材料制備技術(shù)-55-微重力合成方法課件

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微重力及其特點(diǎn)

宇宙空間任何兩個(gè)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(huì)產(chǎn)生鉛直方向的加速運(yùn)動(dòng)。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。7/31/202325.5微重力合成5.3.1微重力及其特點(diǎn)宇宙空間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(shí)的重力場(chǎng)。即g=10-6g0。目前微重力的概念已延拓，通常把g<10-2g0的環(huán)境都稱為微重力環(huán)境。月球重力場(chǎng)：0.16g0火星重力場(chǎng)：0.3g07/31/202335.5微重力合成所謂的微重力是指重力減小到地球表面重力百萬5.5微重力合成1957年，第一顆人造地球衛(wèi)星升空。人造衛(wèi)星載人飛船太空實(shí)驗(yàn)室空間站

航天飛機(jī)專用飛行平臺(tái)，人類掌握了太空往返、設(shè)站的能力。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。7/31/202345.5微重力合成1957年，第一顆人造地球衛(wèi)星升空。人造衛(wèi)5.5微重力合成通過初期的研究，對(duì)微重力環(huán)境的取得以下一些認(rèn)識(shí)：②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。①在微重力環(huán)境下，浮力引起的對(duì)流消失或大大減弱，使過程控制和分析大大簡(jiǎn)化。③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。7/31/202355.5微重力合成通過初期的研究，對(duì)微重力環(huán)境的取得以下一些5.5微重力合成④在微重力環(huán)境下，可進(jìn)行無容器加工，用靜電力、電磁力、聲壓輻射壓力可克服飛行器剩余加速度，使液滴或熔融體維持在一定位置，不用器壁幫助，這對(duì)測(cè)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(shí)驗(yàn)系統(tǒng)微重力條件下的材料實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)分為地面模擬系統(tǒng)和軌道實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。7/31/202365.5微重力合成④在微重力環(huán)境下，可進(jìn)行無容器加工，用靜電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(jìn)行各種實(shí)驗(yàn)，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。7/31/202375.5微重力合成1.地面模擬系統(tǒng)的設(shè)施（1）落塔落5.5微重力合成落塔的特點(diǎn)：①參數(shù)可調(diào)，初始狀態(tài)可預(yù)置干擾；地面模擬系統(tǒng)②艙體大，可進(jìn)行多種設(shè)備的綜合實(shí)驗(yàn)；③可多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，便于驗(yàn)證結(jié)果，補(bǔ)充修改實(shí)驗(yàn)方法、程序和設(shè)備。④實(shí)驗(yàn)觀測(cè)可多途徑實(shí)施；⑤塔是永久性設(shè)備，艙體備有多種，可并行進(jìn)行準(zhǔn)備和實(shí)驗(yàn)。⑥每次使用費(fèi)用不大。7/31/202385.5微重力合成落塔的特點(diǎn)：①參數(shù)可調(diào)，初始狀態(tài)可預(yù)置干擾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(shí)又是實(shí)驗(yàn)設(shè)備的一部分，是在實(shí)驗(yàn)樣品經(jīng)管道下落時(shí)可進(jìn)行無容器、微重力實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)達(dá)到目的。7/31/202395.5微重力合成（2）落管以豎直的管道代替落塔塔體，該管道同5.5微重力合成落管的特點(diǎn)：體積輕巧，簡(jiǎn)便易行，加工樣品小。落管的發(fā)展現(xiàn)狀：美國(guó)：Marshall空間飛行中心的100m、32m一批落管基地。法國(guó)：Grenoble建立50m高落管，具有10-5微重力場(chǎng)德國(guó)：世界最高的落管，144m。7/31/2023105.5微重力合成落管的特點(diǎn)：體積輕巧，簡(jiǎn)便易行，加工樣品小5.5微重力合成（3）失重飛機(jī)

原理：水平速度為常數(shù)，作平拋運(yùn)動(dòng)。所獲微重力時(shí)間取決于飛機(jī)的性能，初速度越大，時(shí)間越長(zhǎng)。優(yōu)點(diǎn)：可載人。缺點(diǎn)：微重力水平不高（10-3g0），重復(fù)性較差。7/31/2023115.5微重力合成（3）失重飛機(jī)原理：水平速度為常數(shù)，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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(dá)頂點(diǎn)之后往返至較稠密大氣高度，實(shí)驗(yàn)結(jié)束，共獲數(shù)分鐘微重力環(huán)境。7/31/2023125.5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5.5微重力合成2.軌道實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

返地式衛(wèi)星、航天飛機(jī)、載人飛船、太空實(shí)驗(yàn)室和空間站等。維持時(shí)間從幾天到數(shù)月，甚至幾年。

軌道實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是材料空間加工的根本場(chǎng)所，而地面模擬系統(tǒng)是材料空間制備的準(zhǔn)備系統(tǒng)。7/31/2023135.5微重力合成2.軌道實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)返地式衛(wèi)星、航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(hào)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(shí)驗(yàn)，從此揭開了空間材料與加工的序幕。7/31/2023145.5微重力合成5.3.3微重力研究歷史5.5微重力合成全面展開：1972年，美國(guó)的Apllo飛船與前蘇聯(lián)的聯(lián)盟號(hào)飛船對(duì)接，并在其中利用美國(guó)的“通用號(hào)”太空爐展開了晶體生長(zhǎng)、合金定向凝固、固-液界面反應(yīng)等多方面的實(shí)驗(yàn)，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(gè)階段：1969~1979年為空間材料與加工的第一階段；20世紀(jì)80年代進(jìn)入第二階段—微重力科學(xué)階段。7/31/2023155.5微重力合成全面展開：1972年，美國(guó)5.5微重力合成我國(guó)的微重力晶體生長(zhǎng)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(guó)返回式衛(wèi)星在空間進(jìn)行了GaAs單晶體的生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)。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(shí)驗(yàn)?！捌呶濉逼陂g，中科院組織了“重中之重”項(xiàng)目-微重力科學(xué)基礎(chǔ)研究，開展空間晶體生長(zhǎng)方法和機(jī)制、金屬合金無容器制備過程以及相分離和粗化機(jī)制研究，還建立了用于模擬空間晶體生長(zhǎng)過程的激光全息原位實(shí)時(shí)觀測(cè)臺(tái)。7/31/2023165.5微重力合成我國(guó)的微重力晶體生長(zhǎng)的研究始于20世紀(jì)85.5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(duì)流，從而影響材料的加工質(zhì)量，微重力環(huán)境中浮力對(duì)流和密度分層都極大減弱，為研究晶體生長(zhǎng)和材料加工提高了極好的條件?？梢愿玫匮芯肯嘧兘缑娴某珊伺c凝固過程及流體中各種場(chǎng)與相變后的固體微觀結(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(dòng)對(duì)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(zhǎng)和材料加工的機(jī)理，可以加工出比地面質(zhì)量更好的材料。7/31/2023175.5微重力合成5.3.4微重力技術(shù)應(yīng)用在地面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(huì)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(diǎn)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。7/31/2023185.5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5.5微重力合成2.砷化鎵（GaAs）單晶的等效微重力生長(zhǎng)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(jì)算機(jī)、精確制導(dǎo)組件、靈巧武器、電子對(duì)抗、雷達(dá)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(cuò)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)。7/31/2023195.5微重力合成2.砷化鎵（GaAs）單晶的等效微重5.5微重力合成空間實(shí)驗(yàn)已證實(shí)：在微重力條件下生長(zhǎng)砷化鎵單晶能提高質(zhì)量，特別能改善