材料制备技术 5.5 微重力合成方法

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1、特殊材料合成方法微重力合成7/22/202115.5微重力合成5.3.1微重力及其特点宇宙空间任何两个物体之间存在吸引力，而且其引力正比于两物体的质量之积，反比于他们之间的距离----牛顿万有引力定律。自由落体因受到地心引力的作用，会产生铅直方向的加速运动。处于太空中的物体，由于与地球作用距离的增加，重力加速度将减小。7/22/202125.5微重力合成所谓的微重力是指重力减小到地球表面重力百万分之一时的重力场。即g=10-6g0。目前微重力的概念已延拓，通常把g<10-2g0的环境都称为微重力环境。月球重力场：0.16g0火星重力场：0.3g07/22/202

2、135.5微重力合成1957年，第一颗人造地球卫星升空。人造卫星载人飞船太空实验室空间站航天飞机专用飞行平台，人类掌握了太空往返、设站的能力。随着航天技术的不断发展，出现一些列与失重相关问题，引发了微重力环境的研究。7/22/202145.5微重力合成通过初期的研究，对微重力环境的取得以下一些认识：②在微重力环境下，沉降或沉淀消失，可使多组分液体有限或无限保持悬浮。①在微重力环境下，浮力引起的对流消失或大大减弱，使过程控制和分析大大简化。③在微重力环境下，静压力消失，可使液体外形受控于表面张力。7/22/202155.5微重力合成④在微重力环境下，可进行无容器加

3、工，用静电力、电磁力、声压辐射压力可克服飞行器剩余加速度，使液滴或熔融体维持在一定位置，不用器壁帮助，这对测量晶体材料的热物理性质和加工超纯材料是有益的。5.3.2微重力条件下的材料实验系统微重力条件下的材料实验系统分为地面模拟系统和轨道实验系统。7/22/202165.5微重力合成1.地面模拟系统的设施（1）落塔落塔是地面使用的落体系统，落体为多种舱体，在下落过程中，舱内产生微重力环境，用于进行各种实验，并能完好回收设备。落塔需要的是落差，可高出地面，也可深入地下，或两者结合。7/22/202175.5微重力合成落塔的特点：①参数可调，初始状态可预置干扰；地面

4、模拟系统②舱体大，可进行多种设备的综合实验；③可多次重复实验，便于验证结果，补充修改实验方法、程序和设备。④实验观测可多途径实施；⑤塔是永久性设备，舱体备有多种，可并行进行准备和实验。⑥每次使用费用不大。7/22/202185.5微重力合成（2）落管以竖直的管道代替落塔塔体，该管道同时又是实验设备的一部分，是在实验样品经管道下落时可进行无容器、微重力实验，实验结束后可回收的设备。管道的作用：可产生各种特殊的条件，配合实验达到目的。7/22/202195.5微重力合成落管的特点：体积轻巧，简便易行，加工样品小。落管的发展现状：美国：Marshall空间飞行中心的1

5、00m、32m一批落管基地。法国：Grenoble建立50m高落管，具有10-5微重力场德国：世界最高的落管，144m。7/22/2021105.5微重力合成（3）失重飞机原理：水平速度为常数，作平抛运动。所获微重力时间取决于飞机的性能，初速度越大，时间越长。优点：可载人。缺点：微重力水平不高（10-3g0），重复性较差。7/22/2021115.5微重力合成（4）高空气球利用高空气球可在预定高度下使实验舱自由下落来创造微重力条件，但该方法微重力水平较低。（5）探空火箭火箭将实验舱送到足够高的高度，大气足够稀薄载荷舱开始处于微重力状态，到达顶点之后往返至较稠密大

6、气高度，实验结束，共获数分钟微重力环境。7/22/2021125.5微重力合成2.轨道实验系统返地式卫星、航天飞机、载人飞船、太空实验室和空间站等。维持时间从几天到数月，甚至几年。轨道实验系统是材料空间加工的根本场所，而地面模拟系统是材料空间制备的准备系统。7/22/2021135.5微重力合成5.3.3微重力研究历史微重力科学主要由流体科学、材料科学、生物技术三部分组成。拉开序幕1969年，前苏联宇航员在联盟-6号飞船上利用乌克兰科学院巴顿电焊研究所研制的“火神”电子束装置在太空中成功完成了人类第一次空间焊接和合金融化及凝固结晶实验，从此揭开了空间材料与加工的

7、序幕。7/22/2021145.5微重力合成全面展开：1972年，美国的Apllo飞船与前苏联的联盟号飞船对接，并在其中利用美国的“通用号”太空炉展开了晶体生长、合金定向凝固、固-液界面反应等多方面的实验，空间材料加工研究从此全面展开。30余年的空间材料研究大致可分为两个阶段：1969~1979年为空间材料与加工的第一阶段；20世纪80年代进入第二阶段—微重力科学阶段。7/22/2021155.5微重力合成我国的微重力晶体生长的研究始于20世纪80年代中期，中科院与航天部合作，与1987年首先应用我国返回式卫星在空间进行了GaAs单晶体的生长实验。随后又建立了2

8、0米落管，开展了微重力环