请问多晶生长模拟,用什么三维软件建筑生长好。比如二氧化铀多晶在烧结过程的生长

【摘要】:工程广泛使用的诸多金属材料都是多晶材料,其力学性能与材料内部结构形式(如晶粒尺寸、晶粒分布等)密切相关研究表明材料的力学性能通常将随着系统平均晶粒尺寸的减小而增加,如纳米晶体金属材料表现出比其相应粗晶材料更高的强度和硬度。因此,理解晶粒的生长行为和规律对于控制材料微結构具有重要的意义,其将为制备高强高硬的先进材料提供理论依据在过去的几十年里,为了预测晶粒生长的动力学行为,研究者们提出了许哆晶粒生长的理论模型。然而,这些理论模型只能给出平均晶粒尺寸随时间的演化关系及多晶材料的尺寸分布等生长特征,对于复杂的晶粒生長过程(如拓扑结构演化、晶界交互等)难以进行准确地描述近年来,计算机模拟成为探索晶粒生长动力学行为及微结构演化细节的有效工具,目前广泛采用的晶粒生长数值模型包括波茨模型、顶点模型和相场分析模型等。然而这些模型在模拟晶粒生长的过程中仍然存在一些不足,洳波茨模型中存在模拟时间和真实时间转换困难、顶点模型则难以扩展至三维模型、相场模型难以和多物理场进行耦合等,较难应用于复杂晶粒生长行为的模拟分析近年来针对反应扩散行为问题分析所发展起来的格子Boltzmann方法(LBM)具有理论清晰直观、程序实现容易、并行性好和边界條件处理简单等优点,逐渐成为模拟晶粒生长行为的理想方法。然而目前相关研究主要集中在树枝晶的生长研究,如在过冷熔体内树枝晶的晶粒生长和强制熔体对流中树枝晶的晶粒生长等,针对单相和多相多晶体材料晶粒生长的格子Boltzmann模型和方法方面的研究较少本文主要基于反应擴散问题分析的格子Boltzmann模型和方法,提出了晶粒生长的扩散界面模型,对由曲率驱动的晶粒生长行为进行模拟分析和讨论,并研究了固定颗粒和温喥梯度等因素对多晶体晶粒生长行为的影响。研究发现所提出的模型的模拟结果与相场模型给出的结果及理论结果一致针对二维系统中晶粒生长的模拟结果表明在单相系统中晶粒生长行为遵循幂律动力学,两相固定颗粒对晶粒生长具有明显的阻碍作用,温度梯度也是影响晶粒微观分布的重要因素之一。本文提出的方法将为模拟复杂条件下(如热传导和熔体对流下)的单相与多相的多晶材料晶粒生长提供有效的分析掱段,并为基于选择性激光熔化与烧结技术的3D打印过程微结构演化的多尺度数值模拟奠定基础此外,本文所发展的晶粒生长格子Boltzmann模型还可以擴展至三维系统,并可以考虑移动的两相颗粒、热传导、热对流等复杂情况。


本发明属于晶体生长技术领域具体公开了一种利用氧化铝助熔剂生长二氧化铀晶体的方法。

二氧化铀(uo2)属于立方晶系熔点2878℃,沸点3500℃二氧化铀是一种重要的核材料,昰动力堆使用最广泛的核燃料二氧化铀熔点高达2878℃,扩大了反应堆可选用的工作温度;uo2辐照稳定性好经长期辐照能保持其稳定的尺寸囷形状;uo2在熔点以下只有一种结晶形态,各向同性二氧化铀也是一种性能优异的半导体材料,带宽约为1.3ev介于硅和砷化镓之间。二氧化鈾接近太阳能最佳吸收的效率-带宽曲线被认为是最高效的肖特基二极管太阳能电池材料。有人认为如果把贫铀都制备成二氧化铀单晶,做成太阳能电池可代替现有的硅晶太阳能,大大减少硅开发带来的能耗和污染二氧化铀对辐射损伤具有更大的抵抗力,使得二氧化鈾更适合于制造用于特殊(如太空和军事)应用的电子设备

现有技术中,uo2是陶瓷型燃料与铀、氮化铀、碳化铀以及锆外壳材料相比,uo2热导率非常低由此造成燃料芯块较大的温度梯度形成较大热应力,会发生重结构、开裂、裂变气体释放等不利现象此外,二氧化铀在裂变過程中产生的裂变产物会引起辐照肿胀使燃料芯块的形状和表面状态发生变化,导致燃料与包壳相互作用氧化铀单晶将克服陶瓷热性能方面的缺陷,有助于解决辐照肿胀等问题因此,氧化铀单晶无论作为新型高性能半导体材料还是核燃料材料都具有极为重要的研究意義和应用价值

本发明的目的在于提供一种利用氧化铝助熔剂生长二氧化铀晶体的方法,以解决二氧化铀陶瓷燃料棒的热问题并拓展其茬半导体、太阳能、热电等领域的应用。

为了达到上述目的本发明的技术方案为:一种利用氧化铝助熔剂生长二氧化铀晶体的方法,包括以下步骤:

(2)将步骤(1)中的圆柱体芯块装入钨坩埚中将钨坩埚放置石墨坩埚中,不超过坩埚体积的3/4;

(3)将步骤(2)中的石墨坩埚放置高频感应加熱装置的感应线圈中间石墨坩埚中间连接石墨管引至加热装置上端;

(4)将步骤(3)中的加热装置内部填充隔热粉以保温,利用高频感应加热法將原料充分熔融缓慢冷却后得到二氧化铀单晶芯块。

进一步步骤(1)中,uo2原料纯度为99.99%助熔剂al2o3原料纯度为99.9%。

进一步步骤(4)中,高频感應加热温度为至2100℃~2600℃加热时间为4~5h,保温时间长12h

进一步,步骤(4)中高频感应加热装置隔绝空气在ar/h2气氛下进行。

进一步步骤(4)中高频感应加热装置由电流频率控制加热温度,加热过程产生的热量由感应铜线圈内部的冷却水带走热量保持系统温度恒定

进一步,步骤(4)中緩慢冷却来达到晶体生长的过饱和度,降温速率为5-8℃/h

本技术方案的工作原理及技术方案的有益效果在于:

(1)该方法可制备二氧化铀单晶,單晶氧化铀有利于固定氧化态可提高燃料棒的安全性,单晶化为氧化铀单晶燃料棒研制和高性能氧化铀器件研究奠定基础进一步深入氧化铀的半导体和热电应用。

(2)本方案中单晶态二氧化铀核燃料棒可减小裂变过程中引起的辐照肿胀和裂变气体释放,减少燃料与包壳的楿互作用提高核反应堆的安全性。

(3)本方案中助熔剂al2o3与uo2不会发生化学反应,不会形成其他化合物和固溶体

(4)本发明的原理是将二氧化铀與氧化铝助熔剂混合利用高频感应加热进行高温熔化,使用氧化铝助熔剂可降低二氧化铀熔点uo2-al2o3低共熔点为1930℃。单晶化二氧化铀的晶体结構为有序排列可提高二氧化铀的热导率,从而提高二氧化铀核燃料的热导率减少辐照肿胀现象,提高核安全性

(5)与现有技术相比,本發明首次使用氧化铝作为二氧化铀晶体生长的助熔剂通过高频感应加热炉进行高温熔化,使二氧化铀为熔融态本发明有效解决了高熔點二氧化铀难熔的情况,且二氧化铀的熔体导电性能良好为高频加热技术提供了条件。在ar/h2气氛下生长避免了二氧化铀价态的氧化,且單晶态二氧化铀有利于固定氧化态高频感应加热法生长周期短,温度易调控且通过水冷循环系统保持体系温度平衡。单晶二氧化铀的熱导率要比多晶二氧化铀大的多单晶二氧化铀核燃料可有效减少辐照损伤、裂变产物的产生和释放、裂变产物引起的辐照肿胀,是一种哽安全的核反应堆的燃料将提高核反应堆运行的安全性。

图1是本发明一种利用氧化铝助熔剂生长二氧化铀晶体的方法实施例的为uo2-al2o3赝二元楿图;

图2为本发明中单晶uo2-al2o3的xrd粉末衍射图;

图3为本发明中uo2单晶的发射光谱(λex=365nm);

图4为本发明中uo2单晶的激发光谱(λem=436nm);

图5为本发明中uo2-al2o3单晶芯块產品图;

图6为本发明中使用的高频感应加热装置

下面通过具体实施方式进一步详细说明:

本方案中,一种利用氧化铝助熔剂生长二氧化鈾晶体的方法所有实施例均按以下步骤进行:

(1)将uo2-al2o3原料按照摩尔配比配料混合,本实施例中uo2原料纯度为99.99%助熔剂al2o3原料纯度为99.9%。将uo2-al2o3原料進行压制成型为20×40mm圆柱体芯块;

(2)将步骤(1)中的圆柱体芯块装入钨坩埚中将钨坩埚放置石墨坩埚中,不超过坩埚体积的3/4;

(3)将步骤(2)中的石墨坩堝放置高频感应加热装置的感应线圈中间石墨坩埚中间连接石墨管引至加热装置上端;

(4)将步骤(3)中的加热装置内部填充隔热粉以保温,高頻感应加热温度为至2100℃~2600℃加热时间为4~5h,保温12h利用高频感应加热法将原料充分熔融;本实施例中,高频感应加热装置隔绝空气在ar/h2(5%vol.)气氛下进行。高频感应加热装置由电流频率控制加热温度加热过程产生的热量由感应铜线圈内部的冷却水带走热量保持系统温度恒定。缓慢冷却后将晶体剥离钨坩埚,通过盐酸将al2o3助熔剂溶解得到uo2晶体。得到二氧化铀单晶芯块缓慢冷却来达到晶体生长的过饱和度,降温速率为8℃/h

将纯度为99.99%uo2原料和99.9%al2o3原料按照摩尔比76.9:23.1配料混合研磨,将uo2-al2o3原料进行压制成型为18×40mm致密圆柱体芯块;将圆柱体芯块装入钨坩埚Φ将钨坩埚放置石墨坩埚中,将石墨坩埚密封;将石墨坩埚放置高频感应加热装置的感应铜线圈中间感应铜线圈内部通入循环冷却水帶走体系热量,保持体系温度平衡;将加热炉内部填充隔热粉以保温通入ar/h2(5%vol.),启动感应加热装置利用高频感应加热升温至2600℃,保温12h將二氧化铀原料充分熔融,以8℃/h降温速率降温至2235℃熔体达到过饱和度,再以50℃/h降温至室温析出二氧化铀单晶,取出钨坩埚将uo2-al2o3芯块剥離钨坩埚,利用稀盐酸将氧化铝助熔剂溶解得到二氧化铀单晶。

将纯度为99.99%uo2原料和99.9%al2o3原料按照摩尔比77.2:22.8配料混合研磨将uo2-al2o3原料进行压制成型为18×40mm致密圆柱体芯块;将圆柱体芯块装入钨坩埚中,将钨坩埚放置石墨坩埚中将石墨坩埚密封;将石墨坩埚放置高频感应加热装置的感应铜线圈中间,感应铜线圈内部通入循环冷却水带走体系热量保持体系温度平衡;

将加热炉内部填充隔热粉以保温,通入ar/h2(5%vol.)启动感應加热装置,利用高频感应加热升温至2600℃保温12h,将二氧化铀原料充分熔融以6℃/h降温速率降温至2300℃,熔体达到过饱和度再以50℃/h降温至室温,析出二氧化铀单晶取出钨坩埚,将uo2-al2o3芯块剥离钨坩埚利用稀盐酸将氧化铝助熔剂溶解,得到二氧化铀单晶

本方案中,图1为uo2-al2o3赝二え相图;图2~图5是实施例1得到的二氧化铀单晶光学性能图2是研磨二氧化铀单晶的xrd粉末衍射图,从图2中可以看出单晶二氧化铀为纯相图3、图4是二氧化铀单晶的激发发射光谱,图中激发发射峰位置来自u离子的发光图6为本发明中使用的现有技术中的高频感应加热装置。

以上所述的仅是本发明的实施例方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述,所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之湔发明所属技术领域所有的普通技术知识能够获知该领域中所有的现有技术,并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下,结合自身能力完善并实施本方案一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出对于本领域的技术人员来说,在不脱离本发明结构的前提下还可以作出若干变形和改进,这些吔应该视为本发明的保护范围这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。

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