REFINO POR FUSÃO ZONAL SOLIDIFICAÇÃO DOS METAIS. Método. Czochralski. Refino Zonal Flutuante. Fusão Zonal de uma barra com 3 aquecedores

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1 REFINO POR Refino Zonal Flutuante Método Czochralski FUSÃO ZONAL Fusão Zonal de uma barra com 3 aquecedores

2 Introdução: Fusão zonal: Família de métodos m de controle da distribuição de impurezas nos materiais orgânicos e inorgânicos. Criação de uma zona líquida l a partir da fusão de uma pequena parte do material, usualmente na forma de barras, a qual é deslocada lentamente através s da barra, permitindo manipular-se a distribuição das impurezas solúveis, ou fases, ao longo do sólido. s Aplicações: Transistores Semicondutores Células solares Sensor infra-vermelho

3 Solidificação Normal

4 Determinação do Coeficiente de Redistribuição de Soluto Bridgman Perfil de segregação da impureza para uma dada velocidade de deslocamento da interface sólido/ls lido/líquido C S k 1 ( f ) ef = k. C ef 0. 1 S log C s ( ) = log k ef + (k ef -1 ) log ( 1-f s C 0 Determinação do k ef )

5 Determinação da Relação δ/d k ef = k + k ( 1 k) exp v δ D 1 log ( k ef 1) 1 = log ( k vδ 1) D para k < 1 log (1- k 1 ef ) = log (1-1 ) k vδ D para k > 1 1 Lança-se 1 em função de v obtendo-se uma reta de k ef inclinação δ/d

6 Refino Zonal

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8 Refino Zonal

9 Distribuição de Soluto na Primeira Passada Balanço o de massa (C0 Csi ) dx = dcl l (C0 k CL ) dx = dcll L dcl 0 ( C kc ) C C 0 L = x 0 dx l C s x = C0 1 ( 1 k) exp(-k ) l

10 Distribuição de Soluto na Primeira Passada Para x= L-l, L solidificação normal (Scheil( Scheil) C * k 1 s = kc0 (1 f s ) C 0* = composição uniforme do líquido quando a zona líquida chega à extremidade final da barra C * 0 = C k = C k 1 (1 k)exp k ( L l l si 0 ) C s = C 0 1 (1 k)exp k ( L l) x ( L l) 1 l l k 1

11 Distribuição de Soluto na Primeira Passada Influência do Coeficiente do Redistribuição de Soluto (K)

12 Distribuição para Múltiplas M Passadas Modelo Numérico 1E+1 1E+0 Concentração [C/Co] 1E-1 1E-2 1E-3 1E-4 1E-5 Distribuição de Zn em Sb (ko - 0,25) 4 Passes - Experimental 12 Passes - Experimental 4 Passes - Teórico 12 Passes - Teórico Distância [x/l]

13 Perfil Limite de Distribuição de Soluto Número de passadas atinge um estado estacionário e consequentemente um perfil de purificação máximam

14 Otimização da Fusão Zonal Coeficiente Efetivo de Redistribuição de Soluto (K( ef ) k ef = k + k v δ D ( 1 k) exp Máximo efeito purificador kef k minimizar Vδ V /D: Baixa velocidade de deslocamento da zona líquida Alto grau de mistura de soluto no líquido l para minimizar δ agitação

15 Otimização da Fusão Zonal Velocidade de Deslocamento da Zona LíquidaL Manutenção da interface de solidificação plana Ondulações aprisionam impurezas Tamanho da Zona LíquidaL Zonas líquidas maiores promovem purificação mais rápida nas passadas iniciais A A combinação de uma sequência de zonas gradativamente menores maximiza o refino

16 Abordagem coeficiente de distribuição variável vel

17 Abordagem coeficiente de distribuição variável vel Purificação do Antimônio

18 Refino Zonal Flutuante

19 Método Czochralski

20 Método Czochralski

21 Exercício cio 16 Duas barras idênticas de 100 mm de comprimento e de composição Pb 0,2% Sb (em peso) são submetidas as seguintes condições: Barra 1: Solidificação normal com mistura completa de soluto no líquido; l Barra 2: Refino Zonal primeira passada com comprimento da zona líquida l igual a 10% do comprimento da barra. Comparar os perfis de concentração de soluto resultantes traçando ando curvas CS/C0 em função da fração solidificada f S.

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