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随着航空航天、军事、科研和民用等方面的持续发展,蓝宝石晶体的应用愈发广泛,对大尺寸高质量的蓝宝石晶体的需求与日俱增。泡生法是蓝宝石晶体的主要制造方法之一,蓝宝石晶体生长过程中流场、热场均受热场结构的影响,且伴随用时长、能耗高等问题,通过数值模拟与长晶实验结合的方法研究热场结构影响能够有效降低试验成本,对低成本获得高质量蓝宝石晶体有重要意义。本文总结了蓝宝石晶体的生长理论,对蓝宝石生长过程中的主要生长问题进行了分析,以目前实际生产中所采用的60kg级泡生法蓝宝石单晶炉为模型,建立了晶体生长的物理模型和数值模型,通过专业晶体生长软件CGSim对泡生法蓝宝石单晶炉热场结构进行了模拟分析,并与实验结果进行对比,得出如下结论:(1)通过对热屏结构中加入氧化锆材料及氧化锆材料内置外置对单晶炉功率影响的研究,得出,加入氧化锆保温层会明显降低单晶炉能耗,其中,氧化锆内置的热场结构对单晶炉能耗降低影响更为明显。(2)通过对氧化锆材料与钼金属材料不同配比对单晶炉功率影响的研究,得出,随着氧化锆层由0增加至15层,单晶炉能耗显著降低,相比传统15层钼保温结构,15层氧化锆保温结构炉体功率降低了 38%。其中,单晶炉功率变化在内置氧化锆增加至7层后变化趋于平缓,内置7层氧化锆材料/外置8层钼金属保温结构为最合理热场结构。(3)通过对热场结构中热屏间距的研究,得出,单晶炉热屏结构中热屏间距增大使得单晶炉功率明显提升,并引起固液界面凸度增大,晶体热应力减小,综合考察三个影响因素的影响,热屏间距为5mm时单晶炉能耗较低,可用于制造高质量的蓝宝石晶体。(4)通过将数值模拟结果与具体长晶实验结果进行对比,验证了设计优化的热屏间距为5mm的内置7层锆材料/外置8层钼金属热场结构的合理性,按照模拟优化热场结构生长的蓝宝石晶体基本避免了生长过程中重熔现象、径向温度梯度不合理而出现气泡等缺陷,最终生长出了径度好、基本无光学散射符合光学要求的蓝宝石单晶。