定向凝固過(guò)程中固有磁場(chǎng)作用下的導(dǎo)電硅熔體流動(dòng)特性

定向凝固法廣泛應(yīng)用于晶體生長(zhǎng)和材料冶煉過(guò)程。例如,光伏行業(yè)大規(guī)模需求的硅晶體

、半導(dǎo)體行業(yè)常用的晶體材料

、鋼鐵行業(yè)急需的高品質(zhì)鋼材

、航空發(fā)動(dòng)機(jī)的鎳基高溫合金部件材料

等均可通過(guò)定向凝固法獲得。從工程熱物理專(zhuān)業(yè)角度來(lái)看,定向凝固是一個(gè)包含固體導(dǎo)熱、熔體/氣體對(duì)流、高溫輻射、固液相變等多種傳熱流動(dòng)現(xiàn)象強(qiáng)烈耦合的復(fù)雜過(guò)程

。定向凝固過(guò)程中熔體的流動(dòng)直接影響溫度分布、凝固界面形狀、雜質(zhì)輸運(yùn)、甚至缺陷的形成

。因此,有必要對(duì)該過(guò)程中熔體的流動(dòng)特性開(kāi)展深入研究并實(shí)行有效控制。熱場(chǎng)設(shè)計(jì)是改善定向凝固過(guò)程中溫度與熱浮力分布,進(jìn)而影響熔體流動(dòng)的傳統(tǒng)方式

。然而,單一的熱場(chǎng)設(shè)計(jì)作用有限,無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)熔體流動(dòng)的主動(dòng)與精確控制,這就需要尋找新的調(diào)控方法。

定向凝固法生長(zhǎng)晶體或冶煉材料過(guò)程中,熔體大多具有導(dǎo)電性,這意味著可以采用外加磁場(chǎng)并通過(guò)感應(yīng)生成的洛倫茲力主動(dòng)控制導(dǎo)電熔體的流動(dòng)。常用的外加磁場(chǎng)有靜態(tài)磁場(chǎng)和動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)

,這些磁場(chǎng)由特制的裝置產(chǎn)生,已被證明能夠有效控制熔體流動(dòng)并影響定向凝固過(guò)程

。除了外加磁場(chǎng),還有一類(lèi)磁場(chǎng)是固有存在的并且對(duì)熔體流動(dòng)具有潛在影響,這就是加熱器生成的固有磁場(chǎng),即在加熱器中接入交變電流提供加熱功率的同時(shí),基于電磁感應(yīng)在導(dǎo)電熔體中生成磁場(chǎng)和洛倫茲力,進(jìn)而影響熔體流動(dòng)。這類(lèi)磁場(chǎng)通常不是專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的,但是卻是固有存在的,如果能夠?qū)ζ溥M(jìn)行特別設(shè)計(jì)并有效應(yīng)用,將克服傳統(tǒng)外加磁場(chǎng)裝置龐大、制作復(fù)雜與運(yùn)行成本高昂等缺點(diǎn)?！?br>