有限元法在金刚石合成中的应用进展

王健康 李尚升 宋艳玲 李露 于昆鹏 韩飞 宿太超 胡美华 吴玉敏

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有限元法在金刚石合成中的应用进展

    作者简介: 王健康(1992-),男,硕士研究生,主要从事金刚石大单晶合成研究. E-mail: 527719003@qq.com;
    通讯作者: 李尚升, lishsh@hpu.edu.cn
  • 中图分类号: O521.1; TB34

Progress in the Application of Finite Element Method in Synthetic Diamonds

    Corresponding author: LI Shangsheng, lishsh@hpu.edu.cn ;
  • CLC number: O521.1; TB34

  • 摘要: 金刚石以其优异的性能广泛应用于国防工程、机械加工、电子科技等领域,其需求量也日益增大。有限元法适用于复杂几何结构和物理问题的模拟分析,由此开辟了有限元法应用于金刚石合成和相应设备优化的新途径。阐述了有限元方法在六面顶压机及金刚石合成腔体工艺方面的应用进展。首先,考虑静力、应力强度、应力分布和形变等影响因素,对铰链梁和工作缸进行模拟分析,运用有限元法对顶锤的作用、破坏机理及新型顶锤设计进行探讨;其次,总结有限元法在金刚石腔体内的温度场、压力场、电学场等研究中的应用进展;最后,对有限元法在金刚石合成中的应用前景进行展望。
  • 图 1  铰链梁设计变量[15]

    Figure 1.  Design parameters of hinge beam[15]

    图 2  碳化钨顶锤工程图[27]

    Figure 2.  Engineering drawing for the WC anvil[27]

    图 3  锤面温度分别为150、220和300 ℃的热平衡状态下的顶锤温度分布[32]

    Figure 3.  Temperature distributions on the anvil under thermal equilibrium state when the initial temperatures of the anvil are (a) 150, (b) 220 and (c) 300 ℃, respectively[32]

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出版历程
  • 收稿日期:  2018-05-02
  • 录用日期:  2018-05-28
  • 网络出版日期:  2019-01-17
  • 刊出日期:  2019-02-01

有限元法在金刚石合成中的应用进展

    作者简介:王健康(1992-),男,硕士研究生,主要从事金刚石大单晶合成研究. E-mail: 527719003@qq.com
    通讯作者: 李尚升, lishsh@hpu.edu.cn
  • 河南理工大学材料科学与工程学院,河南 焦作 454000

摘要: 金刚石以其优异的性能广泛应用于国防工程、机械加工、电子科技等领域,其需求量也日益增大。有限元法适用于复杂几何结构和物理问题的模拟分析,由此开辟了有限元法应用于金刚石合成和相应设备优化的新途径。阐述了有限元方法在六面顶压机及金刚石合成腔体工艺方面的应用进展。首先,考虑静力、应力强度、应力分布和形变等影响因素,对铰链梁和工作缸进行模拟分析,运用有限元法对顶锤的作用、破坏机理及新型顶锤设计进行探讨;其次,总结有限元法在金刚石腔体内的温度场、压力场、电学场等研究中的应用进展;最后,对有限元法在金刚石合成中的应用前景进行展望。

English Abstract

  • 金刚石以其优异的性能广泛应用于国防工业、机械加工、电子科技等领域[1-3],然而中高端金刚石的量产技术仍有待完善,相应的生产设备亟待优化。国产六面顶压机是我国独立自主研发的高温高压设备,其操作简单、制备成本低、投资少,为大批量生产金刚石奠定了基础[4-5]。顶锤作为合成金刚石的主要耗材,要求其具有一定的韧性、刚性、耐热性和抗热疲劳能力,同时还要具有高抗压强度、良好的热疲劳性能及抗热冲击性能。因此,需要对顶锤的作用原理、应力破坏机理和倒角结构进行研究和优化。

    有限元法是一种常用的解决复杂几何结构和物理问题的数值计算方法,其基本思想[6]是:将连续的求解域离散为一组单元的组合体,用每个单元内假设的近似函数分片表示求解域上待求的未知场函数,近似函数通常由未知场函数及其导数在单元各节点的数值插值函数表达,从而使一个连续的无限自由度问题变成离散的有限自由度问题。常用的有限元分析软件有ANSYS[7]、Patran/Nastran、Abaqus等。其中,ANSYS的功能强大、操作简单,在国内外有着广泛的应用,适用于复杂物理结构的应力场、温度场、压力场等模拟分析。

    将有限元方法应用于金刚石生产,对于提高设备性能具有重要意义,例如应用有限元分析方法可使顶锤的设计、开发和优化工作更加高效[8]。金刚石是在腔体内生长的,在金刚石生长的“V”形区域内,通过调控温度和压力可获得塔状、板状等类型金刚石,然而合成腔内的温度和压力等无法原位测量,限制了金刚石合成的进一步研究[9]。随着人造金刚石合成工艺的推广以及国内外对中高端金刚石需求量的增大[10-11],迫切需要改进、优化、调控合成金刚石技术及相应设备。将有限元方法运用于金刚石合成中,对金刚石合成工艺优化具有深远意义。本文针对有限元法在金刚石合成设备及工艺中的应用进行论述,据此提出未来研究的方向。

    • 运用有限元法改进和优化六面顶压机时,主要针对压机的两个关键部件:铰链梁和工作缸。通过对这些部件进行建模分析,可以得到其应力分布,则各部位的受力特点一目了然。在研究铰链梁和工作缸时,设计者主要考虑静力、应力、疲劳强度[12-13]、应力分布及形变[14-15]。近年来,国内科研工作者运用有限元法在压机应用上做了大量的研究工作。王良文等[12]对UDS-III型压机进行模拟分析,通过对铰链梁和工作缸的静力、应力-应变以及强度分析,指出密封槽应放置于靠近工作缸的上底面,堵头和铰链梁的刚度和强度应具有一致性。刘竹丽等[13]针对铰链梁受载荷作用时易产生疲劳破坏的问题,通过疲劳强度设计以及铰链梁的有限元分析,对比基于静压强度的铰链梁优化设计下的应力和变形,指出在进行铰链梁优化时考虑抗疲劳强度不仅能减小工作件体积,降低等效应力,提高疲劳安全系数,而且能提高铰链梁的工作寿命。张聪等[14]在考虑销轴的情况下对压机进行建模,指出铰链梁和工作缸上的von Mises应力峰值分别位于凸耳内通孔处和底部圆弧处。汪曙光[15]对压机在实际工作中的应力分布和形变进行建模分析,指出缸底圆弧半径R的尺寸在一定程度上影响底部应力的大小,凸耳宽度H增大、应力减小的同时,其体积将增大,凸耳上两个倒角的尺寸Dd对应力的影响很小,如图1所示。有限元法的应用使六面顶压机的改进摒弃经验化,用科学的方法使压机不断优化,并推动生产力不断发展。在今后的研究中,应更多地考虑压机外部因素(如缸底圆弧、凸角尺寸、铰链梁和工作缸的设计)和内部因素(如各零件的应力和应变等)的影响,使模拟分析更加贴近实际情况,从而不断提升压机性能。

      图  1  铰链梁设计变量[15]

      Figure 1.  Design parameters of hinge beam[15]

    • 顶锤作为六面顶压机的关键部件,其性能的优劣很大程度上决定着金刚石高温高压合成能否正常进行,也决定着批量合成金刚石的经济效益。近年来,科研工作者对顶锤的研究主要从以下3方面开展:顶锤作用机理、顶锤破坏机理、新型顶锤设计。

    • 顶锤作用机理包括钢环侧向支撑和二者过盈配合。牛炜霖[16]在研究对顶锤侧向支撑原理时指出,顶锤工作时由钢环提供侧面支撑,二者过盈配合给顶锤外表面施加径向预紧力,但顶锤所受预紧力的各向异性导致无法对顶锤进行应力分析。韩奇钢[17]运用有限元法对顶锤和钢环的过盈配合进行建模分析,指出过盈配合所产生的预应力非均匀分布在顶锤外圆柱表面,且预应力峰值分布在外圆柱底面;同时,他还分析了侧向支撑原理,指出侧向支撑力的作用是优化内力分布以及提高部件的承受载荷和刚度,不可盲目增加过盈量,并探寻出合理的过盈量为0.10~0.25 mm。与此同时,研究发现,在获得相同压力的情况下,增大侧向支撑面积可以降低油压,延长顶锤的使用寿命,而最优面积为27.96 cm2[18]。运用有限元法分析顶锤的作用机理不仅可以更好地模拟、观察顶锤和钢环的应力分布,而且可以获得合理的过盈量,从而有助于实际操作中顶锤和钢环的安装。在以后的研究中需要不断丰富不同外径尺寸的顶锤和钢环的过盈量,保证顶锤高效、安全地使用。

    • 顶锤的破坏主要取决于其内部材料缺陷及各种应力分布情况。韩奇钢等[19]在考虑钢环预紧力的影响下对压机顶锤进行有限元分析,得到顶锤、钢环、垫块的von Mises应力分布,指出顶锤内部材料和缺陷的屈服造成顶锤面边缘产生裂纹,径向剪切应力使裂纹扩展导致顶锤断裂。他们还利用有限元热力耦合方法,分析了顶锤内部的温度场和热应力分布,研究发现:顶锤内部存在温度梯度,从而产生热剪切应力,使顶锤在41.5°小斜面和46°大斜面处易发生断裂[20]。当顶锤斜边角度在42°~45°之间时,随着角度的增加,压力转化提高,但是到一定程度时顶锤会产生破坏[21]。Adams等[22]研究了顶锤上的应力分布,发现较大的正应力和剪应力位于顶锤的工作面,张应力位于顶锤底部,导致顶锤断裂的最主要张应力位于顶锤圆柱表面。顶锤作为压机核心部件,其特殊的材质和高昂的价格增加了深入研究破坏机理的必要性。利用有限元法对顶锤和钢环等部件进行应力分析可以明确破坏成因及易损角度,从而在新型顶锤设计方面有所改进。在实际应用中,温度对顶锤的影响是不可忽略的,不同温度下顶锤的破坏也可以利用有限元法做进一步研究。

    • 为了提高顶锤的耐用性,研究人员利用有限元法进行了新型顶锤设计。于歌等[23]、韩奇钢等[24]基于有限元法设计了新型圆角式和锥形顶锤,在保证传压效率的同时,可延长顶锤的使用周期,提升腔体极限压力至十几吉帕。Moss等[25]、韩奇钢等[26-27]指出,双斜边顶锤在压力转化和压力极限方面都优于单斜边顶锤,具有升压快、不易断裂的特性,并且最优的碳化钨材质的顶锤斜边长l为13 mm,角度α为41.5°,如图2所示。此外,他们还根据多层压力容器和大支撑理论设计出复合顶锤,相比于传统顶锤,在保证传压效率的同时,大大降低了顶锤的质量、断裂几率和造价[28]。Kondrat等[29-30]采用能量色散衍射技术测量复合铼顶锤的压力分布,压力可达213 GPa,剪应力超过100 GPa,获得了有效的杨氏模量、泊松比、屈服应力等重要参数,为获得超高压顶锤提供了方法依据。基于有限元法的新型顶锤设计主要集中在顶锤的外形和倒角,通过改变参数以获得优质顶锤。

      图  2  碳化钨顶锤工程图[27]

      Figure 2.  Engineering drawing for the WC anvil[27]

    • 合成腔体作为金刚石生长的“孵化器”,其内部工艺条件主要有温度和压力两方面。掌握和调节合成腔体内部的温度和压力分布有助于进一步优化金刚石合成工艺。通过有限元法对合成腔体的温度和压力进行建模分析,可以准确获取腔内的温度和压力分布,配合实验进行验证,对于合成高品质金刚石具有指导意义。

    • 近年来,科研工作者主要对腔体温度分布[31]、温度控制方法等做了大量工作,同时对不同加载条件下的腔体进行了研究。

    • 在温度分布方面:李瑞等[32]对人造板状金刚石合成腔的温度分布进行了有限元分析,结果表明:初始锤温影响腔体温度的热平衡,进而影响金刚石的成核生长;合成腔内温度分布为中心高边缘低,腔内温度分布不均主要归因于边界的热传导,不同温度下热平衡状态的温度分布如图3所示,这与李战厂等[33]获得的用温度梯度法生产宝石级金刚石的腔体温度分布一致。Zhang等[34]进一步指出,合成腔内较大的温度差导致不成核区域形成,高质量六八面晶型金刚石生长在离热源近的区域,即合成块中心。对合成宝石级金刚石大单晶腔体温度场的研究结果表明:合成过程中腔体温度分布不均,高温分布在碳源和触媒周围,低温分布在晶种附近,热量从碳源两侧向晶种附近传递;晶种轴向温度梯度高于径向温度梯度,造成单晶轴向生长尺寸大于径向[9]。对于金刚石合成腔体内的温度分布,相关研究结果基本一致,均指出腔体中心部分的温度最高,轴向和径向的温度不同。深入研究腔体内部的温度分布可以加深对金刚石合成机理的理解。

      图  3  锤面温度分别为150、220和300 ℃的热平衡状态下的顶锤温度分布[32]

      Figure 3.  Temperature distributions on the anvil under thermal equilibrium state when the initial temperatures of the anvil are (a) 150, (b) 220 and (c) 300 ℃, respectively[32]

    • 在温度控制方法方面:卢金斌等[35]对采用间接加热方式合成金刚石大腔体的温度场进行了有限元分析,认为间接加热方式使腔体内部温度分布较均匀,采用间接加热组装结构、非恒功率加热工艺和大腔体的方式可使腔体各部位压力、温度相匹配,为高品质金刚石生长提供了合适的环境;刘衍聪等[36]探讨了合成腔中心温度控制方法,指出固定功率升温时,升温时间效应可用来描述腔体中心温度变化,且在温度稳定阶段进行精确的预测和控制。温度对金刚石的生长至关重要,研究温度的测量、控制及加热方式有助于合成高品质金刚石。

    • 李瑞等[37]对叶蜡石块的压力分布和转化进行了分析,结果表明:叶蜡石块受挤压时会产生形变,承受90%的各向同性压力,而压力梯度是由非均匀应力引起的。同时,他们还对媒介下的叶蜡石进行了分析,发现在3.78 GPa和5.5 GPa下叶蜡石中心存在连续静压力,压力差小于50 MPa,并阐释了媒介的弹性模量等性能是如何影响压机的[38]。此外,他们还测量了5.7 GPa下叶蜡石的弹性参数,分析了叶蜡石块上的压力分布以及温度对压力转化的影响,为寻找新的传压介质材料奠定了理论基础[39]。研究叶蜡石块的压力分布有助于进一步了解金刚石的合成,寻找新的传压介质材料将是今后的研究方向。

    • 除了腔体温度和腔体压力之外,研究人员还利用有限元法对腔体的电学场和扩散场进行了分析。例如:李瑞等[40]运用有限元法模拟了金刚石合成腔体的电流密度分布,发现腔体两端的电流密度最大,电流由边缘向腔体中心轴汇聚;肖宏宇等[41]研究了合成腔体内碳素扩散场,指出扩散场对晶体品质和形貌有影响。研究腔体内的电学场和扩散场有利于进一步理解金刚石成核、析晶机理,从而有助于合成高品质金刚石。丰富金刚石腔体内电学场和扩散场的研究对于促进金刚石合成和腔体优化设计具有指导意义。

    • 全球对人造金刚石的需求量不断增大,有限元方法的应用使压机和金刚石合成不断优化,生产效率不断提高。但是,有限元法在压机和腔体设计中的应用是有条件限制的,为了更好地使模拟贴近实际情况,还应大力发掘可操作条件。对于压机,更多地考虑压机外部因素(如缸底圆弧、凸角尺寸、铰链梁和工作缸的设计)和内部因素(如各零件的应力、应变等)的影响,使模拟分析更加贴近实际,不断提升压机性能。相关研究不仅能预防事故的发生,对人造金刚石合成工艺的推广也将产生较大影响。对于腔体,其温度、压力、对流场等都不可视,要充分结合实验与有限元法,使金刚石合成机理更加明确、可控。有限元法配合计算机技术为金刚石合成及相关设备优化提供了便利条件,如何使金刚石合成技术更加成熟、稳定,仍需要进一步探索。

参考文献 (41)

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