1、2020/9/13,1,特殊材料合成方法,微重力合成,2020/9/13,2,5.5 微重力合成,5.3.1 微重力及其特點,宇宙空間任何兩個物體之間存在吸引力，而且其 引力正比于兩物體的質(zhì)量之積，反比于他們之間的 距離-牛頓萬有引力定律。,自由落體因受到地心引力的作用，會產(chǎn)生鉛直方向 的加速運動。,處于太空中的物體，由于與地球作用距離的增加， 重力加速度將減小。,2020/9/13,3,5.5 微重力合成,所謂的微重力是指重力減小到地球表面重力百萬 分之一時的重力場。即g=10-6g0。目前微重力 的概念已延拓，通常把g10-2g0的環(huán)境都稱為 微重力環(huán)境。,月球重力場：0.16g0,火星重

2、力場：0.3g0,2020/9/13,4,5.5 微重力合成,1957年，第一顆人造地球衛(wèi)星升空。,隨著航天技術(shù)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)一些列與失重相關(guān) 問題，引發(fā)了微重力環(huán)境的研究。,2020/9/13,5,5.5 微重力合成,通過初期的研究，對微重力環(huán)境的取得以下一些 認(rèn)識：,在微重力環(huán)境下，沉降或沉淀消失，可使多組分 液體有限或無限保持懸浮。,在微重力環(huán)境下，浮力引起的對流消失或大大 減弱，使過程控制和分析大大簡化。,在微重力環(huán)境下，靜壓力消失，可使液體外形 受控于表面張力。,2020/9/13,6,5.5 微重力合成,在微重力環(huán)境下，可進行無容器加工，用靜電力、 電磁力、聲壓輻射壓力可克服飛行

3、器剩余加速度，使 液滴或熔融體維持在一定位置，不用器壁幫助，這對 測量晶體材料的熱物理性質(zhì)和加工超純材料是有益的。,5.3.2 微重力條件下的材料實驗系統(tǒng),微重力條件下的材料實驗系統(tǒng)分為地面模擬系統(tǒng) 和軌道實驗系統(tǒng)。,2020/9/13,7,5.5 微重力合成,1. 地面模擬系統(tǒng)的設(shè)施,（1）落塔,落塔是地面使用的落體系統(tǒng)，落體為多種艙體， 在下落過程中，艙內(nèi)產(chǎn)生微重力環(huán)境，用于進行 各種實驗，并能完好回收設(shè)備。,落塔需要的是落差，可高出地面，也可深入地下， 或兩者結(jié)合。,2020/9/13,8,5.5 微重力合成,落塔的特點：,參數(shù)可調(diào)，初始狀態(tài)可預(yù)置干擾；地面模擬系統(tǒng),艙體大，可進行多種設(shè)

4、備的綜合實驗；,可多次重復(fù)實驗，便于驗證結(jié)果，補充修改實驗 方法、程序和設(shè)備。,實驗觀測可多途徑實施；,塔是永久性設(shè)備，艙體備有多種，可并行進行準(zhǔn)備 和實驗。,每次使用費用不大。,2020/9/13,9,5.5微重力合成,（2）落管,以豎直的管道代替落塔塔體，該管道同時又是 實驗設(shè)備的一部分，是在實驗樣品經(jīng)管道下落時 可進行無容器、微重力實驗，實驗結(jié)束后可回收 的設(shè)備。,管道的作用：可產(chǎn)生各種特殊的條件，配合實驗 達到目的。,2020/9/13,10,5.5 微重力合成,落管的特點：,體積輕巧，簡便易行，加工樣品小。,落管的發(fā)展現(xiàn)狀：,美國：Marshall 空間飛行中心 的100m、32m一

5、批落管基地。,法國：Grenoble建立50m高落管，具有10-5微 重力場,德國：世界最高的落管，144m。,2020/9/13,11,5.5 微重力合成,（3）失重飛機,原理：水平速度為常數(shù)，作平拋運動。,所獲微重力時間取決于飛機的性能，初速度越大， 時間越長。,優(yōu)點：可載人。,缺點：微重力水平不高（10-3g0），重復(fù)性較差。,2020/9/13,12,5.5 微重力合成,（4）高空氣球,利用高空氣球可在預(yù)定高度下使實驗艙自由下落 來創(chuàng)造微重力條件，但該方法微重力水平較低。,（5）探空火箭,火箭將實驗艙送到足夠高的高度，大氣足夠稀薄 載荷艙開始處于微重力狀態(tài)，到達頂點之后往返 至較稠密大

6、氣高度，實驗結(jié)束，共獲數(shù)分鐘微重 力環(huán)境。,2020/9/13,13,5.5 微重力合成,2. 軌道實驗系統(tǒng),返地式衛(wèi)星、航天飛機、載人飛船、太空實驗室 和空間站等。,維持時間從幾天到數(shù)月，甚至幾年。,軌道實驗系統(tǒng)是材料空間加工的根本場所，而地面 模擬系統(tǒng)是材料空間制備的準(zhǔn)備系統(tǒng)。,2020/9/13,14,5.5 微重力合成,5.3.3 微重力研究歷史,微重力科學(xué)主要由流體科學(xué)、材料科學(xué)、生物技術(shù) 三部分組成。,拉開序幕,1969年，前蘇聯(lián)宇航員在聯(lián)盟-6號飛船上利用 烏克蘭科學(xué)院巴頓電焊研究所研制的“火神”電子 束裝置在太空中成功完成了人類第一次空間焊接 和合金融化及凝固結(jié)晶實驗，從此揭開

7、了空間材 料與加工的序幕。,2020/9/13,15,5.5 微重力合成,全面展開：,1972年，美國的Apllo飛船與前蘇聯(lián)的聯(lián)盟號飛船 對接，并在其中利用美國的“通用號”太空爐展開 了晶體生長、合金定向凝固、固-液界面反應(yīng)等多 方面的實驗，空間材料加工研究從此全面展開。,30余年的空間材料研究大致可分為兩個階段： 19691979年為空間材料與加工的第一階段； 20世紀(jì)80年代進入第二階段微重力科學(xué)階段。,2020/9/13,16,5.5 微重力合成,我國的微重力晶體生長的研究始于20世紀(jì)80年代 中期，中科院與航天部合作，與1987年首先應(yīng)用 我國返回式衛(wèi)星在空間進行了GaAs單晶體的生

8、長 實驗。隨后又建立了20米落管，開展了微重力環(huán) 境下的金屬合金凝固實驗?！捌呶濉逼陂g，中科院 組織了“重中之重”項目-微重力科學(xué)基礎(chǔ)研究，開 展空間晶體生長方法和機制、金屬合金無容器制 備過程以及相分離和粗化機制研究，還建立了用于 模擬空間晶體生長過程的激光全息原位實時觀測臺。,2020/9/13,17,5.5 微重力合成,5.3.4 微重力技術(shù)應(yīng)用,在地面上材料加工中，液體中的溫度和濃度不均勻 要產(chǎn)生浮力對流，從而影響材料的加工質(zhì)量，微重 力環(huán)境中浮力對流和密度分層都極大減弱，為研究 晶體生長和材料加工提高了極好的條件。可以更好 地研究相變界面的成核與凝固過程及流體中各種場 與相變后的固體

9、微觀結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。當(dāng)然，微重 力環(huán)境還有表面張力驅(qū)動對流等新的傳熱傳質(zhì)過程。 從根本上講，微重力環(huán)境可以更好地研究晶體生長 和材料加工的機理，可以加工出比地面質(zhì)量更好的 材料。,2020/9/13,18,5.5 微重力合成,1. 微重力環(huán)境下玻璃的熔化技術(shù),在微重力環(huán)境下，玻璃熔體懸浮于空間，不與容器 接觸，因而純度高；,懸浮于空間，就不會發(fā)生異相成核，降低析晶傾向。,不用考慮容器耐高溫性能，只要加熱源滿足要求， 就能制備出高熔點玻璃。,能夠制備出透過率或折射率分布均勻的光學(xué)功能玻璃。,2020/9/13,19,5.5 微重力合成,2. 砷化鎵（GaAs）單晶的等效微重力生長,砷化鎵：遷移率高、禁帶寬度大，因而使砷化鎵超 高速集成電路和微波功率器件在毫米微波、衛(wèi)星通 訊、超高速計算機、精確制導(dǎo)組件、靈巧武器、電 子對抗、雷達等裝備方面成為關(guān)鍵部件。,但是，常規(guī)方法制備的砷化鎵單晶，位錯密度高、 均勻性差，微沉淀、微缺陷密度高，質(zhì)量不高，直 接影響器件參數(shù)。,2020/9/13,20,5.5 微重力合成,空間實驗已證實：在微重力條件下生長砷化鎵單 晶能提高質(zhì)量，特別能改