材料制备技术-55-微重力合成方法课件

特殊材料合成方法特殊材料合成方法微重力合成微重力合成6/29/20241特殊材料合成方法微重力合成7/30/202315.5 微重力合成微重力合成5.3.1 微重力及其特点微重力及其特点 宇宙空间任何两个物体之间存在宇宙空间任何两个物体之间存在吸引力吸引力，而且其，而且其引力引力正比于正比于两物体的两物体的质量之积质量之积，反比反比于他们之间的于他们之间的距离距离-牛顿万有引力定律牛顿万有引力定律。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。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，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。重力加速度将减小。6/29/202425.5 微重力合成5.3.1 微重力及其特点 宇宙空间5.5 微重力合成微重力合成所谓的所谓的微重力微重力是指重力减小到地球表面重力百万是指重力减小到地球表面重力百万分之一时的重力场。即分之一时的重力场。即g=10-6g0。目前微重力。目前微重力的概念已延拓，通常把的概念已延拓，通常把g10-2g0的环境都称为的环境都称为微重力环境。微重力环境。月球重力场：月球重力场：0.16g0火星重力场：火星重力场：0.3g06/29/202435.5 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 微重力合成微重力合成1957年，第一颗人造地球卫星升空。年，第一颗人造地球卫星升空。人造卫星人造卫星 载人飞船载人飞船 太空实验室太空实验室 空空间站间站 航天飞机航天飞机 专用飞行平台，人类掌握了太空往返专用飞行平台，人类掌握了太空往返、设站的能力。、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。问题，引发了微重力环境的研究。6/29/202445.5 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通过初期的研究，对微重力环境的取得以下一些认识：认识：在微重力环境下，在微重力环境下，沉降或沉淀沉降或沉淀消失，可使多组分消失，可使多组分液体有限或无限保持悬浮。液体有限或无限保持悬浮。在微重力环境下，在微重力环境下，浮力浮力引起的对流消失或大大引起的对流消失或大大减弱，使过程控制和分析大大简化。减弱，使过程控制和分析大大简化。在微重力环境下，在微重力环境下，静压力静压力消失，可使液体外形消失，可使液体外形受控于表面张力。受控于表面张力。6/29/202455.5 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 微重力合成微重力合成在微重力环境下，可进行无容器加工，用静电力、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。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 微重力条件下的材料实验系统分为微重力条件下的材料实验系统分为地面模拟系统地面模拟系统和和轨道实验系统轨道实验系统。6/29/202465.5 微重力合成在微重力环境下，可进行无容器加工，用静电5.5 微重力合成微重力合成1.地面模拟系统的设施地面模拟系统的设施（1）落塔）落塔 落塔是地面使用的落体系统，落体为多种舱体，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。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，落塔需要的是落差，可高出地面，也可深入地下，或两者结合。或两者结合。6/29/202475.5 微重力合成1.地面模拟系统的设施（1）落塔 落5.5 微重力合成微重力合成落塔的特点：落塔的特点：参数可调，初始状态可预置干扰；地面模拟系统参数可调，初始状态可预置干扰；地面模拟系统舱体大，可进行多种设备的综合实验；舱体大，可进行多种设备的综合实验；可多次重复实验，便于验证结果，补充修改实验可多次重复实验，便于验证结果，补充修改实验方法、程序和设备。方法、程序和设备。实验观测可多途径实施；实验观测可多途径实施；塔是永久性设备，舱体备有多种，可并行进行准备塔是永久性设备，舱体备有多种，可并行进行准备和实验。和实验。每次使用费用不大。每次使用费用不大。6/29/202485.5 微重力合成落塔的特点：参数可调，初始状态可预置干扰5.5微重力合成微重力合成（2）落管）落管以竖直的管道代替落塔塔体，该管道同时又是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，实验结束后可回收可进行无容器、微重力实验，实验结束后可回收的设备。的设备。管道的作用管道的作用：可产生各种特殊的条件，配合实验：可产生各种特殊的条件，配合实验达到目的。达到目的。6/29/202495.5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 微重力合成微重力合成落管的特点：落管的特点：体积轻巧，简便易行，加工样品小。体积轻巧，简便易行，加工样品小。落管的发展现状：落管的发展现状：美国：美国：Marshall 空间飞行中心空间飞行中心 的的100m、32m一批落管基地。一批落管基地。法国：法国：Grenoble建立建立50m高落管，具有高落管，具有10-5微微 重力场重力场德国：世界最高的落管，德国：世界最高的落管，144m。6/29/2024105.5 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 微重力合成微重力合成（3）失重飞机）失重飞机 原理原理：水平速度为常数，作平抛运动。：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，所获微重力时间取决于飞机的性能，初速度越大，时间越长。时间越长。优点优点：可载人。：可载人。缺点缺点：微重力水平不高（：微重力水平不高（10-3g0），重复性较差。），重复性较差。6/29/2024115.5 微重力合成（3）失重飞机 原理：水平速度为常数，5.5 微重力合成微重力合成（4）高空气球）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。来创造微重力条件，但该方法微重力水平较低。（5）探空火箭）探空火箭火箭将实验舱送到足够高的高度，大气足够稀薄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，共获数分钟微重至较稠密大气高度，实验结束，共获数分钟微重力环境。力环境。6/29/2024125.5 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 微重力合成微重力合成2.轨道实验系统轨道实验系统 返地式卫星、航天飞机、载人飞船、太空实验室返地式卫星、航天飞机、载人飞船、太空实验室和空间站等。和空间站等。维持时间从几天到数月，甚至几年。维持时间从几天到数月，甚至几年。轨道实验系统轨道实验系统是材料空间加工的是材料空间加工的根本场所根本场所，而，而地面地面模拟系统是材料空间制备的模拟系统是材料空间制备的准备系统准备系统。6/29/2024135.5 微重力合成2.轨道实验系统 返地式卫星、航5.5 微重力合成微重力合成5.3.3 微重力研究历史微重力研究历史 微重力科学主要由微重力科学主要由流体科学流体科学、材料科学材料科学、生物技术生物技术三部分组成。三部分组成。拉开序幕拉开序幕1969年，前苏联宇航员在联盟年，前苏联宇航员在联盟-6号飞船上利用号飞船上利用乌克兰科学院巴顿电焊研究所研制的乌克兰科学院巴顿电焊研究所研制的“火神火神”电子电子束装置在太空中成功完成了人类第一次束装置在太空中成功完成了人类第一次空间焊接空间焊接和和合金融化及凝固结晶合金融化及凝固结晶实验，从此揭开了空间材实验，从此揭开了空间材料与加工的序幕。料与加工的序幕。6/29/2024145.5 微重力合成5.3.3 微重力研究历史 5.5 微重力合成微重力合成 全面展开全面展开：1972年，美国的年，美国的Apllo飞船与前苏联的联盟号飞船飞船与前苏联的联盟号飞船对接，并在其中利用美国的对接，并在其中利用美国的“通用号通用号”太空炉展开太空炉展开了了晶体生长、合金定向凝固晶体生长、合金定向凝固、固固-液界面反应液界面反应等多等多方面的实验，空间材料加工研究从此全面展开。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：余年的空间材料研究大致可分为两个阶段：19691979年为空间材料与加工年为空间材料与加工的第一阶段的第一阶段；20世纪世纪80年代进入年代进入第二阶段第二阶段微重力科学阶段微重力科学阶段。6/29/2024155.5 微重力合成 全面展开：1972年，美国5.5 微重力合成微重力合成 我国的微重力晶体生长的研究始于我国的微重力晶体生长的研究始于20世纪世纪80年代年代中期，中科院与航天部合作，与中期，中科院与航天部合作，与1987年首先应用年首先应用我国返回式卫星在空间进行了我国返回式卫星在空间进行了GaAs单晶体单晶体的生长的生长实验。随后又建立了实验。随后又建立了20米落管，开展了微重力环米落管，开展了微重力环境下的金属合金凝固实验。境下的金属合金凝固实验。“七五七五”期间，中科院期间，中科院组织了组织了“重中之重重中之重”项目项目-微重力科学基础研究，微重力科学基础研究，开开展空间晶体生长方法和机制展空间晶体生长方法和机制、金属合金无容器制金属合金无容器制备过程备过程以及以及相分离和粗化机制相分离和粗化机制研究，还建立了用于研究，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。模拟空间晶体生长过程的激光全息原位实时观测台。6/29/2024165.5 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 微重力合成微重力合成 5.3.4 微重力技术应用微重力技术应用 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，要产生浮力对流，从而影响材料的加工质量，微重微重力力环境中环境中浮力对流浮力对流和和密度分层密度分层都极大都极大减弱减弱，为研究，为研究晶体生长和材料加工提高了极好的条件。可以更好晶体生长和材料加工提高了极好的条件。可以更好地研究地研究相变界面的成核相变界面的成核与凝固过程及流体中各种场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。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和材料加工的机理，可以加工出比地面质量更好的材料。材料。6/29/2024175.5 微重力合成 5.3.4 微重力技术应用 在地面5.5 微重力合成微重力合成 1.微重力环境下玻璃的熔化技术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；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。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，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。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。能够制备出透过率或折射率分布均匀的光学功能玻璃。6/29/2024185.5 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 微重力合成微重力合成 2.砷化镓（砷化镓（GaAs）单晶的等效微重力生长）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。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、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。接影响器件参数。6/29/2024195.5 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，特别能改善其均匀性，消除原生晶能提高质量，特别能改善其均匀性，消除原生缺陷和生理条纹。但是，空间生长不可能产业化。缺陷和生理条纹。但是，空间生长不可能产业化。因而创造出等效微重力场方法合成砷化镓。因而创造出等效微重力场方法合成砷化镓。GaAs有良好的电导率、磁导率。在熔体中引入有良好的电导率、磁导率。在熔体中引入磁场，带电熔体在磁场中所受的力与重力平衡，磁场，带电熔体在磁场中所受的力与重力平衡，创造出等效微重力环境。在创造出等效微重力环境。在“扩散是质量运输的扩散是质量运输的唯一机制唯一机制”的物理的物理 条件下，条件下，GaAs单晶的均匀性单晶的均匀性可大大改善。可大大改善。6/29/2024205.5 微重力合成 空间实验已证实：在微重力条件下生长砷化镓