中文摘要：

蓝宝石单晶体具有高熔点、高硬度、高化学稳定性，以及优异的光学、机械和电学特性，广泛应用于工业、国防、军事、科研等高端领域。本项目从工程热物理学科角度出发，采用基于多区域可调节网格的曲线有限体积法，对蓝宝石晶体的生长过程进行精确的数值模拟，并对晶体缺陷形成的机理和控制方法作深入的研究，目的是理解并优化蓝宝石晶体生长过程，为生长高质量的大尺度单晶体提供可靠的理论依据和指导。本项目的工作解决若干关键科学问题其一是晶体内部热辐射，蓝宝石是一种半透明的材料，必须建立复杂的数学模型，才能精确的模拟晶体内部热辐射；其二是大尺度晶体生长过程的湍流流动；其三是晶体/熔液凝固界面的确定，以及流体流动、晶体内部热辐射等对其的影响；其四是晶体缺陷形成的微观机理和宏观生长参数的联系。数值模拟结果将通过实验等多方面验证，保证模型和程序的准确性和可靠性。本项目工作处于国际前沿，具有重要的理论意义和实际应用价值。

结论摘要：

蓝宝石晶体由于其高熔点、高硬度、高化学稳定性，以及优异的光学、机械和电学特性，被广泛应用于工业、国防、科研等高端领域。近年来，作为在氮化镓MOCVD制备过程中性价比最优的衬底材料，蓝宝石产业得到迅猛发展。本项目结合工程热物理和材料科学的知识，对大尺寸蓝宝石晶体的生长过程进行研究和优化。主要研究内容包括晶体生长系统模型和程序的发展、晶体生长炉热场的设计和优化、晶体缺陷形成机理的分析三个方面。研究成果包括（1）完善和发展了一套基于非正交曲线有限体积法的程序，能够耦合传热和流动等输运现象，对稳态生长过程中生长界面的位置和形状进行较精确的预测，并通过实验对模拟结果进行了定性和定量上的多方位验证；（2）蓝宝石晶体生长炉最高温可达到2300摄氏度以上，为了更精确的研究热场设计的合理性，除了需要考虑热传导、对流换热、表面热辐射之外，还应用DO模型考虑了蓝宝石内部的热辐射。研究表明，考虑了晶体内部辐射之后，凝固界面变得更加凸向熔液；（3）除了考虑层流模式自然对流、晶体转动的强迫对流、熔液表面由于表面张力随温度变化导致的Marangoni流动之外，还对晶体生长炉内湍流流动结合炉腔的设计，进行了深入的讨论。研究表明，大尺度生长炉内湍流流动较为明显，流动特征为低雷诺数湍流，炉腔内热场均匀性可以通过改变炉腔侧壁倾斜度提高；（4）在确定凝固界面的时候，针对二维和三维情况，对凝固潜热项做了不同的处理，同时考虑了流体流动、晶体内部热辐射等对其的影响；（5）求解了蓝宝石类晶体结构的热应力，并对生长条件、热场设计等影响进行了深入的研究。采用von Mises应力作为判据，预测晶体内部位错的生成和增殖区域，使得晶体缺陷形成的微观机理和宏观生长参数之间的联系更为明晰，方便了后续的分析和优化；（6）对包裹体等传质相关的晶体缺陷进行了定性的探索，建立了晶体内部辐射与包裹体缺陷形成位置之间的关系；研究表明，包裹体缺陷的类型通过改变晶体内部辐射影响到凝固界面的形状；（7）对蓝宝石生长过程进行了优化，为生长高质量的大尺度单晶体提供了可靠的理论依据和指导，帮助蓝宝石生产公司提高了产品的成品率和质量。本项目在理论上促进了晶体生长方面的基础研究，指导了相关领域的无机功能晶体材料的生长，同时对工程热物理学科的应用和发展也起到了积极的促进作用，使传统学科和新兴学科结合，开创了崭新的研究领域。