毛细效应下熔融硅的润湿性研究

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近年来,随着油价的不断攀升以及人们环保意识的加强,太阳能电池产业得到了飞速发展。硅带技术(横向拉膜法等)凭借着其原料损耗低、拉升速率高、制备流程简单等优势引起了人们的广泛关注。为了使硅带技术获得更稳定的生长环境,所制硅带品质更高、厚度精确可控,有必要对毛细效应下熔融硅的润湿特性进行研究。论文采用COMSOL软件,结合实验对熔融硅的润湿过程进行了系统的研究。  首先,介绍了表面自由能、Young-Laplace方程和Marangoni效应,分析了毛细效应产生的原因以及不同阶段液面高度的计算方式,为数值模拟提供理论基础。  其次,建立了毛细模型,采用微流动两相流水平集法模拟了熔融态硅液与垂直壁面的润湿过程,以人造金刚石作为壁面材料的模拟结果与实验结果进行比较,验证了该模型和模拟方法的正确性。在此基础上,分别选用碳化硅、石墨和人造金刚石作为壁面材料,探讨了不同壁面材料表面张力和壁面粘附力对润湿角的影响规律。结果表明,相同温度下的毛细力作用使得熔融硅液出现起伏上升现象;润湿角均有不同程度的减小然后增大,最终趋于稳定;初始阶段,由于气/熔融硅液表面张力与气/壁面表面张力之差变化较大,液面起伏波动较大;随后趋于稳定上升。同时发现石墨作为壁面材料时,以上变化更易趋于稳定。  然后,采用高温高真空接触角测量仪观测了高温真空条件下石墨表面硅的润湿角,并且考察了表面粗糙度(Ra=0.721μm与Ra=0.134μm)、温度(1737~1744K)、恒温持续时间(10~30 s)对润湿角的影响。模拟了熔融硅液滴在光滑石墨表面的润湿过程,通过对比试验和模拟结果发现,相同温度下粗糙度为Ra=721μm石墨表面硅的润湿角小于Ra=0.134μm石墨的润湿角小于模拟值。石墨表面硅的润湿角随着粗糙度的增大而减小,不同粗糙度润湿角的差值随着温度提升而缩小,所得结论与Wenzel理论一致。结合压力、速度分布图,分析了恒定温度、毛细效应下表面张力变化对润湿过程的影响,结果表明,随着时间的推移,固液交界处由表面张力产生的压差逐渐减小,液滴铺展过程趋于稳定,润湿角不再发生变化。  最后,结合理论计算分析了影响稳态下液滴高度h、铺展长度三的因素以及液滴半径对润湿过程的影响。发现稳态润湿角与h和L有直接关联,液滴半径R0远小于5mm时,表面张力主导润湿过程,当R0远大于5mm时,液滴自身重力主导润湿过程。
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