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掺碳钛宝石晶体定向开裂的机理研究

胡克艳 徐军 唐慧丽 李红军 邹宇琦 苏良碧 陈伟超 张宝辉 杨秋红

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掺碳钛宝石晶体定向开裂的机理研究

胡克艳, 徐军, 唐慧丽, 李红军, 邹宇琦, 苏良碧, 陈伟超, 张宝辉, 杨秋红

Mechanism of directional cracking of Ti,C:sapphire crystal

Hu Ke-Yan, Xu Jun, Tang Hui-Li, Li Hong-Jun, Zou Yu-Qi, Su Liang-Bi, Chen Wei-Chao, Zhang Bao-Hui, Yang Qiu-Hong
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  • 采用下降法生长技术, 沿a向[1120]生长的掺碳钛宝石晶体, 在切割等加工过程中掺碳钛宝石晶体经常发生定向开裂的现象. 本文对掺碳钛宝石晶体的定向开裂特征和机理进行了分析与研究, 发现定向裂纹是在基质氧化铝晶格的(1100)面上发源, 并且沿着[0001]晶向即c轴方向扩展. 采用晶体结构可视化软件(Crystalmaker)模拟得出, 基质氧化铝晶格原子在(1100)面上的原子排列最为稀疏, 并且在(1100)晶面上, 垂直 [0001]晶向相邻原子间距最大, 在应力作用下晶格 (1100) [0001]系统的开裂强度最低. 采用光学显微镜、扫描电镜(SEM)和电子探针等仪器和手段, 发现在开裂的掺碳钛宝石晶体中沉积了不规则的碳包裹物, 降温过程中包裹物的热膨胀失配引起巨大的内应力, 使得裂纹在晶体最薄弱的系统(1100) [0001]面上发源并扩展, 导致晶体的宏观定向开裂. 该研究对优质钛宝石晶体的生长具有重要的理论和现实意义.
    Directional cracking in Ti,C:sapphire crystals grown along [1120] by Vertical Bridgman method often occurs in the cutting and processing process. In this work, we discuss the characteristic and mechanism of directional cracking of Ti,C:sapphire, and find that directional cracking originates from (1100) lattice plane and spreads along [0001] orientation. Through the Crystalmaker Simulation software, we find that atomic arrangement on (1100) lattice plane is the most sparse and adjacent atomic spacing is the largest along vertical [0001] direction, so in the system (1100) [0001] of lattice has a minimum cracking strength. Irregular carbon inclusions in the cracked Ti,C:sapphire are observed with optical microscopy, scanning electron microscopy (SEM), and X-ray diffractometry. These inclusions cause great internal stress in the cooling process due to thermal expansion mismatch and cracking originating from and spreading in the weak system (1100) [0001] of lattice. As a consequence, macroscopic directional cracking is observed in the Ti,C:sapphire. The study has important theoretical and practical significance for growing high-quality Ti,C:sapphire crystal.
    • 基金项目: 上海市科学技术委员会(批准号: 10ZR1434200)和国家自然科学基金(批准号: 61177037)资助的课题.
    • Funds: Project supported by Science and Technology Commission of Shanghai Municipality (Grant No. 10ZR1434200), and the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 61177037).
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出版历程
  • 收稿日期:  2012-03-11
  • 修回日期:  2012-07-08
  • 刊出日期:  2012-12-05

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