材料制备技术-55-微重力合成方法课件

特殊材料合成方法微重力合成7/31/20231特殊材料合成方法微重力合成7/30/202315.5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。7/31/202325.5微重力合成5.3.1微重力及其特点宇宙空间5.5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：0.3g07/31/202335.5微重力合成所谓的微重力是指重力减小到地球表面重力百万5.5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。7/31/202345.5微重力合成1957年，第一颗人造地球卫星升空。人造卫5.5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。7/31/202355.5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5.5微重力合成④在微重力环境下，可进行无容器加工，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。7/31/202365.5微重力合成④在微重力环境下，可进行无容器加工，用静电5.5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。7/31/202375.5微重力合成1.地面模拟系统的设施（1）落塔落5.5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。7/31/202385.5微重力合成落塔的特点：①参数可调，初始状态可预置干扰5.5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。7/31/202395.5微重力合成（2）落管以竖直的管道代替落塔塔体，该管道同5.5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100m、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。7/31/2023105.5微重力合成落管的特点：体积轻巧，简便易行，加工样品小5.5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。7/31/2023115.5微重力合成（3）失重飞机原理：水平速度为常数，5.5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气高度，实验结束，共获数分钟微重力环境。7/31/2023125.5微重力合成（4）高空气球利用高空气球可在预定高度下使5.5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。7/31/2023135.5微重力合成2.轨道实验系统返地式卫星、航5.5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序幕。7/31/2023145.5微重力合成5.3.3微重力研究历史5.5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。7/31/2023155.5微重力合成全面展开：1972年，美国5.5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20米落管，开展了微重力环境下的金属合金凝固实验。“七五”期间，中科院组织了“重中之重”项目-微重力科学基础研究，开展空间晶体生长方法和机制、金属合金无容器制备过程以及相分离和粗化机制研究，还建立了用于模拟空间晶体生长过程的激光全息原位实时观测台。7/31/2023165.5微重力合成我国的微重力晶体生长的研究始于20世纪85.5微重力合成5.3.4微重力技术应用

在地面上材料加工中，液体中的温度和浓度不均匀要产生浮力对流，从而影响材料的加工质量，微重力环境中浮力对流和密度分层都极大减弱，为研究晶体生长和材料加工提高了极好的条件。可以更好地研究相变界面的成核与凝固过程及流体中各种场与相变后的固体微观结构之间的关系。当然，微重力环境还有表面张力驱动对流等新的传热传质过程。从根本上讲，微重力环境可以更好地研究晶体生长和材料加工的机理，可以加工出比地面质量更好的材料。7/31/2023175.5微重力合成5.3.4微重力技术应用在地面5.5微重力合成1.微重力环境下玻璃的熔化技术在微重力环境下，玻璃熔体悬浮于空间，不与容器接触，因而纯度高；悬浮于空间，就不会发生异相成核，降低析晶倾向。不用考虑容器耐高温性能，只要加热源满足要求，就能制备出高熔点玻璃。能够制备出透过率或折射率分布均匀的光学功能玻璃。7/31/2023185.5微重力合成1.微重力环境下玻璃的熔化技术在微重力5.5微重力合成2.砷化镓（GaAs）单晶的等效微重力生长砷化镓：迁移率高、禁带宽度大，因而使砷化镓超高速集成电路和微波功率器件在毫米微波、卫星通讯、超高速计算机、精确制导组件、灵巧武器、电子对抗、雷达等装备方面成为关键部件。但是，常规方法制备的砷化镓单晶，位错密度高、均匀性差，微沉淀、微缺陷密度高，质量不高，直接影响器件参数。7/31/2023195.5微重力合成2.砷化镓（GaAs）单晶的等效微重5.5微重力合成空间实验已证实：在微重力条件下生长砷化镓单晶能提高质量，特别能改善