关于Al2O3–YAG二元系统和Al2O3–YAG–ZrO2三元共晶陶瓷棒的实验与数值研究，探讨了在不同微压差（μ-PD）生长阶段下的材料特性

《Journal of Alloys and Compounds》：Experimental and numerical study on Al2O3–YAG binary and Al2O3–YAG–ZrO2 ternary eutectic ceramic rods at different μ-PD growth stages

Al?O?–YAG二元和Al?O?–YAG–ZrO?三元共晶陶瓷棒通过微拉丝技术成功生长，结合实验与有限元模拟揭示了凝固行为。两系统均经历初始阶段（直径>3mm）、稳态阶段（直径匹配毛细管）和终末阶段（直径波动加剧，尤其三元系统因低熔体粘度、高热梯度导致稳定性下降）。熔体高度降低至 crucible 雉形区时生长稳定性恶化，直径振荡经后处理验证。

　　

Faiza Mokhtari|Peng Chen|Abdeldjelil Nehari|Yannick Guyot|Xiaodong Xu|Kheirreddine Lebbou

法国里昂第一大学Lumière Matière研究所，UMR5306 CNRS，69622 Villeurbanne，Cedex

摘要

利用微拉下（μ-PD）技术成功制备了Al?O?–YAG二元（BE）和Al?O?–YAG–ZrO?三元（TE）共晶陶瓷棒。本研究将实验观察结果与有限元模拟相结合，阐明了这两种共晶系统在整个生长过程中的凝固行为。数值建模基于精确的炉膛几何形状，考虑了液滴高度、棒材直径和长度的变化，以及输入功率、初始粉末质量和拉拔速率等关键工艺参数。两种系统的拉拔速率均为0.3 mm·min?1，电磁功率分别为BE的35%和TE的29%。两种共晶材料都经历了三个不同的生长阶段：初始阶段时，棒材直径超过毛细模具直径（在TE系统中更为明显）；第二阶段为稳态生长，此时棒材直径与模具尺寸一致；最后阶段直径减小并出现显著波动，尤其是TE材料，这归因于其较低的熔体粘度、较大的液滴高度和较高的温度梯度。随着熔体高度的降低，特别是在到达坩埚锥形区域时，生长稳定性下降，导致直径出现振荡，这一现象通过生长后的棒材测量得到验证。

引言

氧化物共晶陶瓷，如Al?O?–YAG二元共晶（BE）和Al?O?–YAG–ZrO?三元共晶（TE），因其优异的高温热机械性能和光学性能而受到广泛关注[1],[2],[3],[4],[5],[6],[7],[8],[9],[10],[11]。这些材料具有独特的自组织微观结构，使其适用于高温结构部件、光学系统和激光技术等苛刻的应用场景。BE系统以其热稳定性和光学透明度著称，适用于光学窗口和闪烁体应用[5],[6],[7],[8],[9]；而TE系统则具有复杂的完全嵌入式微观结构，提高了断裂韧性和抗氧化性，使其能够在接近熔点（约2020 K）的环境中使用[1],[2],[3],[4],[5]。

微拉下（μ-PD）技术由Fukuda和Yoshikawa在20世纪90年代首创，是一种多功能且经济高效的方法，可用于生长单晶纤维、共晶棒材及其他具有精确尺寸控制的晶体材料[12],[13],[14],[15],[16],[17],[18],[19],[20],[21],[22],[23],[24],[25],[26],[27]。与传统方法（如Czochralski或Bridgman技术）相比，μ-PD技术的特点是使用小熔体体积和毛细模具直接生长晶体，从而能够制备出方形、圆形、板状等定制横截面的晶体。Lumière Matière研究所（ILM）的晶体生长团队在K. Lebbou的领导下对μ-PD技术做出了重要贡献[28],[29],[30],[31],[32],[33],[34],[35],[36],[37],[38],[39],[40],[41],[42],[43],[44],[45],[46]，特别是在掺杂不同元素的BE和TE共晶材料的控制生长和先进表征方面[1],[2],[3],[4],[5]。通过系统地研究凝固参数，他们的研究揭示了拉拔速率如何直接影响相形态、层状间距和界面稳定性：较高的拉拔速率虽然能形成更细腻的微观结构，但也增加了形态不稳定性、孔洞形成和微裂纹的风险。此外，种子晶体的取向对共晶相的排列和周期性也有决定性影响[2],[3],[4]，有利的晶体学取向可以降低位错密度，促进高度有序的层状或纤维状结构的形成。除了这些参数外，他们还研究了掺杂剂如何改变溶质重新分布和界面动力学，从而调控相对比度、光学透明度和缺陷容忍度。这些发现加深了人们对BE和TE共晶材料微观结构演变的理解，并为制备具有优化光学和机械性能的材料提供了设计策略，尤其适用于光子学和闪烁体应用。

与丰富的实验文献相比，关于μ-PD方法的数值研究仍然有限，尤其是针对共晶系统的研究。早期的建模工作[19]仅分析了Ge–Si纤维中的对流驱动溶质传输，且仅限于熔体区域。后续研究[47],[48]通过参数化和动态分析扩展了这些模型，研究了蓝宝石熔融区内的热效应和毛细效应以及工艺敏感性。进一步的发展[49]实现了蓝宝石纤维生长的全局模拟，捕捉了炉膛尺度的温度分布，并揭示了观察窗口对热场的影响。后续研究[50],[51]转向了掺杂剂传输和分离现象，研究了Ce:YAG纤维中的径向掺杂剂分布以及钛在蓝宝石纤维中的分离行为。最近的研究[52]探讨了μ-PD生长过程中的界面现象（如脱湿现象），表明数值建模方法的复杂性不断增加。这些努力展示了数值建模从局部热分析向综合多物理场模拟的演变，证明了其在优化晶体质量和可扩展性方面的预测作用。然而，大多数现有模型仍依赖于简化假设，限制了它们捕捉实验条件与生长动态之间复杂相互作用的能力，尤其是在共晶生长过程中。最近的一项结合实验和数值的研究[53]开发并验证了一个全局有限元模型，系统地研究了μ-PD法生长蓝宝石棒材时气泡的行为，考察了拉拔速率、液滴高度和棒材直径对气泡形成和演变的影响，结果与实验结果高度吻合。

本研究结合了BE和TE共晶棒材生长的实验分析和有限元模拟。我们研究了液滴形状和高度的变化、共晶棒材直径的变化、共晶-熔体界面的演变、熔体中的温度场和速度场、熔融区以及不同生长阶段的生长稳定性。模拟结果明确考虑了炉膛尺寸、液滴几何形状、棒材尺寸以及拉拔速率和电磁功率等关键生长参数，从而实现了与实验结果的直接关联。这种综合方法为炉膛优化、缺陷抑制和稳定性控制提供了新的见解，推动了高性能共晶材料在高温应用中的发展。

实验技术

BE和TE棒材是通过μ-PD技术制备的。BE共晶材料由高纯度（99.99%）的Al?O?和Y?O?粉末合成。起始材料在高精度天平上精确称量至摩尔比80:20（Al?O?:Y?O?），然后充分混合。

对于TE材料，使用了预烧结的板材，其组成为65% Al?O?、16% Y?O?和19% ZrO?。装入坩埚的原材料初始质量约为5克。图1展示了μ-PD技术的示意图。

准稳态（QSS）假设

准稳态（QSS）假设通过忽略控制方程中的瞬态项，为简化晶体生长过程的建模提供了一个稳健的框架，前提是传输时间尺度远小于生长演变的时间尺度。从物理上讲，该假设意味着熔体中的热场和流场能够快速达到相对于晶体-熔体界面缓慢移动的稳态配置。

结果与讨论

研究了使用μ-PD方法生长的BE和TE棒材的D?变化。如图3所示，两种材料的D?均随时间减小，但TE材料的波动更为明显：从初始的3.54毫米减小到生长结束时的2.28毫米，而BE材料从3.10毫米减小到2.53毫米。这些结果反映了μ-PD生长过程对熔体液滴稳定性、毛细效应、熔体和棒材性质以及温度梯度的敏感性。

结论

本研究结合实验和数值模拟，研究了二元（BE）和三元（TE）系统中共晶陶瓷棒的μ-PD生长过程。TE共晶材料对种子晶体与模具的匹配度、润湿性差以及熔体深度非常敏感，导致液滴变形明显、热毛细对流增强以及直径波动显著。相比之下，BE系统由于熔体粘度较高、热毛细流动较弱以及液滴高度较低，因此具有更好的生长稳定性。

作者贡献声明

Abdeldjelil Nehari：实验研究。LEBBO Kheirreddine：撰写、审稿与编辑、项目监督、实验研究。Faiza Mokhtari：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、方法论研究。Peng Chen：实验研究。Xiaodong Xu：实验研究。Yannick Guyot：实验研究。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究在Idemo项目（SEPO450）和FEDER（SaphirTEC）项目的支持下完成。作者感谢Auvergne Rhone Alpe地区的帮助和支持，同时也感谢CNRS（ScintLab）、ANR、Labcom项目（SaphirLab）和中国国家留学基金委员会（CSC）的支持与协助。