体学报
出版年2023
期号03
摘要
连续拉晶用石英坩埚的内壁会随拉晶次数的增多而形成更多的气泡,易在晶体中产生位错和侵蚀性硅熔体,导致坩埚随时间溶解和腐蚀等。为研究侵蚀性硅熔体与气泡相互作用对坩埚的影响,研究人员期望对石英坩埚的性能进行原位观察,然而,单晶炉内的极端高温环境使得很难通过实验手段对其内部进行研究。本文以石英坩埚内表面气孔-裂纹为研究对象,采用有限元模拟获得了高温循环载荷下石英坩埚不同气孔形态、裂纹形状和裂纹倾斜角度的各拉晶阶段应力强度因子(K_Ⅰ、K_Ⅱ、K_Ⅲ),分析了总应力强度因子的分布规律。结果表明:随着裂纹倾斜角的增加,K_Ι值呈现逐渐减小的趋势,K_Ⅲ值呈现先增大后减小的趋势,且K_Ⅲ值沿倾斜角45°对称;随气孔深径比增大,K_Ι值呈现减小趋势,且减小速率以深径比等于1为界有明显的增大,K_Ⅲ?K_Ι,说明裂纹主导形式为Ⅰ型;裂纹形状比对K_Ι或K_Ш值影响显著,形状比越小,裂纹尖端应力强度因子值越大;当倾斜角为0°时,总应力强度因子K值最大,此时裂纹扩展趋势最强,对石英坩埚危害最高;此外,连续拉晶下放肩阶段的总应力强度因子总是大于等径、收尾、冷却阶段。仿真结果对实际生产有一定的理论指导意义。

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