Влияние электромагнитного поля на массоперенос углерода в металле-растворителе при выращивании монокристаллов алмаза методом температурного градиента
In this paper we examined the influence of electromagnetic fields created by resistive elements of the assembly to the temperature fields distribution in the metal-solvent. The AC used to 
 heat leads to a Lorentz force impacting to the motion of carbon particles in the reaction container &a...
Saved in:
| Published in: | Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения |
|---|---|
| Date: | 2009 |
| Main Authors: | , , , , , |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України
2009
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/21786 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Влияние электромагнитного поля на массоперенос углерода в металле-растворителе при выращивании монокристаллов алмаза методом температурного градиента / А.П. Чепугов, В.В. Лысаковский, М.А. Серга, С.А. Ивахненко, В.В. Калаев, С.Е. Демина // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2009. — Вип. 12. — С. 179-182. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860059286173908992 |
|---|---|
| author | Чепугов, А.П. Лысаковский, В.В. Серга, М.А. Ивахненко, С.А. Калаев, В.В. Демина, С.Е. |
| author_facet | Чепугов, А.П. Лысаковский, В.В. Серга, М.А. Ивахненко, С.А. Калаев, В.В. Демина, С.Е. |
| citation_txt | Влияние электромагнитного поля на массоперенос углерода в металле-растворителе при выращивании монокристаллов алмаза методом температурного градиента / А.П. Чепугов, В.В. Лысаковский, М.А. Серга, С.А. Ивахненко, В.В. Калаев, С.Е. Демина // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2009. — Вип. 12. — С. 179-182. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения |
| description | In this paper we examined the influence of electromagnetic fields created by resistive elements of the assembly to the temperature fields distribution in the metal-solvent. The AC used to 
heat leads to a Lorentz force impacting to the motion of carbon particles in the reaction container 
cell volume. To evaluate influence of theelectromagnetic field to the mass transfer of carbon we 
considered a few examples of a tension of electromagnetic field creating by using different ratios of 
electrical resistive elements. A computer simulation of the temperature fields distribution and the carbon mass transfer in the single crystals diamond growth resulted in the identification of optimal ratio of electrical resistance elements
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:03:02Z |
| format | Article |
| fulltext |
РАЗДЕЛ 2. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ, КОНСТРУКЦИОННЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
НА ОСНОВЕ АЛМАЗА И КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА
179
Выводы
Карбидообразующие элементы W, Ta и Nb, характеризующиеся высокой (более 100
кДж/моль) энтальпией образования монокарбидов, при давлении 5 ГПа стабилизируют
карбиды типа Ме3С в сплавах системы Co–Fe–C и переводят сплавы в метастабильное со-
стояние.
Литература
1. Влияние концентрации хрома на синтез алмазов в системе Fe–Co–Cr–C / А. И. Борим-
ский, В. Г. Делеви, П. А. Нагорный, Т. Ю. Чипенко // Синтез, спекание и свойства
сверхтвердых материалов. Сер. Материаловедение: Сб. науч. тр. – К.: ИСМ им. В. Н.
Бакуля НАН Украины, 2000. – С. 39–48.
2. Смитлз К. Дж. Металлы: Справоч. изд.: Пер. с англ. – М.: Металлургия, 1980. – 448 с.
3. Влияние легирования сплавов системы Co–Fe карбидами TaC, NbC и WC на их взаи-
модействие с графитом при нагреве под высоким давлением / А. И. Боримский,
П. А. Нагорный, В. Г. Делеви и др. // Породоразрушающий и металлообрабатываю-
щий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр.
– К.: ИСМ им. В. Н. Бакуля НАН Украины, 2006. – Вып. 9. – С. 278–285.
4. Каменецкая Д. С., Корсунская И. А., Литвин Ю. А. Влияние графитизирующих эле-
ментов на равновесие с расплавом в системе железо–углерод при высоких давлениях
// ФММ. – 1978. – Т. 45. – Вып. 3. – С. 569–579.
5. Экспериментальное исследование фазовых равновесий в системе Co–Fe–C при высо-
ких давлениях / Ю. А. Кочержинский, О. Г. Кулик, В. З. Туркевич, В. И. Василенко //
Сверхтв. материалы. – 1994. – № 3. – С. 6–11.
6. Сверхтвердые материалы. Получение и применение: Моногр.: В 6 т. / Под общ. ред.
Н. В. Новикова. – К.: ИСМ им. В. Н. Бакуля, ИПЦ “АЛКОН” НАН Украины, 2003. –
Т. 1: Синтез алмаза и подобных материалов / Отв. ред. А. А. Шульженко. – 320 с.
Поступила 24.06.09
УДК 539.89:66.083
А. П. Чепугов1, В. В. Лысаковский1, М. А. Серга1, кандидаты технических наук,
С.А. Ивахненко1, д-р. техн. наук, В. В. Калаев2, С. Е. Демина2, кандидаты физико-
математических наук
1 Институт сверхтвердых материалов им. В. Н. Бакуля НАН Украины, г. Киев
2 ООО «Софт-Инпакт», С. Петербург, Россия
ВЛИЯНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ НА МАССОПЕРЕНОС
УГЛЕРОДА В МЕТАЛЛЕ-РАСТВОРИТЕЛЕ ПРИ ВЫРАЩИВАНИИ
МОНОКРИСТАЛЛОВ АЛМАЗА МЕТОДОМ ТЕМПЕРАТУРНОГО
ГРАДИЕНТА
In this paper we examined the influence of electromagnetic fields created by resistive ele-
ments of the assembly to the temperature fields distribution in the metal-solvent. The AC used to
heat leads to a Lorentz force impacting to the motion of carbon particles in the reaction container
cell volume. To evaluate influence of theelectromagnetic field to the mass transfer of carbon we
considered a few examples of a tension of electromagnetic field creating by using different ratios of
electrical resistive elements. A computer simulation of the temperature fields distribution and the
Выпуск 12. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
180
carbon mass transfer in the single crystals diamond growth resulted in the identification of optimal
ratio of electrical resistance elements.
Экспериментальное определение температуры в реакционной ячейке непосредственно
в процессе выращивания монокристаллов алмаза в области термодинамической стабильно-
сти довольно трудоемко. В этой связи усовершенствование моделей для расчета тепло- и
массопереноса при высоком давлении и высокой температуре особенно актуально. При рас-
чете тепловых полей и массопереноса углерода от источника к растущему кристаллу влияни-
ем электромагнитного поля, создаваемого резистивными элементами нагревания при про-
пускании через них переменного тока, как правило пренебрегают. Это связано с тем, что
воздействие электромагнитного поля существенно мало. Однако, при условии проведения
процесса выращивания в течение 100 ч. и более даже незначительные изменения в массопе-
реносе могут существенно влиять на процесс роста монокристаллов.
В исследовании впервые использовали новый пакет программ «CGSim», разработан-
ный компанией «Soft Inpact»(С.-Петербург). Этот пакет позволяет осуществлять компьютер-
ное моделирование процесса выращивания полупроводниковых и оптических кристаллов из
расплава [1], а так же расчитывать распределение градиентов температуры и массопереноса
углерода в расплаве с учетом гидродинамических факторов.
Рис. 1. Распределение температурных полей в контейнере АВД типа «тороид» для выращи-
вания монокристаллов алмаза типа ІІа и ІІb в ростовых системах Fе–Co–Zr–C и Fe–Co–Zr–
B–C:1 – затравочный кристалл; 2 – сплав-растворитель, 3 – источник углерода; 4 – тепло-
изоляция реакционного объема; 5 – трубчатый нагревательный элемент; 6, 7 – нагрева-
тельные элементы; 8, 9 – токоподводы
В исследовании также использовали осесимметричную модель ячейки аппарата высо-
кого давления (АВД) типа «тороид» (рис. 1) и расчитали распределение осевых и радиаль-
ных градиентов температуры в реакционном объеме контейнера. Для расчета диффузионно-
го переноса углерода в металле-растворителе решили диффузионную задачу. Для расчета
распределения температуры применяли ранее полученные экспериментально-расчетные
данные [2,3] о свойствах материалов, из которых изготовлены детали контейнера АВД. Ис-
пользуемое программное обеспечение позволяет рассчитывать распределение температуры в
зависимости от количества теплоты, выделяемой на нагревательных элементах. Для учета
влияния переменного тока использовали уравнение Максвелла, описанное для постоянной
частоты 50 Гц (рис.1).
При изменении соотношения удельного сопротивления между верхним 6 и нижним 7
нагревательными элементами, (рис. 1) при длительных выдержках (100 ч и более), общее
распределение температурных полей по всему объему контейнера АВД практически не из-
меняется. Однако согласно расчету наибольшее изменение распределения температуры на-
блюдается в металле-растворителе в процессе роста монокристалла кристалла при увеличе-
РАЗДЕЛ 2. ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ, КОНСТРУКЦИОННЫЕ И ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
НА ОСНОВЕ АЛМАЗА И КУБИЧЕСКОГО НИТРИДА БОРА
181
нии его массы. Кристалл в процессе роста за счет высокой теплопроводности существенно
влияет на перераспределение температуры в реакционном объеме. Распределение темпера-
туры в металле-растворителе в момент, когда масса растущего кристалла составляет один
карат показано на рис. 2. Расчеты выполняли для кристалла кубоктаэдрического габитуса.
Как видно из рис. 2, направление теплового потока в металле-растворителе соответствует
направлению температурного градиента. Наибольшие отклонения теплового потока наблю-
даются вблизи растущего кристалла.
Рис. 2. Схема распределение температуры в металле-растворителе в ячейке АВД типа
«тороид». Схема сборки ячейки по рис. 1
Полученные данные по распределению температурных полей в металле-растворителе
позволили рассчитать распределение в нем углерода (рис. 3).
Рис. 3. Схема распределения углерода в металле-растворителе для заданного распределения
температуры в ячейке АВД типа «тороид»
Как известно, основополагающем процессом, который влияет на качество растущего
кристалла, является диффузия углерода в металле-растворителе. Используемое программное
обеспечение позволяет рассчитывать массоперенос углерода от источника к растущему кри-
сталлу не только по диффузионной модели, но и с учетом влияния эффектов конвекции и
магнитного поля, создаваемого резистивной системой нагревания. Поскольку резистивное
нагревание ячейки производится переменным током, на массоперенос углерода от источника
к растущему кристаллу влияет сила Лоренца (частицы железа и кобальта движутся в элек-
тромагнитном поле). Это влияние изменяется в зависимости от напряженности магнитного
поля, возникающего в результате прохождения переменного электрического тока по рези-
стивной системе ячейки АВД.
Для оценки влияния эффекта Лоренца на массоперенос углерода рассмотрим три слу-
чая создания определенной напряженности магнитного поля при использовании различных
соотношениях электропроводности резистивных элементов 6 и 7 АВД (см. рис. 1). Когда
разница электропроводностей резистивных элементов ячейки АВД достигает 1,92106 Ом-1м-
1 (рис. 4.а), в металле-растворителе образуются два противоположно направленных завихре-
ния движения заряженных частиц. Это приводит к неравномерному распределению углерода
в реакционном объеме вокруг поверхности кристалла и препятствует массопереносу углеро-
Выпуск 12. ПОРОДОРАЗРУШАЮЩИЙ И МЕТАЛООБРАБАТЫВАЮЩИЙ ИНСТРУМЕНТ – ТЕХНИКА
И ТЕХНОЛОГИЯ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ПРИМЕНЕНИЯ
182
да от источника к растущему кристаллу. При увеличении разницы электропроводностей ре-
зистивных элементов в 2 раза, в металле-растворителе наблюдается сильное завихрение за-
ряженных частиц, способствующее плавному равномерному перенесению углерода от ис-
точника к растущему кристаллу.
Рис. 4. Схема распределения концентрации углерода в металле-растворителе с изолиниями
и векторами направленности движения заряженных частиц в электромагнитном поле раз-
ница электропроводности нагревательных элементов задающих градиенты температуры:
а – ∆σ1 = 1,92106 Ом-1м-1; б – ∆σ2 = 3,84106 Ом-1м-1;
в – ∆σ 3 = 7,86106 Ом-1м-1
Когда разница электропроводностей нагревательных элементов ячейки АВД достига-
ет 7,86106 Ом-1м-1, действующие силы Лоренца приводят к появлению сильного завихрения
и перенесению углерода от источника к растущему кристаллу с высокой скоростью. Такой
массоперенос наиболее негативно влияет на процесс выращивания кристаллов, поскольку
при этом скорость роста кристалла превышает критическое значение.
Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:
1. Компьютерное моделирование процесса роста монокристаллов алмаза на затравке в
системах Fe–Co–Zr–C и Fe–Co–Zr–В–C, выполненное с применением пакета программ
«CGSim», позволяет определить распределение температуры, ее осевые и радиальные гради-
енты в зависимости от резистивных и тепловых свойств элементов ростовой ячейки, а так же
учитывать влияние силы Лоренца на массоперенос углерода к растущему кристаллу.
2. Существуют критические значения соотношения электросопротивлений нагрева-
тельных элементов ростовой ячейки определяющих градиенты температур, превышение ко-
торых приводит к образованию в металле-растворителе завихрения потоков перенесения уг-
лерода, обусловленные силой Лоренца и приводящие к негативному процессу избыточного
перенесения углерода к растущему кристаллу.
Литература
1. CGSim, Flow Module Ver. 3.9. Theory Manual, November 2007, Semiconductor Technol-
ogy Research, Inc., 12901 Mill Shed Drive, Richmond, VA, 23112, USA.
2. Будяк А. А. Определение тепловой мощности электрического тока в аппаратах высо-
кого давления методом электроаналогий // Сверхтвердые матер. – 1981. – № 4. – С. 5–
8.
3. Будяк А. А. О приближенном расчете поля температуры в АВД // Сверхтвердые ма-
тер. – 1982. – № 2. – С. 13–16.
Поступила 19.06.09
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-21786 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | XXXX-0065 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T17:03:02Z |
| publishDate | 2009 |
| publisher | Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Чепугов, А.П. Лысаковский, В.В. Серга, М.А. Ивахненко, С.А. Калаев, В.В. Демина, С.Е. 2011-06-17T12:18:56Z 2011-06-17T12:18:56Z 2009 Влияние электромагнитного поля на массоперенос углерода в металле-растворителе при выращивании монокристаллов алмаза методом температурного градиента / А.П. Чепугов, В.В. Лысаковский, М.А. Серга, С.А. Ивахненко, В.В. Калаев, С.Е. Демина // Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения: Сб. науч. тр. — К.: ІНМ ім. В.М. Бакуля НАН України, 2009. — Вип. 12. — С. 179-182. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. XXXX-0065 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/21786 539.89:66.083 In this paper we examined the influence of electromagnetic fields created by resistive elements of the assembly to the temperature fields distribution in the metal-solvent. The AC used to 
 heat leads to a Lorentz force impacting to the motion of carbon particles in the reaction container 
 cell volume. To evaluate influence of theelectromagnetic field to the mass transfer of carbon we 
 considered a few examples of a tension of electromagnetic field creating by using different ratios of 
 electrical resistive elements. A computer simulation of the temperature fields distribution and the carbon mass transfer in the single crystals diamond growth resulted in the identification of optimal ratio of electrical resistance elements ru Інститут надтвердих матеріалів ім. В.М. Бакуля НАН України Породоразрушающий и металлообрабатывающий инструмент – техника и технология его изготовления и применения Инструментальные, конструкционные и функциональные материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора Влияние электромагнитного поля на массоперенос углерода в металле-растворителе при выращивании монокристаллов алмаза методом температурного градиента Article published earlier |
| spellingShingle | Влияние электромагнитного поля на массоперенос углерода в металле-растворителе при выращивании монокристаллов алмаза методом температурного градиента Чепугов, А.П. Лысаковский, В.В. Серга, М.А. Ивахненко, С.А. Калаев, В.В. Демина, С.Е. Инструментальные, конструкционные и функциональные материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора |
| title | Влияние электромагнитного поля на массоперенос углерода в металле-растворителе при выращивании монокристаллов алмаза методом температурного градиента |
| title_full | Влияние электромагнитного поля на массоперенос углерода в металле-растворителе при выращивании монокристаллов алмаза методом температурного градиента |
| title_fullStr | Влияние электромагнитного поля на массоперенос углерода в металле-растворителе при выращивании монокристаллов алмаза методом температурного градиента |
| title_full_unstemmed | Влияние электромагнитного поля на массоперенос углерода в металле-растворителе при выращивании монокристаллов алмаза методом температурного градиента |
| title_short | Влияние электромагнитного поля на массоперенос углерода в металле-растворителе при выращивании монокристаллов алмаза методом температурного градиента |
| title_sort | влияние электромагнитного поля на массоперенос углерода в металле-растворителе при выращивании монокристаллов алмаза методом температурного градиента |
| topic | Инструментальные, конструкционные и функциональные материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора |
| topic_facet | Инструментальные, конструкционные и функциональные материалы на основе алмаза и кубического нитрида бора |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/21786 |
| work_keys_str_mv | AT čepugovap vliânieélektromagnitnogopolânamassoperenosuglerodavmetallerastvoriteleprivyraŝivaniimonokristallovalmazametodomtemperaturnogogradienta AT lysakovskiivv vliânieélektromagnitnogopolânamassoperenosuglerodavmetallerastvoriteleprivyraŝivaniimonokristallovalmazametodomtemperaturnogogradienta AT sergama vliânieélektromagnitnogopolânamassoperenosuglerodavmetallerastvoriteleprivyraŝivaniimonokristallovalmazametodomtemperaturnogogradienta AT ivahnenkosa vliânieélektromagnitnogopolânamassoperenosuglerodavmetallerastvoriteleprivyraŝivaniimonokristallovalmazametodomtemperaturnogogradienta AT kalaevvv vliânieélektromagnitnogopolânamassoperenosuglerodavmetallerastvoriteleprivyraŝivaniimonokristallovalmazametodomtemperaturnogogradienta AT deminase vliânieélektromagnitnogopolânamassoperenosuglerodavmetallerastvoriteleprivyraŝivaniimonokristallovalmazametodomtemperaturnogogradienta |