材料制备技术 5.5 微重力合成方法

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,特殊材料合成方法,微重力合成,10/1/2024,1,5.5,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。,10/1/2024,2,5.5,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,-6,g,0,。目前微重力,的概念已延拓，通常把,g10,-2,g,0,的环境都称为,微重力环境。,月球重力场：,0.16g,0,火星重力场：,0.3g,0,10/1/2024,3,5.5,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。,10/1/2024,4,5.5,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：,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。,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。,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。,10/1/2024,5,5.5,微重力合成,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,。,10/1/2024,6,5.5,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。,10/1/2024,7,5.5,微重力合成,落塔的特点：,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；,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。,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,和实验。,每次使用费用不大。,10/1/2024,8,5.5,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。,10/1/2024,9,5.5,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,。,10/1/2024,10,5.5,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,-3,g,0,），重复性较差。,10/1/2024,11,5.5,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。,10/1/2024,12,5.5,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,。,10/1/2024,13,5.5,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。,10/1/2024,14,5.5,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：,19691979,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,。,10/1/2024,15,5.5,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。,10/1/2024,16,5.5,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。,10/1/2024,17,5.5,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。,10/1/2024,18,5.5,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。,10/1/2024,19,5.5,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。,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,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“扩散是质量运输的,唯一机制”的物理 条件下，,GaAs,单晶的均匀性,可大大改善。,10/1/2024,20,