陕西与科技大学材料学院《无机合成》课件16-17-18微重力法-超重力-仿生.ppt

; 若把地球表面的平均重力加速度记为g0，则g0 =980cm／s2。 在太空中的物体，由于与地球作用距离的增加，重力加速度将减少。 若重力减少到零，则物体处于零重力失重状态。 微重力环境是重力受到大大削弱的特殊环境。严格说来，微重力的准确定义应为g g0 ，这里g 和g0 分别为微重力环境和地球表面的重力加速度。 所谓微重力是指重力减少到地球表面重力百万分之一时的重力场。; 严格说来，在数值上，微重力的精确定义应为g ＝10－6 g0 。 目前“微重力”概念已延拓，通常把g 10－2 g0 的重力环境均称为微重力环境。 考虑到未来的星际飞行，对于微重力的概念作些延拓是有意义的。因为月球上的重力场为0.16 g0，火星上的重力场为0.3 g0 ，微重力概念延拓以后，就可以把星际飞行重力环境中的科学实验称为微重力科学实验。 微重力的概念延拓以后，对于星际飞行环境中的科学实验，就不区分“弱重力”、“减重力”和“微重力”，而统称为微重力科学实验。; 微重力环境的研究，通过初期研究，取得了以下认识：;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，这将使液体桥或熔融悬浮区扩展到瑞利极限。 在晶体生长过程中，由于表面张力太小，不能支持一个合理尺寸的区域的材料，悬浮区扩展将有明显意义。 悬浮区扩展也扩大了热量输入面积，使生长界面附近的温度场易于控制，有可能得到较平直的等温线，出现较少的径向偏析和陡峭的轴向梯度，从而有利于防止界面破裂，增加稳定性，提高生长速度或掺杂浓度。;④在微重力环境中，可进行无容器加工，用静电力、电磁力、声辐射压力就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。 由于没有杂散晶核，故能使熔融材料在凝固前过冷，而过冷对固体最终微结构有重大影响，有可能获得亚稳相和未进入平衡态凝固的固体样品，也有可能在通常不能形成玻璃的系统中获得非晶相，还可能以无容器技术消除杂散晶核来检验各种单晶核理论。 在微重力环境下，熔融液体悬浮在气体中，凝固后可形成极圆的球或泡，悬浮在空间形成液滴的力学过程。;第二节 微重力条件下的材料实验系统 ; (2)落管 ;二、轨道实验系统 轨道实验系统：包括返地式卫星、航天飞机、载人飞船、太空实验室和空间站等。其维持时间从几天到数月，甚至几年。因此轨道实验系统是材料空间加工的根本场所，而地面模拟系统则是空间制备的准备系统。; 1969年，前苏联航空员B．KYacob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地完成了人类第一次空间焊接和合金熔化及凝固结晶实验，从此揭开了空间材料与加工的序幕。 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。;两个阶段： 1969~1979年为空间材料与加工的第一阶段。在这一阶段人们普遍认为空间环境属于“失重”状态。重力引起的多种干扰都已消除，一切与流体相关的物理过程皆由纯扩散来控制。因此，人们把材料科学中至今在地面难以解决的许多问题(诸如晶体中因浮力对流而产生的生长条纹、化学配比的偏离，相对密度偏析中由于相对密度差引起的液相分离等)都寄希望于空间。然而，某些实验结果与预期设想并不相符。 其中，差异最大的是偏晶合金空间凝固中的现象，即认为“失重”状态下的偏晶合金因没有相对密度差而不再出现两相分离(期望能得到均匀混合二元复合材料)。然而，实际上得到的是并非单一均匀混合物的多种多样的二相分离形式。这些与预期不相符合的实验结果推动人们对空间物理状态进行深入的探索。; 20世纪80年代初，空间材料与加工进入了第二阶段——微重力科学阶段，随着研究工作的深入和不同实验结果的发现、人们不再把空间的重力状态看成是理想的失重状态、而是以微重力一词取代了“失重”，研究工作也由原来的很快实现空间商业化的偏重工艺的空间实验转向以探索科学规律的空间研究上来，普遍采用“空间”、“基地”相结合的方式来发展微重力科学，更加肯定了地基实验对于最终空间实验的重要作用。 尤其是1986年美国’挑战者”号航天飞机失事，不仅使有关空间微重力科学实验出现了最低潮，而且把研究工作引向了发展飞行实验设备、地面实验设备以及地基实验上。; 我国的微重力晶体生长研究始于20世纪80年代中期，中国科学院半导体研究所和航天部501所合作，于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。