Моделирование и оптимизация процесса производства поликристаллических оптических материалов на основе селенида цинка тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.17.08, кандидат технических наук Гредитов, Андрей Валерьевич

• Гредитов, Андрей Валерьевич
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Гредитов, Андрей Валерьевич

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ РАЗРАБОТКИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ОПТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ СЕЛЕНИДА ЦИНКА.

1.1. Описание технологического процесса.

1.2. Анализ производства поликристаллических оптических материалов на основе селенида цинка.

1.3. Литературный обзор по вопросу разработки математического описания и оптимизации процесса производства поликристаллических оптических материалов на основе селенида цинка. - 26 Выводы к ГЛАВЕ 1 и постановка задачи исследования.

2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ОПТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ СЕЛЕНИДА ЦИНКА МЕТОДОМ ВАКУУМНОГО ПАРОФАЗНОГО ОСАЖДЕНИЯ.

2.1. Входные и выходные переменные технологического процесса.

2.2. Основные допущения.

2.3. Постановка задачи математического моделирования технологического процесса производства поликристаллических оптических материалов на основе селенида цинка.

2.4. Математическое описание процесса производства поликристаллических оптических материалов на основе селенида цинка РУБ-методом.

2.4.1. Теплоперенос излучением.

2.4.2. Теплоперенос в реакторе.

2.4.3. Массоперенос в реакторе.

2.4.4. Оптические характеристики материала. - 59 2.5. Алгоритм решения уравнений математического описания. - 63 Выводы к ГЛАВЕ 2.

3. ИДЕНТИФИКАЦИЯ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ПРОЦЕССА ПРОИЗВОДСТВА ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ОПТИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ СЕЛЕНИДА ЦИНКА И ИССЛЕДОВАНИЕ АДЕКВАТНОСТИ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ РЕАЛЬНОМУ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМУ ПРОЦЕССУ.

3.1. Идентификация математической модели.

3.1.1. Постановка задачи идентификации.

3.1.2. Определение теплофизических и термодинамических характеристик для процесса тепломассопе-реноса и расчета оптических характеристик селенида цинка.

3.1.2.1. Определение степени неполноты излучения материала стенок реактора.

3.1.2.2. Определение коэффициента теплопроводности материала стенок реактора.

3.1.2.3. Определение термодинамических свойств компонентов парогазовой смеси.

3.1.2.4. Определение коэффициента теплопроводности парогазовой смеси.

3.1.2.5. Определение эффективных значений теплоемкости компонентов парогазовой смеси.

3.1.2.6. Определение парциального давления парогазовой смеси для расчета коэффициента поглощения селенида цинка. 3.2. Исследование адекватности математической модели реальному технологическому процессу.

3.2.1. Исследование теплопереноса в реакторе.

3.2.2. Исследование процесса массопереноса. Выводы к ГЛАВЕ 3.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПО МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ И ОПТИМИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВА ПОЛИКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ ОПТИЧЕСКИХ МА ТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ СЕЛЕНИДА ЦИНКА.

4.1. Исследование технологического процесса производства поликристаллических оптических материалов на основе селенида цинка РУБ-методом по математической модели.

4.2. Оптимизация процесса производства поликристалли ческих оптических материалов на основе селенида цинка.

4.2.1. Постановка задачи оптимизации.

4.2.2. Алгоритм решения оптимизационной задачи.

4.2.3. Результаты решения оптимизационной задачи.

4.2.4. Структура системы оптимального управления статическим режимом.

Выводы к ГЛАВЕ 4.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование и оптимизация процесса производства поликристаллических оптических материалов на основе селенида цинка»

Разработка новых промышленных и информационных технологий ставит задачу получения новых материалов, которые позволят максимально эффективно применять такие технологии.

Практическое использование поликристаллических материалов, в частности в оптике лазеров для инфракрасного (ИК) диапазона излучения, доказало их преимущество перед монокристаллами. Поликристаллические изделия значительно превосходят их по механической, эрозионной и термической стойкости.

Кроме того, время, затрачиваемое на производство поликристаллических заготовок, существенно меньше времени роста монокристаллов при получении поликристаллического материала значительно больших габаритов, что в итоге связано с экономичностью способов получения, меньшим содержанием внутризеренных дефектов, таких как дислокации в области упругих напряжений.

Методы газофазного осаждения обеспечили успех в создании поликристаллических покрытий и изделий из самых разнообразных материалов, в том числе из тугоплавких металлов, карбидов, нитридов, оксидов, фторидов и халькогенидов. С применением этих методов были получены халькогениды цинка (в частности, селенид цинка) и кадмия (теллурид кадмия) с оптическими и прочностными характеристиками, близкими к теоретическим величинам.

Селенид цинка является широкоспектральным оптическим материалом и используется в качестве элементов конструкционной оптики, в особенности для лазеров ИК-диапазона.

Таким образом, сфера применения селенида цинка с ускорением научно-технического прогресса расширяется, что, в свою очередь, вызывает необходимость в увеличении объемов его производства, улучшении качества материалов, снижении себестоимости готового продукта.

Сказанное выше определяет актуальность и необходимость постановки и решения задач оптимизации процесса производства поликристаллического селенида цинка.

Процесс производства поликристаллического селенида цинка относится к классу сложных химико-технологических процессов. Технологические и конструктивные особенности его организации и протекания (высокие температуры, сильное разрежение, фазовые превращения и массоперенос парогазовой смеси) не позволяют применять в условиях промышленного производства необоснованные технологические режимы. Используемые в настоящее время режимы не обеспечивают высокого выхода конечного продукта при удовлетворении требований к его качеству.

В связи с этим целью настоящей работы является минимизация цикла осаждения заготовки поликристаллического селенида цинка при удовлетворении требований по качеству продукта путем отыскания оптимальных значений входных (управляющих) переменных технологического процесса.

Достижение поставленной цели обеспечивается решением следующих задач:

- разработкой математического описания процесса производства поликристаллического селенида цинка;

- разработкой и реализацией алгоритма решения уравнений математического описания;

- проведением исследования процесса производства поликристаллического селенида цинка как объекта управления;

- постановкой и решением задачи оптимизации процесса производства поликристаллического селенида цинка.

Достоверность основных научных положений, выводов и рекомендаций подтверждена и обоснована с помощью методов системного анализа. Для получения достоверного результата в исследованиях был применен метод математического моделирования.

Научные результаты диссертации получили практическое подтверждение в ходе численных исследований на разработанной математической модели технологического процесса.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработано математическое описание процесса производства поликристаллического селенида цинка, адекватно отражающее теплотехнические особенности процесса и оптические характеристики продукта и пригодная для решения задач исследования и оптимизации;

- предложен метод расчета тепловых потоков на внешней поверхности реактора при теплопереносе излучением от теплового источника к реактору в вакууме;

- поставлена и решена задача оптимизации процесса производства поликристаллического селенида цинка, обеспечивающая минимизацию цикла осаждения (увеличение производительности) при удовлетворительных оптических характеристиках селенида цинка.

Практическая ценность работы заключается в следующем.

Предложенный подход расчета тепловых потоков на внешней поверхности реактора и разработанные программы позволят использовать расчетные данные для построения системы управления технологическим процессом.

Исследованы статические характеристики изучаемого процесса, результаты исследования оформлены в виде рекомендаций обслуживающему персоналу.

Алгоритмическое и программное обеспечение достаточно универсально и может использоваться для исследования различных конструкций установки для получения поликристаллического селенида цинка РУБ- методом.

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, списка литературы и приложений.

Заключение диссертации по теме «Процессы и аппараты химической технологии», Гредитов, Андрей Валерьевич

8. Результаты работы используются в ФГУП «ТамбовНИХИ».

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Гредитов, Андрей Валерьевич, 2000 год

1. Амосов В. И., Давыдов А. А. Перспективы использования кристаллов селенида цинка. М.: Электронная пр-ть, 1985. 120 с.

2. Аксеновских А .Я., Брызгалов А.Н., Мусатов В.В. и др. Структура и оптические свойства поликристаллического селенида цинка.// Неорганические материалы, 1991. Т.27. с. 1176.

3. Андрианов Л.К., Афанасьев И.И., Демиденко A.A. и др. Свойства фотоупругости поликристаллического селенида цинка.// ОМП, 1990. Т. 10. с. 36.

4. Белянко А.Е., Гаврищук Е.М., Даданов А.Ю. и др. Оптические свойства высокочистого селенида цинка.// Высокочистые вещества, 1989. №5. с. 43.

5. Петровский Г.Т., Бороздин С.Н., Демиденко A.B. и др. Оптические кристаллы и поликристаллы.// Оптический журнал, 1993. Т. 11. с. 77.

6. Карлов Н.В., Сисакян Е.В. Оптические материалы для СОг-лазеров.// Изв. АН СССР: серия физическая, 1980. Т. 8. с. 1631.

7. Петровский Г.Т., Борисов Б.А., Миронов И.А. и др. Оптические элементы из поликристаллического селенида цинка для технологических СОг-лазеров.// Квантовая электроника. Приложение, 1990. Т. 3. с. 50.

8. Тонкие поликристаллические и аморфные пленки: Физика и применения/ под ред. Л.М. Казмерски. М.: Мир. 1983. 304 с.

9. Владыко М.Н., Дерновский В.И., Татарченко В.А. Поликристаллический селенид цинка.// Неорганические материалы. 1986. Т. 22. № 2. с. 208.

10. Infrared optical materials and fibers 4: Proc. of the conf., 22-24 Jan. 1986 Los Angeles, Calif. Paul Klocek, chairman/ed. Bellingham (Wash.): SPIE-Intern. soc. for optical engineering. - 1986. -213 c.

11. Бубнов Ю. 3., Филаретов Г. А. и др. Вакуумное нанесение пленок в квазизамкнутом объеме. М.: Наука, 1975. 160 с.

12. Шоу Д., Калдис Е.// Сб. Рост кристаллов / Под ред. К. Гузмана. М.: Мир, 1970. Т. 1. с. 115.

13. Селенид цинка: Получение и оптические свойства. М.: Наука. 1992. 92 с.

14. Валов Ю.А. Способы осаждения селенида цинка из пара: Обзор № 3099. М.: ЦНИИ информации. 1982. 60 с.

15. С. И. Купцов, А. С. Соловьев, В. Г. Васильченко и др. Исследование радиационной стойкости новых неорганических оптических материалов Протвино: ИФВЭ. 1994. 14 с.

16. Савушкин В.Н., Волынская С.М., Демиденко A.A. и др. Прочностные и упругие свойства поликристаллического селенида цинка.// Оптический журнал. 1992. № U.c. 22.

17. Касьян В. А. и др.// Сб. Проблемы физики соединений А2В6. Т. 1.С.31.

18. Савченко И. Г., Фадеев А. В.// Сб. Всесоюз. совещания по росту кристаллов. 1979. Т. 2. с. 175.

19. Данилейко Ю. К. Статистические закономерности лазерного разрушения оптических материалов с дефектами. 1989. 24 с.

20. Физика и химия оптических поверхностей: Сб. науч. тр. М-во высш. и сред. спец. образования СССР Редкол.: А. А. Тищенко (отв. ред.) и др. 1986. 158 с.

21. Musikant S. Optical materials. New York: Dekker. - Basel. -1985.-257 c.

22. Владыко М.Н., Колчин A.A., Татарченко В.А. и др. Исследование структуры и механических свойств высокочистого поликристаллического селенида цинка.// Высокочистые вещества. 1988. № 2. с. 217.

23. Laser damage in Optical materials. Bristol: Hilger. - Boston. -1986.- 131 c.

24. Кулаков М.П., Гринев B.H. Поглощение в селениде цинка, легированном алюминием.// Неорганические материалы 1980. Т. 16. № 2. с. 223.

25. Артамонов В.В., Валах М.Я., Лисица М.П. Особенности локализованных колебаний примеси магния в ZnSe.// ФТТ. 1976. Т. 18. № 3. с. 783.

26. Кулаков М.П., Фадеев A.B., Стельмах В.Г. Инфракрасное поглощение в селениде цинка с примесью меди.// Неорганические материалы. 1980. Т. 16. № 6. с. 976.

27. Сысоев В.К. Примесное поглощение в селениде цинка.// Журн. прикл. спектроскопии. 1985. Т. 34. № 6. с. 1152.

28. Лабораторный регламент процесса производства поликристаллических оптических материалов на основе селенида цинка.

29. Валов Д.А., Дунаев A.A. и др. Тепломассоперенос в процессе сублимации кристаллического селенида цинка в квазизамкнутом объеме. Минск. ИТМО. 1987. 39 с.

30. Афанасьев И. И., Белевцева Л. И., Демиденко А. А. и др. Оптическая однородность поликристаллического селенида цинка.// ОМП, 1992. Т. 2. с. 51.

31. Демиденко А. А., Дунаев А. А., Колесникова С. Н. и др. Роль пассивной подложки при вакуумной сублимации поликристаллического селенида цинка.//Высокочистые вещества. 1991. Т. I.e. 103.

32. Слепченко Б.М., Мусатов В.В., Аксеновских А.Я. и др. Влияние межзеренных границ на ослабление потока излучения в поликристаллах ZnSe.// ФТТ. 1990. Т. 32. № 2. с. 310 .

33. Носов Б.В., Петровский Г.Т., Сержантова М.В., Шатилов A.B. Калориметрические измерения объемного и поверхностного поглощения ИК материалов в области спектра 5-6 мкм.// ОМП. 1989. № 4. с. 42.

34. Дудников Е. Г., Балакирев В. С. и др. Построение математических моделей химико-технологических объектов. М.: Наука, 1970. 129. с.

35. Бояринов А. И., Кафаров В. В. Методы оптимизации химической технологии. М.: Наука, 1975. 575 с.

36. Baxter D.C., Reynolds W.S. JAS, 1968. vol.25. №.6.

37. Девятых Г. Г., Крупкин П. JL, Гаврищук Е. М. Образование частиц в процессах газофазного химического осаждения.// Высокочистые вещества, 1989. Т. 4. с. 133.

38. Бессарабов А. М., Родина Г. JI. Моделирование процессов химического осаждения.// Высокочистые вещества, 1990. Т. 6. с. 283.

39. Гордиец Б.В., Шелепин JI.A., Шмоткин Ю.С. // Хим. физика. 1982. Т. 1. № 10. с. 1391.

40. Крестинин A.B.// Хим. физика. 1986. Т.5. № 2. с. 240.

41. Кнорре В.Г., Прихоженко А.И., Дубовицкий А.Я., Манелис Г.Б.// Журн. физ. химии. 1981. Т.55. № 1. с. 120.

42. Казенин Д.А., Макеев A.A., Марков A.B.// ТОХТ. 1987. Т. 21. № 6. с. 763.

43. Минкина В. Г., Попов В. П. Математическое моделирование процессов химического осаждения слоев селенида цинка.// ТОХТ, 1994. Т. 28. № I.e. 48.

44. Роенков Н.Д., Соловьев С.Н. Термодинамический анализ процессов осаждения селенида цинка. JL: ЛПИ. 1987.

45. Воробьев А. Н., Гарибин Е. А., Гугель Ю. В. и др. Численное исследование массопереноса при формировании поликристаллического селенида цинка CVD- методом.// Высокочистые вещества, 1994. Т. 4.

46. Девятых Г.Г., Гаврищук Е.М., Коршунов И.А. и др. // Высокочистые вещества. 1991.№ 6. с.52.

47. Бессарабов А. М., Бомштейн Е. В., Родина Г.Л. Моделирование процессов осаждения в условиях химической реакции.// Теорет. основы хим. технол. 1987. Т. 21. № 2. с. 268.

48. Крупкин П.Л., Гаврищук Е.М., Даданов А.Ю. Механизм осаждения селенида цинка в системе Zn + H2Se + Ar. II Высокочистые вещества. 1990. №3. с. 112.

49. Щукин В. Г., Марусин В. В.// Журн. физ. химии. 1981. Т. 55. № 5. с. 1105.

50. Гордиец Б. В., Шелепин JL А., Шмоткин Ю. С.// Хим. физика. 1982. Т. 1. № 10. с. 1391.

51. Башкиров А. Г., Новиков М. Ю.// Теорет. и мат. физика. 1972. Т. 12. №2. с. 251.

52. Лифшиц Е. М., Питаевский Л. П. Физическая кинетика. М.: Наука, 1979.510 с.

53. Михайлов В. В. Оптимизация процесса выращивания поликристаллических блоков ПО-4 диаметром 200 мм методом математического планирования эксперимента.// Квантовая электроника. Приложение, 1989. Т. 4. с. 18.

54. Кулаков М. П., Фадеев А. В. Показатели преломления ZnS, ZnSe и CdS в инфракрасной области.// Изв. АН СССР. Неорганические материалы. 1980. Т. 16. № 1. с. 159.

55. Брызгалов А. Н., Слепченко Б. М., Мусатов В. В. и др. Влияние особенностей микроструктуры поликристаллических образцов сульфида цинка на их оптические свойства.// Неорганические материалы, 1989. Т. 25. №9. с. 1430.

56. Фиалков А.С. Углеграфитовые материалы. М.: Энергия. 1979.320 с.

57. Латыев Г. Т., Петров В. А., Чеховский В. Я., Шестаков Е. Н. Излучательные свойства твердых материалов/ Под ред. А. Е. Шейндли-на. М.: Энергия, 1974. 156 с.

58. Нигматуллин Р. И. Динамика многофазных сред. ч. 1. М.: Наука, 1987. 464 с.

59. Болгарский А. В. и др. Термодинамика и теплопередача. М.: Высш. школа, 1975. 495 с.

60. Кондратьев Г. М. Тепловые измерения. М.: -Л.:, 1957. 113 с.

61. Лапин Ю.В., Стрелец М.Х. Внутренние течения газовых смесей. М.: Наука.- 1989.- 368 с.

62. Бусройд Р. Теченние газа со взвешенными частицами. М.: Мир. 1975.

63. Мелешко Л. О. Молекулярная физика и введение в термодинамику. Мн.: Вышэйш. школа, 1977. 384 с.

64. Гравель Л.А., Новиков Ю.Б., Плечко Р.Д. ИК-поглощение кристаллов селенида цинка.// Журн. прикл. спектроскопии. 1979. Т. 30. № 4. с. 707.

65. Фриш С. Э. Оптические спектры атомов. М.: Энергоатомиздат, 1967. 625 с.

66. Волков Е. А. Численные методы. М.: Наука, 1987. 248 с.

67. Шенен П., Коснар М., Гордан И. и др. Математика и САПР. В 2-х кн. М.: Мир, 1988.

68. Миснар А. Теплопроводность твердых тел, жидкостей, газов и их композиций. М.: Химия, 1968. 464 с.

69. Рид Р., Праусниц Дж., Шервуд Т. Свойства газов и жидкостей. Л.: Химия, 1982. 592 с.

70. Чистяков В. С. Краткий справочник по теплотехническим измерениям. М.: Энергоатомиздат, 1990. 320 с.

71. Брайман М.П., Гаврищук Е.М. и др. Автоматизированная система управления процессом роста кристаллов из газовой фазы.// высокочистые вещества. 1989. № 1. с. 204.

72. Кулаков М.П., Негрий В.Д. Оптические свойства селенида цинка, легированного кислородом.// Неорганические материалы. 1990. Т.26. № 11. с. 2280.

73. Бережной Е. О., Козин Л. Ф. Изучение скорости испарения цинка при различных значениях температуры и давления инертного газа.// Высокочистые вещества, 1991. Т. 3. с. 196.

74. Крестинин А. В.// Хим. физика, 1986. Т. 5. № 2. с. 240.

75. Кнорре В. Г., Прихоженко А. И., Дубовицкий А. Я., Манелис Г. Б.// Журн. физ. химии, 1981. Т. 55. № 1. с. 120.

76. Янг Л. Лекции по вариационному исчислению и теории оптимального управления / Пер с англ. М.: Наука, 1974. 488 с.

77. Киреенко В. П. Измерение поглощения в оптических элементах. Bologna. 1987. 44 с.

78. Ковтуненко П.В., Майер A.A. Проблема собственных примесей в особо чистом веществе.// Исследования в области химии и химической технологии материалов для электронной техники. Вып. 120. М.: Изд-во МХТИ. 1981. с. 3.

79. Гаджиев Г.Г., Шахабудинов Я.М. Тепловые свойства оптической керамики ZnSe.// ОМП. 1991. № 5. с. 51.

80. Бодров В.И., Погонин В.А., Гредитов A.B. Математическое моделирование процесса производства поликристаллических оптических материалов на основе селенида цинка. / ТОХТ, 1997, Т. 2, с.1.

81. Бодров В.И., Погонин В.А., Гредитов A.B. Интенсификация процесса производства поликристаллических оптических материалов на основе селенида цинка. / Высокочистые вещества, 1996, Т. 3, с.55.

82. Radiation effects in optical materials: Mar. 6-7, 1985, Albuquerque, New Mexico Ed. Paul W.Levy, E.Joseph Friebele. -Bellingham (Wash.): SPIE-Intern. soc. for optical engineering. 1985. - 180 c.

83. Infrared optical materials and fibers: 4-5 Apr. 1988, Orlando, Fla. -Bellingham (Wash.): SPIE-Intern. soc. for optical engineering. 1988. - 180 c.

84. Infrared and optical transmitting materials: 18-19 Aug. 1986, San Diego, Calif. Ed. Robert W. Schwartz. Bellingham (Wash.): SPIE-Intern. soc. for optical engineering. - 1986. - VIII, 173 с.

85. Infrared optical materials and fibers V: Proc. of the meet. 20-21 Aug. 1987, San Diego (Ca) Ed.: P.Klocek. Bellingham (Wa): SPIE. - 1988. -VI, 162 c.

86. Laser damage in Optical materials. Bristol: Hilger. - Boston. -1986.- 131 c.

87. H. С. Костюков, E. В. Щербакова, С. M. Атраш; ДВО РАН и др. Некоторые аспекты влияния нейтронного облучения на оптические и диэлектрические свойства керамических материалов в видимой, УФ и ИК-областях. Препр. - Благовещенск: АмурКНИИ. - 1997. - 85 с.

88. Photorefractive materials. Berlin: Springer. - 1992. - 120,12 с.

89. Ковтуненко П.В., Майер А.А. Проблема собственных примесей в особо чистом веществе.// Исследования в области химии и хими143ческой технологии материалов для электронной техники. Вып. 120. М.: Изд-во МХТИ. 1981. - с. 3.

90. Белова А.Н., Глазов А.И., Мельников Б.В., Соколов В.А. Исследование текстуры поликристаллов селенида цинка: Тр. ГОИ. 1983. -Т. 54. Вып. 188.-с. 119.

91. Фиалков A.C. Углеграфитовые материалы. М.: Энергия. -1979.-320 с.

92. Сысоев В.К. Примесное поглощение в селениде цинка.// Журн. прикл. спектроскопии. 1985. - Т. 34. № 6. - с. 1152.

93. Богданов В.Б., Назарова H.A., Прокопенко В.Т. и др. Рефрактометрические характеристики поликристаллических материалов на основе селенида цинка.// ОМП. 1987. - № 10. - с. 21.

94. Меланхолии Н.М., Грум-Гржимайло C.B. Методы исследования оптических свойств кристаллов. М.: Изд-во АН СССР. 1954. - 191 с.