空间材料科学的前沿学科——微重力晶体生长

 一、微重力晶体生长环境人类为了自身的生存,希望有一天能走出地球,从外层空间索取他们赖以生存的部分或全部资源.作为人类走向外层空间的第一步,当然是利用近地空间资源.而微重力资源则是首先受到重视和研究的近地空间资源之一。人们对空间晶体生长的研究,经历了从零重力到微重力的认识阶段.在60年代末到70年代初期,材料科学家们认为天空实验室内的晶体生长过程应是零重力场下的固-液界面反应过程,但一系列空间晶体生长实验表明:由于实验系统运动状态的不稳定,空间晶体生长环境仍然存在重力(g).     

微重力下溶液法晶体生长模型中晶体生长界面稳定性的研究

研究在微重力条件下溶液法晶体生长的一个二维数学模型中晶体生长界面的稳定性问题.对晶体生长界面为不同倾斜角度的平面的情况作了数值计算,计算结果表明有可能存在一个稳定的晶体生长界面,它应该是一个在Y=λ这一端向后倾的适当形状的曲面 关键词： 微重力 溶液法晶体生长 二维模型 生长界面的稳定性     

微重力条件下溶液系统中晶体生长的模拟计算

我们曾对在微重力条件下溶液系统中的晶体生长作了较系统的模拟计算,本文对此作了总结。详细介绍了计算方法,并对获得的有关空间晶体生长的一些有意义的结论作了概括和讨论     

微重力条件下溶液系统中晶体生长的模拟计算

我们曾对在微重力条件下溶液系统中的晶体生长作了较系统的模拟计算,本文对此作了总结。详细介绍了计算方法,并对获得的有关空间晶体生长的一些有意义的结论作了概括和讨论     

空间晶体生长

 无论在陆地、海洋还是天空,地球上的物体,包括我们人类,一直在一个G₀决定的重力下存在着、发展着。人们似乎习惯了这样的环境,要想摆脱重力影响倒成了不可思议的事情.然而,一些科学工作者从高处跌落的瞬间“失重”现象中受到了启迪,开始思考如何在材料制备中利用近地空间的特殊环境,探索晶体生长研究的新途径.     

微重力条件下材料气相生长研究进展

本文概述了近二十多年来国外空间气相生长晶体材料及薄膜材料研究工作的进展状况．着重介绍了国外空间气相生长研究的历史过程、研究的主要内容及所采取的研究手段,详细地总结了关于空间气相生长的主要飞行结果,并对国外如何进行数值模拟和实验室模拟等地面准备工作做了较充分的描述．     

磁场微重力效应的研究

将导电的液体置于磁场中,使导电液体中浮力驱动的自然对流减弱甚至消失,在导电液体中制造出了二级微重力效应,将这种情况称为磁场微重力效应.通过研究导电液体自然对流驱动力的无量纲Grashof数的变化,发现微重力效应的水平可以用公式g_m＝（β₀/β_m）（ν₀ /ν_m）²g₀ 计算,如果略去一次项,则可用g_m＝（ν₀ /ν_m）²g₀来估算.测量研究了不同磁场条件下硅熔体的磁黏度,估算不同磁场强度对应的磁场微重力水平后,发现估算结果与实验结果基本符合. 关键词： 磁场 二级微重力效应 Grashof数 微重力水平     

微重力条件下材料气相生长研究进展

本文概述了近二十多年来国外空间气相生长晶体材料及薄膜材料研究工作的进展状况．着重介绍了国外空间气相生长研究的历史过程、研究的主要内容及所采取的研究手段，详细地总结了关于空间气相生长的主要飞行结果，并对国外如何进行数值模拟和实验室模拟等地面准备工作做了较充分的描述．     

微重力环境下磁力实验观察与研究

根据自由落体原理,建立了一个短时微重力实验系统,并在其模拟的微重力环境下,观测了磁铁速度与磁力变化,通过对采集图像的处理技术,定性分析了其变化的原因。     

短时微重力条件下燃料电池性能实验研究

开展了不同重力情况下燃料电池性能的实验研究.利用微重力落塔,对常重力和微重力条件下燃料电池发电时其内部的两相流动开展了可视化现场观测.对重力因素对燃料电池内部传质过程的影响进行了分析和讨论.实验结果表明:当电流密度较大时,在微重力环境中燃料电池性能较常重力环境中的有较明显下降.由于微重力条件下浮升力的消失导致气体不能及时从流道中排出,进而对直接甲醇燃料电池内的传质过程产生负面影响.     

超导体MgB2的晶核形成及生长过程研究

根据镁和硼的基本化学性质、杂化轨道理论、前线轨道理论和粉末反应理论,分析了粉末反应中MgB2晶核的形成及生长过程.这一过程可分为三步完成：1.两种粉粒碰撞接触后,做反相微幅受迫振动,这种振动产生晶核的形成及生长区;2.两个硼原子相遇,价轨道经sp2杂化后形成B2,镁原子的两个3s价电子填入B2的π轨道形成π键,生成Mg...     

微重力环境下液体表面张力的实验观察与研究

在微重力环境中,重力的作用几乎消失,液体的表面张力起主导作用,微重力下液体的流动特性和平衡界面也会产生显著变化．为了使学生们能更真切、更直观地观察到微重力下的奇妙现象,我们搭建了短时微重力系统并开展了一些实验演示与观测研究．通过微重力系统模拟微重力环境,可以清楚地观察到液体表面的变化,更有助于同学们深入了解微重力下的物理规律和实验现象,对于激发同学们认识和发现新的规律和总结新的定律具有重要意义．     

INFLUENCE OF INTERFACE KINETICS ON THE RELAXATION BEHAVIOR IN SOLUTION SYSTEM FOR CRYSTAL GROWTH UNDER MICROGRAVITY

The influence of the interface kinetics at the growth face of a crystal and at the surface of material of solute source on the relaxation behavior in a solution system for crystal growth under microgravity is studied. Because the variation of the solution density caused by the solute concentration change can be omitted and only that caused by the temperature change is taken into account, the interface kinetics does not influence the relaxation behaviors of the fluid velocity and the temperature distribution index S_θ (see text). The relaxations of the concentration distribution index S_φ (see text) and dimensionless average growth rate of crystal \bar{V}_cg are calculated under the square pulsed fluctuations of the gravity level or the temperature at the growth face of crystal. Introduction of the interface kinetics makes the value of S_φ enlarged and the perturbation peak of the S_φ-τ curve caused by the gravity level or temperature fluctuation lowered. While the perturbation peak and the valley of the \bar{V}_cg-τ curve caused by the negatively and positively pulsed temperature fluctuation, respectively, is lowered and shallowed by the interface kinetics.     

分析半透明单晶生长传热过程的边界元方法

论文发展了一个能求解带相变运动界面非定常传热和非线性热物理特性问题的双倒易边界元方法。数值模拟了半透明单晶生长中热过程的一个例子。由于方法是纯边界积分方法,计算量与计算内存都大大减少。获得了单晶生长过程瞬态温度场分布和固液相界面形状时间推进的一些结果。     

晶体生长的缺陷机制

晶体生长是一个复杂的相变过程。自80年代以来,闵乃本及其研究组系统地研究了晶体生长的缺陷机制。在理论分析和实验观察的基础上,他们发展了晶体生长的位错机制（包括刃位错和混合位错机制）,层错机制,孪晶机制、重入角机制以及重入角生长和粗糙界面生长的协同机制。根据这些机制可以得出结论：任何可以在晶体生长表面提供台阶源的缺陷都能为晶体生长作出贡献,这些台阶源包括完全台阶和不完全台阶（亚台阶）,近年来,P.Bennema及其合作者系统地研究了在照相工业中广泛应用的卤化银和金属银的晶体生长机理,在大量实验事实和理论分析的基础上,他们认为亚台阶理论（称作闵氏理论）不仅可适用于溶液生长,也适用于气相生长的机理研究;不仅适于作理论分析,而且可用于寻求最佳生产条件的指导,亚台阶理论是晶体生长的一个普适理论,文章介绍了闵乃本及其研究组提出理论及P.Bennema研究组近年来在这方面的工作进展。     

微重力下环境压力对火焰传播的影响

研究表明,在微重力环境中,当强制对流速度很小时,环境压力的增大会加强氧气的扩散,减弱辐射热损失对火焰的冷却效应,使火焰传播速度增大。但随着强制对流速度的增大,对流成为质量传递的主要途径,化学反应速率受化学反应动力学因素控制,火焰传播速度对压力的变化不敏感。     

微重力下液封对液桥内热毛细对流影响的研究

本文建立了具有液封的液桥（不相溶混的双层同轴液柱）内热毛细对流的物理模型和数学模型。采用涡量－流函数法对微重力条件下具有液封的液桥内热毛细对流进行了数值模拟，得到了双层液柱主流区的温度场和流场，证实了液封能够削弱液桥内热毛细对流，从而提高浮区晶体生长质量，并得到液封厚度对液桥内热毛细对流的影响规律。