微重力与电磁场对凝固过程的影响

欧洲空间局两项材料领域课题MICAST和CETSOL均涉及微重力科学相关研究.通过等轴晶柱状晶转变（CET）分析了微重力环境对材料凝固过程的影响;介绍了一项在地面施加行波电磁场的标准（Benchmark）凝固实验,其温度场演化及微观凝固组织和浓度偏析均展示了磁控受迫对流对金属材料凝固过程的显著作用.      

枝晶生长中的对流效应与形态选择——地基实验研究

通过在生长界面前区域创生液相流动,研究了在稀薄合金中对流对强制性枝晶生长的作用。本文首次报告了对流对强制性枝晶生长的影响。SCN—Acc.模型合金中的定量实验表明,枝晶生长的动力学和形态是温度梯度、生长速度和枝晶端前沿液体流动速度的函数。作为以地面为基础的实验研究,将有助于理解太空凝固试验的结果。     

空间微重力条件下偏晶合金的研究

利用我国首次卫星搭载,进行了偏晶合金Zn—Pb、Al—Pb 的空间微重力下的重熔试验,研究了低于临界温度下Al—Pb 合金重熔过程中的物理规律;在临界温度之上重熔了Zn—Pb 合金,发现了Marangoni 对流对合金凝固过程的影响;在液态烧结条件下制备了均匀的粉末Zn—Pb 合金。在微重力下的研究表明:空间微重力条件对消除由于重力引起的宏观偏折和自然对流十分重要,但在重力消失后,非重力的其它因素的影响又显得格外重要。     

A1-3.4%Bi合金定向凝固组织形成过程

对Al-3.4%Bi(质量分数)偏晶点成分合金开展了定向凝固实验,并对其凝固组织形成过程进行分析.结果表明,Al-Bi偏晶点成分合金定向凝固时在凝固界面前沿液相内形成溶质Bi富集层,并在该区域内发生液液相变.当试样凝固速度较慢时,合金凝固后弥散相粒子尺寸呈现双峰分布;当凝固速度较快时,凝固界面前沿所有尺寸的少量相液滴均向凝固界面迁移,合金凝固后弥散相粒子尺寸呈现单峰分布.     

地面模拟微重力条件下Cu-Pb合金的制备及微观结构与摩擦性能研究

利用地面上建立的微重力电磁模拟设备成功制备出了Cu-Pb二元难混合金,并对其微观组织结构与摩擦性能进行了分析与测试。样品SEM分析结果表明,模拟微重力状态下制备的合金样品较好地克服了地面上因重力影响而产生的严重成分偏析,少数弥散相较均匀地分布于基体中,少数相含量越低,弥散体尺寸越小,分布越均匀;摩擦性能测试结果显示合金模拟样品的摩擦性能明显好于基体金属,且摩擦系数随少数相Pb的含量的增大而减小,体积磨损率随少数相含量的增大先快速减小而后又缓慢增大。同时对实验结果进行了简单的分析与讨论。      

微重力下相变储能单元融化过程数值模拟

为探究微重力环境中,通过肋片强化了传热的相变储能单元中相变材料融化过程,通过数值模拟方法探究了微重力作用时相变材料融化过程中传热特性。通过地面实验与重力作用下数值模拟结果对比验证数值模拟方法的准确性,对比重力和微重力作用2种情况下数值模拟结果以揭示微重力环境中相变材料融化过程的特性。结果表明,当相变储能单元受微重力作用时,相变材料融化速率明显下降,热量主要通过热传导传递,融化的相变材料从顶端膨胀溢出向空间扩散,局部低温区域在相变储能单元中上部。      

微重力下胶原蛋白纤维化及羟基磷灰石结晶的初步研究

在长期空间飞行过程中, 骨质丢失是一个严重问题. 羟基磷灰石(HAP)晶体是骨骼的主要成分, 骨骼中的胶原蛋白纤维在HAP生长结晶过程中起到关键作用. 研究了胶原蛋白纤维化过程在模拟微重力和常重力条件下的变化, 对以胶原 蛋白纤维作为模板生长出的HAP晶体形貌进行了观察. 结果表明, 不同浓度胶原蛋白溶液中形成的胶原蛋白纤维, 其内部孔隙数量和尺寸在模拟微重力条件下要明显大于常重力条件下, 胶原蛋白纤维内部孔隙的分布也不同于常重力条 件下的结果. 以模拟微重力条件下形成的胶原蛋白纤维为模板生长出的HAP 晶体主要为立方体状, 而以常重力条件下形成的胶原蛋白纤维为模板生长出的 HAP晶体形貌主要为板状. 该结果有助于未来进一步阐明空间骨质丢失的机理.      

TiAl/IN718合金过渡液相连接

采用过渡液相TLP(Transient Liquid Phase)连接技术,以金属Ti,Cu,Ni箔构成复合焊料连接TiAl和IN718合金.研究了保温时间对接头界面结构的影响.实验结果表明:采用Ti-Cu,Ti-Ni复合焊料可以制备无缺陷的接头,但2种焊料形成液相的过程和机理不同.由于在等温凝固过程中,从IN718合金中扩散过来的合金元素可在焊缝区聚集,从而在接头中形成亚层结构.通过对接头焊缝区的组织分析和硬度测试表明,在实验条件下Ti-Ni焊料的等温凝固过程持续时间比Ti-Cu的短.     

用电磁力模拟空间微重力效应制备二元偏晶合金

提出了一种在地面利用电磁场与金属熔体的相互作用来模拟失重效应的方法。探讨了实现准失重环境的可能性,建立了准失重模拟装置。并成功地制备了均匀的Pb-Zn二元偏晶合金样品。实验结果表明,用此方法进行微重效应模拟可消除重力造成的斯托克斯(Stokes)沉积,制备的Pb-Zn二元偏晶合金中的弥散体(Pb)分布均匀,铅粒子的形状主要为微米量级的小球。与我们在我国返回式实验卫星上搭载的Pb-Zn合金样品相比较,其弥散体的分布状况无大的差异,只是前者弥散体尺寸略大于空间样品。然而,用该方法在准失重条件下制备的样品,无论在弥散体大小和均匀程度方面都与地面普通条件下(受重力影响)的样品有本质的区别。     

微重力环境下植物培养箱设计

基于空间微重力下植物的生物学效应及其微重力信号转导研究需要,在微重力条件下培养拟南芥,获得经微重力条件生长的拟南芥样品.在空间实验过程中实时采集、存储和传输植物样品的数字图像,并根据生物样品的生长周期对生物样品进行低温固定和储存,再由返回式卫星带回地面,开展微重力植物生物学效应研究.      

实践十号卫星有效载荷胶体材料箱地基实验

胶体材料箱是装载于实践十号上的重要载荷,用于空间胶体自组装的实验研究.地基实验阐明了常重力下的蒸发驱动胶体自组装机制.围绕胶体材料箱开展地基实验研究,制备了一种亲/疏水限位基片,分析了蒸发过程中受限液滴接触角的变化规律.通过同步显微观察法研究受限胶体液滴内部粒子的沉积行为,发现粒子沉积图案的形成过程由三种动力学行为控制.另外,通过落塔装置模拟短时微重力环境,分析重力瞬变引起限位基片上液滴的振荡过程,揭示了振荡过程中两个不同阶段的振荡特性.地基实验结果为在轨实验工况确定以及空间与地面实验对比提供了数据支撑,这对箱体工程参数设定以及空间实验条件匹配等具有重要意义.      

空间飞行与回转器回旋条件下青菜开花与花粉发育的研究

比较研究了SJ-8返回式卫星留轨舱微重力条件与地面三维回转模拟微重力条件下青菜生长与发育情况.研究发现空间微重力条件下青菜开花过程需要大约18 h,明显长于地面对照5 h左右.回转器模拟实验结果表明,改变重力影响了花瓣的伸展与发育及花粉的产量,回转条件下花粉细胞中的微管排列明显不同于静止对照.细胞骨架受到干扰可能是改变重力条件下花粉产量降低的原因之一.本研究首次报道了在空间飞行试验中成功地采用了显微实时图像技术观察植物的开花过程,并获得了从花蕾到开花结束各阶段清晰的图像.      

地面模拟静止微重力环境中导线先期着火特性研究

针对在微重力环境中运行的载人航天飞行器上的电缆和导线在工作时由于电流过载导致温度升高而引起着火的情况,提出了"功能模拟"实验原理,并且利用地面实验设备对微重力环境下导线的着火前期特性进行了功能模拟实验研究.通过实验,得到了在微重力情况下由于浮升力的减小使自然对流减弱导致电流过载时导线的热平衡温度高于地面正常重力情况,从而证明了这正是引起航天飞行器着火的潜在点火源.      

用国产装置进行的空间蛋白质结晶实验

使用国内研制的管式汽相扩散结晶装置,在我国返回式卫星上,成功地完成了两次空间蛋白质晶体生长实验,10种不同种类的蛋白质配制的48个样品在空间的出晶率分别达52%和80%,其中少数蛋白质生长出了较高质量的蛋白质晶体。结果表明,空间的微重力环境利于改善蛋白质晶体的生长,而且在结晶条件优化足够好的条件下,在空间里能生长出比地面晶体尺寸较大、形态较好和内部有序性较高的蛋白质晶体。本文还就微重力对蛋白质晶体生长的具体作用及其开发利用做了讨论。      

微重力条件下红外材料的空间生长

根据近年红外材料在空间生长的研究概况,分析了涵盖熔体、气相、液相外延和分子束外延等生长方法及各个方法生长红外材料的基本原理,在地面生长遇到的问题,以及在空间微重力环境中进行红外材料生长的优势.同时基于中国利用熔体法在天宫二号上已经进行的ZnTe:Cu晶体的空间生长科学实验及地基实验结果,通过对空间和地面实验结果进行对比,提出了在超高真空环境下,利用分子束外延方式生长高性能、大尺寸红外材料的可能性,以及未来在空间微重力条件下进行红外材料生长的研究方向及具体应用.      

微重力环境下的表面张力及无接触测量

表面张力是材料重要的物理化学参数之一, 尤其在微重力条件下, 由表面张力引起的科学现象一直备受关注. 静滴法是地面重力条件下进行熔体表面张力测量的主要方法, 该方法的测量结果精确, 但在微重力环境下该法应用尚存在一些问题. 本文基于对表面张力理论的思考, 阐述了对其测量方法的认识和见解, 并讨论了地面上采用静滴法对熔体的表面张力进行测量研究以及静滴法在微重力条件下应用的困难. 进而介绍了利用悬浮技术进行熔体表面张力测量的无接触测量方法, 特别介绍了电磁悬浮法, 该法避免了由于容器接触带入杂质所引起的误差, 尤其在微重力条件下消除了重力的影响, 测量精度得到显著提高.      

微量B和C对TiAl合金铸锭缩孔缩松的影响

采用真空感应磁悬浮熔炼合金、重力浇注入室温石墨模具的方法,分别制备了Ti-47Al-2Cr-2Nb,Ti-47Al-2Cr-2Nb-0.8B和Ti-47Al-2Cr-2Nb-0.1C 3种名义成分的铸锭.对铸锭进行成分分析并利用体视显微镜和扫描电子显微镜对铸锭的铸造收缩缺陷和组织进行分析.结果表明:Ti-47Al-2Cr-2Nb合金铸锭有很强的柱状晶生长趋势,在轴线附近区域形成分散的缩松;加入0.8%B(原子分数)后,铸锭的组织得到细化,并削弱了柱状晶生长趋势,收缩缺陷分布集中以大缩孔方式存在,显微缩松的密度和尺寸均降低.添加0.1%C(原子分数)后,铸锭的组织和缩孔缩松与Ti-47Al-2Cr-2Nb比均无明显变化.     

天宫二号碲化锌晶体生长

在天宫二号飞船综合材料实验炉六工位采用碲熔剂法生长了碲化锌晶体,生长时最高温度为800℃,以0.5mm·h-1的提拉速度向炉膛内部提拉生长晶体.飞行实验后,用相同实验参数在地面进行了对比实验.结果发现,空间样品尾部有一个非常大的橙色结晶区域（约10mm×6mm×2mm）,而地面生长样品中碲化锌晶体尺寸仅为约3mm×3mm×1mm,空间生长的碲化锌晶粒尺寸明显优于地面.空间微重力环境下,由于毛细作用,空间样品的塞子处有Te和ZnTe的外延膜生成.而地面生长的锭条在塞子处只有零星点状气相生产物.因此微重力条件有利于碲化锌晶体材料的生长.      

微重力煤燃烧研究现状及发展趋势

微重力环境抑制了煤在地面燃烧时所受的浮力影响,提供了发现煤燃烧新现象及获得更准确的煤燃烧数据的理想条件,相关研究有助于揭示煤燃烧的基本规律和浮力对煤燃烧的作用,研究结果可用于校核和发展煤燃烧模型,进而促进地面煤的高效低污染利用.综述了国内外微重力煤燃烧研究现状,介绍了最新进展和成果,并对未来研究进行展望.      

重力对单气泡生长特性的影响

采用VOF (Volume of Fluid)多相流模型, 通过用户自定义函数UDF (User Defined Function)实现相变过程中质量和能量的输运, 对微重力条件下尺寸为10mm × 10mm × 25mm的矩形通道的池沸腾现象进行数值模拟, 得到了微重力及常重力作用下单个气泡生长特性的差异. 模拟结果表明, 微重力条件下气泡周围的流线与温度场的分布有显著差异; 由于表面张力作用, 微重力下的气泡脱离特性与常重力下不同; 在微重力条件下, 气泡直径的变化比较复杂, 并与重力加速度的大小有关; Marangoni流对微重力下的流动影响很大, 使换热系数波动, 而且波动的幅度随重力加速度的减小而增大.