微重力凝固
物理学实验中的微重力实验方法与技巧
物理学实验中的微重力实验方法与技巧微重力实验在物理学研究中具有重要的地位，它能够模拟地面引力场以外的物理条件，为研究材料性质、流体动力学和微重力环境下的物理现象提供了重要的手段。
本文将介绍物理学实验中的微重力实验方法与技巧，希望对读者在进行相关实验时有所帮助。
一. 宇宙中微重力环境的模拟在地面实验中模拟微重力环境，有多种方法可供选择。
以下是其中几种常用的方法：1. 自由落体实验自由落体实验是模拟微重力环境的常用方法之一。
在自由落体状态下，实验装置与载体同时处于自由落体状态，实验装置内的物体由于没有受到外力的干扰，可以在近似真空的环境中进行实验，减小地面引力的影响。
2. 磁悬浮实验磁悬浮实验是利用磁场的力来抵消地面引力的影响，实现物体在微重力状态下的悬浮。
磁悬浮实验常用于液体表面张力的研究，通过磁场的力平衡，可将液体悬浮在磁场中进行实验。
3. 零重力飞机实验零重力飞机是通过特殊的飞行轨迹，在飞行过程中制造持续短时间的微重力环境。
在零重力飞机实验中，实验者可以在短暂的微重力环境下进行实验，并观察物体在微重力环境中的行为。
二. 微重力实验的技巧和注意事项进行微重力实验时，需注意以下几点技巧和注意事项：1. 实验装置的设计在进行微重力实验前，需根据实验要求设计合适的实验装置，包括悬梁、支架等。
实验装置的设计要合理，能够在微重力环境下保持稳定，并且具备较好的抗振性能，以保证实验结果的准确性。
2. 实验参数的记录在微重力实验过程中，需准确记录实验参数，如时间、温度、压力等。
这些参数对于实验结果的分析和比较具有重要的指导意义，应该被认真记录。
3. 数据处理与分析微重力实验得到的数据需要经过合理的处理与分析。
数据处理的过程中，可以利用数学模型和统计方法对实验结果进行定量分析，得到更加科学准确的结论。
4. 实验环境的控制微重力实验中，实验环境的控制尤为重要。
包括温度、湿度等环境参数的稳定，以及实验装置的防震措施。
铝合金熔炼及铸轧基础知识
当 180完全不润湿 f ( ) 1，则 G** G*
当 90部分润湿
当 0完全润湿
f ( ) 1，则
2
f ( ) 0，则
G** 1 G* 2
G** 0
一般情况下，质点（c）与新相（s）或多或少润湿，即
0 180 ，这时总存在：
G** G*
异质形核与均质形核相比，其特点是： 形核过冷度小； 形核功小。
2
形核功：
G
16
3
3 SL
Tm LmT
r* 与ΔT 成反比，即过冷度ΔT 越大，r* 越小； ΔG*与ΔT2成反比，过冷度ΔT 越大，ΔG* 越小。
临界晶核的表面能为：
A
SL
4
(r )2
SL
16
3 SL
VSTm H m T
2
形核功为：G
16
3
3 SL
VS Tm H m T
2
所以：
界面的溶质分布规律不遵循状态图。其理论
尚未完全建立。
2.2 微重力凝固 即失重状态下的凝固，重力加速度g＜9.8m/s2（如
太空中的凝固）。获得微重力环境的主要方法有：落塔、 落管；飞机、火箭的下降；太空轨道飞行。 2.3超重力凝固
重力加速度g＞9.8m/s2环境下凝固。此条件下加速了 质量、动量及能量的传递。实现超重力的手段有：离心 机；飞机、火箭的加速上升等。
铝合金的熔炼及铸轧
主要内容
一、超级铝 二、金属的凝固 三、铝合金熔炼 四、铝合金铸轧
一、超级铝
1.1 超级铝 在现有金属装备基础上将金属合 金性能提高50%-80%。
1.2 实现的途径 （1）熔炼 （2）铸造 （3）变形 （4）热处理
第二章 微重力物理学实验
我们 对于 物理 学 的认 识大 多是 基于 与重 力 相关 的基 础 方程 。美 国 “ 命运 ”实验 室提 供 了一个 无重 力 条件下 长 期物 理效 应研 究 的场 所 ，这 是其他 任 何实 验室 都无 法 与之 相 比 的 。在 这一 实验 室 中没有复 杂 的重力相 关 的过程 （ 如对 流和 沉淀 ） 。独特 的微 重力环 境 可
的物 理假 设 。
蛋 白晶体生 长
高质量 的 晶体 实验来 自于地 面研 究 。蛋 白晶体 的研 究对 于 蛋 白可 视化 以及 研 究新 药
和 农业 产 品非常 有意义 。
表 ２ 国际空间站上开展 的物理学实验 （ 学科 分类） 按 流体物理 学
Ｃ Ｅ（ Ｆ 毛细 流 动 实验 ） Ｆ Ｍ （ 体 融合 粘 滞 度 测 量 ） ＭＶ 流
Ａ Ｃ － ｃａｅ ｉｓ（ Ｐ Ｆ Ｏ ｔｒｌｎ 先进 蛋 白结 晶 设 备— — 下一 代 Ｏｃ ｒｌｎ 的 结 晶 ） ｌ ｔ ｅｌ ｓ ａ ｉ
Ａ Ｃ — Ｐ Ｏ（ Ｐ Ｆ Ｐ ＧＩ 先进 蛋白结晶设备—— 微重力骨胶原模型多肽的蛋 白质结 晶：如 Ｐｏ Ｐｏ Ｇ ｙ０ ｒ— ｒ－ ｌｌ ） Ａ Ｃ 视 紫质 （ Ｐ Ｆ一 先进 的蛋 白结晶化设备——微重力下的视紫红质 结晶）
使不 同的物理特 性 主导 整个 系统 ，这 为物 理 学 宽泛 的各 种各 样 的研 究 提供 了平 台 。
国际空 间站物 理 学实 验项 目包 括物 理 学 的许 多分 支学 科和 材 料科 学 。实验 可 以广 义 地分 为流 体物 理 学 ，测 试 如毛 细管 现象 、可混 和液 体 及气 泡动 力学 。还 有 一些 实验 集 中 在物 理 学相对 较 新 的领 域 ，包 括软 物质 和 胶体 系统 。另外 一系 列 实验关 注 晶体 生长 ，特 别 是微 重力下 的 蛋 白晶体生 长 。太 空 中晶体 的生长 （ 白质 晶体和沸 石 晶体 ） 蛋 ，不 受 重力 的沉 淀和 对流 效应 影 响 ，可 以提 供 比地 面 更大 更纯 的 晶体 。 国际空 间站 上 的结 晶实 验研
单、多选题判断题及答案(材料成型原理)答案
单选题1、影响液态金属的凝固过程的起伏不包括(D )Ａ温度起伏Ｂ结构起伏Ｃ成分起伏Ｄ组织起伏2、影响液态金属粘度的主要因素不包括（B ）Ａ化学成分Ｂ熔点Ｃ温度Ｄ夹杂物3、当润湿角θ为（C ）时，称为绝对润湿A大于90° B小于90° C等于0° D等于180°4、不属于影响液态金属表面张力的因素是（B ）A熔点B化学成分C温度D溶质元素5、使液态金属表面张力下降的溶质元素叫做（C）A非表面活性元素B负吸附元素C表面活性元素D以上都不对6、以下说法不正确的是（C ）A粘度越大，对流强度越小B粘度越大，流动阻力越大C在材料成形过程中，金属夜的流动性以分层流方式流动最好D流体的流动分为分层流和紊流7.液态金属本身的流动能力称为（A）A.流动性B.充型能力C.刚直性D.自然对流8. 液态金属本身的流动性与下列（D）无关A.成分B.温度C.杂质含量D.外界因素9.下列不属于液态金属的凝固方式的是（C）A.逐层凝固B.中间凝固C.流动凝固D.糊状凝固10.下列不属于液态金属凝固过程中传热方式的是（C）A.传导传热B.对流换热C.结晶散热D.辐射换热11.液态金属充满铸型的时刻至凝固完毕所需要的时间为铸件的（B）A.充型时间B.凝固时间C.结晶时间D.蓄热时间12.液态金属的流动性好，其充型能力（A）A.强B.弱C.时强时弱D.无关13.液态金属从液态变为固态的过程为（C）A.结晶B.充型C.凝固D.对流14.纯金属、成分接近共晶成分的液态金属其凝固方式为（A）A.逐层凝固B.中间凝固C.流动凝固D.糊状凝固15.结晶温度范围大的液态金属其凝固方式为（D）A.逐层凝固B.中间凝固C.流动凝固D.糊状凝固16.液态金属在流动方向上所受的压力越大，其充型能力（A）A.越强B.越弱C.时强时弱D.无关17、有关液态金属的凝固过程的描述错误的是（C ）A降低系统自由能B是一种相变C增加系统自由能D自发过程18、晶体从缺陷处生长的种类不包括（D ）A螺旋位错生长B旋转孪晶生长C反射孪晶生长D平行位错生长19、晶体宏观长大方式包括（B ）A螺旋位错生长B平面方式生长C反射孪晶生长D旋转孪晶生长20、晶体宏观长大方式包括（A ）A树枝晶方式生长B旋转孪晶生长C反射孪晶生长D螺旋位错生长21、异质形核速率与下列哪种方式无关（D ）A过冷度B界面C液态金属的过热D操作22、根据构成能障的界面情况的不同，形核方式包括（D）A螺旋位错生长B旋转孪晶生长C反射孪晶生长D均质形核23.除纯金属外，单相合金的凝固过程一般是在一个（C）的温度区间内完成的A.固相B液相C固液两相D固液气三相24.平衡凝固是，溶质的再分配取决于（B）A凝固时间t B热力学参数k C扩散系数Ds D动力学条件25.最终凝固结束时，固相成分为（B）A.平衡固相溶质浓度B液态合金原始成分 C.平衡液相溶质浓度 D.Cs和Cl26.达到稳态时需要的距离X取决于（B）A.R/D l B R/D l和k C.k D.D l27在稳态阶段，由固相中排出的溶质量（B）界面处液相中扩散的量A大于B等于C小于 D.不确定28.（C）是介于液相中完全混合和液相中只有扩散之间的情况A固相无扩散，液相均匀混合的溶质再分配B固相无扩散，液相无对流而只有有限扩散的溶质再分配C.固相无扩散，液相有对流的溶质再分配D.非平衡凝固29.搅拌对流越强时，凝固析出的固相的稳态成分（B）A。
快速凝固与新材料讲解
循环过热法：在非晶态坩埚或形核触发作用较小的坩埚中 对纯金属或合金进行“加热熔化 ---- 过热保护---- 冷却凝固” 循环处理，金属中的异质形核核心通过熔化、分解和蒸发 等途径消失或钝化从而失去衬底作用获得熔体的深过冷。
? 在动力学急冷凝固技术中，根据熔体分离和 冷却方式的不同，可以分成雾化技术、模冷技 术和表面熔化及沉积技术三大类。
雾化技术
? 雾化技术是指采用某种措施将熔体分离雾 化，同时通过对流的冷却方式凝固，其主 要特点是在离心力、机械力或高速流体冲 击力等作用下分散成尺寸极小的雾状熔滴 在气流或冷模接触中迅速冷却凝固。
? 1960年美国加州理工学院的 P Duwez 等采用一种 独特的熔体急冷技术，第一次使液态合金在大于 107K/s 的冷却速度下凝固。他们的发现，在世界 的物理冶金和材料学工作者面前展开了一个新的 广阔的研究领域。在快速凝固条件下，凝固过程 的一些传输现象可能被抑制，凝固偏离平衡。经 典凝固理论中的许多平衡条件的假设不再适应， 成为凝固过程研究的一个特殊领域。
? 熔融玻璃净化法：在熔融玻璃的包覆下进行熔炼，液态金 属中的夹杂物在被玻璃熔体物理吸附的同时，还可以与玻 璃中的某些组元相互作用形成低熔点化合物进入溶剂中， 达到消除异质核心的目的。
? 化学净化法：通过界面与气体间的化学反应使部分氧化物 质点还原、抑制界面处氧化物质点的增加速率来获得深过 冷。
快速凝固与新材料
报告人： 黄中月
报告内容
1 、凝固与材料 2、快速凝固简介 3、非平衡凝固基本现象、规律和理论分析 4、新型金属（合金）材料
Байду номын сангаас
凝固技术-绪论
（4）采用新的加热和制冷技术对凝固过程热平衡条件进行有效控制，进
而控制合金凝固组织，如定向凝固技术、液体雾化法技术等。
凝固技术应用实例（1） --- 传统铸造技术
图9-15归纳了数
十种铸造技术中的
四种铸造工艺过程
简图。
凝固技术应用实例（2） ---- 连续铸造、坯锭铸造
凝固技术应用实例（3） ---- 单晶生长
前苏联学者Be ЙИНК从铸造工程角度，对凝固过程的传热问题进行了
系统深入的研究，为铸造过程控制的科学化提供了理论依据。 捷克籍俄裔铸造工程师Chvorinov通过对大量铸件凝固冷却曲线的分
析，巧妙地引入了铸件模数的概念，得出了著名的平方根定律，至今仍
是铸造工艺设计的理论依据之一。
凝固过程理论的研究进展
工业领域各种构件的铸造成型，以及非晶、微晶材料的快 速凝固，半导体及各种功能晶体的液相生长，所有这些过 程无不伴随有凝固现象。几乎一切金属制品在其生产流程 中都要经历一次或者一次以上的凝固过程。
• 认识和探索并解释凝固过程中的各种现象、并探究凝固规 律的活动已持续数千年。自50年代以来，在现代科学基础
成非晶态玻璃材料，然后通过热处理使其结晶以提高材料的强度。许多热塑性
塑料如聚乙烯、PVC等就是通过与熔化和凝固技术相关的工艺被制造成诸如纤 维、管材、玩具和器皿等。 • 凝固是一门极其重要的技术，被用来控制液相法制造的产品和工具的性能。
凝 固 过 程 的 研 究 对 象 和 方 法
效 能
合 成 / 制 备
• 60年代后，人们把研究重点放在经典凝固理论的应用上。 以经典凝固理论为指导，通过大量的实验研究，实现了凝
固组织和凝固过程的优化和控制，使得大型铸钢锭及铸件的
凝固
1、等轴晶的形成条件：①凝固界面前的液相中有晶核来源②液相中存在晶核生长所需要的过冷度。
2、凝固收缩率导致凝固组织不致密的原因是缩松和气孔凝固过程中的收缩包括液相和固相冷却过程的冷缩以及液-固转变时的相变收缩。
膨胀系数是表征液相及固相冷却过程中收缩的基本参量，3、缩松的形成与控制：①在定向凝固过程中，如果凝固以平面状或胞状方式进行，液相的补缩通道是畅通的，凝固收缩得到液相的不能及时补充而形成缩松。
②因素：凝固的组织形态/凝固区域的宽度/凝固方式/合金液中的气体。
4、定向凝固：使金属或合金在熔体中定向生长晶体的一种工艺方法5、定向凝固技术：在铸型中建立特定方向的温度梯度,使熔融合金沿着热流相反方向；按要求的结晶取向进行凝固铸造的工艺。
6、获得定向凝固柱状晶的基本条件是合金凝固时的热流方向必须是定向的。
7、单晶生长的方向：根据融区的特点，单晶生长的方法分为正常凝固法和区熔法。
8、在微重力下凝固特点：①液态金属中因重力引起的对流几乎消失②液态金属中由于不同物质密度差引起的下沉、上浮以及分层偏析现象几乎消失。
③液态表面张力和润湿作用变得突出。
④可在高真空条件下凝固④可在液态冷却条件下凝固。
9、半固态铸造技术：通过各种方法保证合金中的固相球化，使其在较大固相体积分数下仍表现出很好的流动性，然后用此糊状金属进行铸造。
10、半固态合金的特征：①热容量低于液相②黏度高于液相，并且黏度可控制③充填时已有固相存在④半固态合金变形小⑤可与其他材料复合⑥可进行固、液相分离。
11、铸胚表面质量主要决定于钢水在结晶器的凝固过程铸胚内部质量主要决定于二次冷却区喷水冷却系统和铸胚支撑导向系统的合理性。
12、连铸过制程控：钢水进入结晶器前---纯净度----液体结晶器----表面质量---固/液界面二冷区----内部质量---固液界面。
13、提表面表面质量的技术高铸胚：①结晶器钢液稳定性控制技术②结晶器振动技术③结晶器胚壳生长的均匀性④选择合适的保护渣⑤结晶器液面的稳定性。
微重力实验技术的研究与应用
微重力实验技术的研究与应用人们一直致力于在太空站中开展微重力实验，以探索宇宙和地球科学，并研究材料科学，基础物理学，生命科学以及人类健康。
微重力实验涉及的学科领域十分广泛，因此需要对微重力实验技术进行深入的研究和应用。
本文将详细介绍微重力实验技术的研究和应用。
一、微重力实验环境微重力实验环境是一种可以减小或消除物体所受重力影响的环境。
微重力环境可以通过物体一直处于自由落体状态来实现。
在太空中，物体在轨道上绕地球运动，从而进入自由落体状态，获得几乎为0的重力环境，也就是微重力环境。
因此，太空站是开展微重力实验的理想场所。
二、微重力实验技术微重力实验技术是对在微重力环境下进行的实验进行设计和操作的技术。
在微重力环境中，物体表现出惰性、不稳定、无形状和无重量的特性，这对实验者提出了很大的挑战。
在开展微重力实验的过程中，需要进行精密的实验设计、制造、操作和监控。
有以下几种常用技术：1. 生命保障技术：太空站内环境与人体生活相似，因此需要进行生命保障技术，如氧气和水的供应、废气处理和排放、温度控制等。
2. 实验装备设计：在微重力环境中，实验器材表现出与地球上完全不同的特性，因此需要进行特殊设计，保证实验的可操作性和数据的可靠性。
3. 操作技术：由于实验装备的特殊性和操作环境的特殊性，在微重力环境下进行实验需要进行特殊的操作技术。
操作员需要熟练掌握技术，以确保实验的成功。
三、微重力实验应用微重力实验在人类生活中有着广泛的应用，主要应用于以下几个领域：1. 材料科学：材料科学的研究是微重力实验的重点之一。
微重力下材料的物理特性与在地球上不同，可以大大提高材料研发的效率和质量，例如精密合金、液晶、纳米材料、高超音速喷气发动机等。
2. 生命科学：微重力环境中，生物体会表现出与地球上不同的生理和生化特性，人类、植物、微生物等都可以适应微重力环境，可以开展生物学、医学等学科的研究。
3. 基础物理学：微重力环境是研究物理学中某些现象的理想环境，例如表面张力、毛细管现象、等温、等热过程等。
微重力环境下的物理实验技术中的流体行为与相变特性
微重力环境下的物理实验技术中的流体行为与相变特性引言：微重力环境是指在太空或模拟太空条件下，物体所受的重力几乎为零的状态。
在这样的环境中，物质的行为会发生许多有趣的变化，特别是在流体行为与相变特性方面。
本文将探讨微重力环境下的物理实验技术中的流体行为与相变特性。
一、流体行为的微重力效应1. 表面张力的影响在地球上，重力对流体表面造成了额外的张力，使得液体呈现出球形或凸起的形状。
而在微重力环境下，表面张力几乎消失，导致液体表面变得非常平坦。
这使得微重力环境成为研究复杂表面现象的理想平台，例如液滴的行为与薄膜的形成。
2. 对流的影响在地球上，重力驱动了液体的对流现象，即由于温差引起流体的循环。
而在微重力环境下，没有了引导对流的重力因素，导致热量很难有效传递，使得流体内部的温度分布更加均匀。
这为研究传热与质量传递过程提供了便利。
3. 界面现象的变化微重力环境对于界面现象的研究具有重要意义。
界面现象是指两种不同物质的接触区域，在地球上往往受到重力的影响。
而在微重力环境下，由于重力的减弱，界面现象的表现会发生明显的变化，例如液滴的形态变化与气泡的行为。
二、相变特性的微重力效应1. 水的沸腾现象地球上的沸腾现象是由于液体底部受热，加热后的液体上升，形成气体泡。
而在微重力环境下，没有了上下的方向性，气体泡不能上浮，导致沸腾的行为与重力条件下有所不同。
这为研究沸腾的过程提供了新的视角。
2. 相变的影响微重力环境下，液体相变过程中的热量和质量传递受到阻碍。
这将改变相变过程的动力学特性，降低相变的速率。
同时，相变的界面现象也会受到影响，如固液相变时的晶体生长和凝固速率。
三、微重力环境下的实验技术1. 零重力室为了模拟微重力环境，科学家们设计了零重力室，即可以消除大部分重力的实验环境。
在零重力室中，可以进行流体实验和观察流体行为，为研究微重力环境下的物理现象提供了便利。
2. 微流控技术微流控技术是指利用微流体流动的特性进行精密操控和实验的技术。
微重力条件下的化学反应研究
微重力条件下的化学反应研究随着科技的不断发展，人类对太空的探索也越来越深入，其中微重力条件下的化学反应研究备受关注。
微重力指的是在太空环境中，由于万有引力的微小影响，物体的重力效应被抵消而呈现几乎零重力状态。
在这种状态下，物质的运动和传输方式发生了很大的变化，因此微重力对于许多领域的研究都有着重要的意义。
对于化学反应而言，微重力条件下的研究可以极大地拓展我们对于一些反应机理的了解，并且有望为未来的药物研发、合成材料等领域的发展提供新的思路和方法。
目前，已经有许多微重力条件下的化学反应实验被成功地进行了，其中有一些反应呈现出了与地球上大相径庭的特殊反应现象。
一、微重力条件下的化学反应研究的意义在地球上，由于重力的存在，物质往往在重力的作用下沉降和受力分布方向的影响下呈现出复杂的流动和传输特点。
因此，在地球上进行的化学反应研究受到重力的影响很大，常常难以掌握反应机理的真实路径和细节。
而微重力状态下，物质的自由落体和弥散性质表现出极为特殊的运动状态，对于化学反应的反应路径和物质传输情况进行深入的研究可以使我们更加准确地理解反应机理，并为制药、合成导体材料等领域的应用提供有效的指导。
二、微重力条件下的化学反应研究的具体案例1. 生长单晶体单晶体生长是制造电池、半导体器件等高科技产品必须的技术，而微重力条件下的单晶生长成为了最有效的方法之一。
在微重力状态下，单晶的生长过程不会受到重力的影响，从而使得单晶的生长速度和晶体质量都得到了很大的提高。
2. 反应失效一些化学反应在微重力条件下会呈现出严重的反应失效，即物质无法成功反应。
这是由于在微重力状态下，热和质量的弥散性质发生了变化，从而导致了反应发生的不稳定性。
这种反应失效现象不仅对于反应机理和反应动力学的研究有一定的影响，同时也有望为反应的深度控制和调整提供新的思路。
3. 新型晶体材料的制备在微重力条件下，可以通过化学反应产生新型的晶体结构。
例如，空间中的氧气与另一种气体产生的反应在地球上难以控制，但在微重力状态下，这种反应可以十分稳定地进行，从而获得新型晶体材料。
重力如何影响人类的科学研究和技术创新
重力如何影响人类的科学研究和技术创新重力，这个我们在日常生活中习以为常的力量，实际上对人类的科学研究和技术创新产生了深远而广泛的影响。
从最基础的物理学研究开始，重力就是一个关键的研究对象。
牛顿因为苹果落地而发现了万有引力定律，这一发现不仅揭示了重力的本质，也为后来的天体力学和宇宙研究奠定了基础。
通过对重力的深入研究，我们能够理解天体的运动规律，预测行星的轨道，探索宇宙的奥秘。
例如，在计算卫星的轨道和发射参数时，必须精确考虑地球的重力场对其的影响。
如果对重力的理解不够准确，卫星可能无法准确进入预定轨道，甚至会出现故障。
在材料科学领域，重力也起着重要的作用。
在地球上，由于重力的存在，材料的制备和加工过程会受到一定的限制。
比如，在铸造金属零件时，重力会导致金属溶液中的杂质下沉，影响零件的质量和性能。
而在太空微重力环境中，材料的凝固过程会发生显著变化，能够制备出更加均匀、高性能的材料。
这为研发新型材料和改进现有材料的性能提供了新的途径。
此外，对于一些需要高精度制造的微型器件，重力引起的变形和误差也是一个需要克服的问题。
科学家们通过研究重力对材料性能的影响，不断创新制造工艺，以满足日益提高的技术要求。
在生物医学领域，重力对生物体的影响同样不可忽视。
长期以来，人类在地球上的进化适应了 1G 的重力环境。
然而，当人类进入太空时，微重力环境会对身体产生一系列的生理变化，如骨骼和肌肉的萎缩、心血管功能的改变、免疫系统的抑制等。
为了保障宇航员的健康，科学家们开展了大量关于微重力生理效应的研究。
这些研究不仅有助于开发应对太空环境的医疗措施，还为地球上的医学研究提供了新的视角。
例如，通过研究微重力下细胞的生长和分化，有助于理解某些疾病的发生机制，如骨质疏松症和肌肉萎缩症。
此外，重力在药物研发和细胞培养等方面也有着重要的应用。
通过模拟不同重力条件，可以优化药物筛选和细胞治疗的方法。
在建筑和工程领域，重力是必须考虑的重要因素。
利用微重力技术进行物理实验研究案例
利用微重力技术进行物理实验研究案例微重力技术在物理实验研究中的应用案例概述：微重力是指物体在宇宙空间中减弱的重力环境。
利用微重力技术进行物理实验研究，可以帮助科学家更好地了解物质的特性、相互作用和行为规律。
本文将介绍几个利用微重力技术进行的物理实验研究案例，包括液体表面张力、粉尘行为以及流体流动等。
一、液体表面张力研究实验台上的重力会对液体表面张力产生影响，但在微重力环境中，液体的表面张力会显著增强。
为了研究液体表面张力的特性，科学家在国际空间站进行了一系列实验。
他们将不同种类的液体放置在微重力环境下进行研究，并观察液体表面张力的变化。
实验结果显示，微重力环境下的液体表面张力较高，主要原因是液体分子之间相互作用的变化。
这为开发新型材料和理解液体行为提供了重要参考。
二、粉尘行为研究粉尘是微重力环境下的重要研究对象之一。
科学家在国际空间站上进行了一项名为“粉尘晶体”的实验，旨在研究微重力环境下粉尘颗粒的行为。
实验中，科学家将微小的粉尘颗粒散布在特定区域，并观察它们的聚集与运动情况。
结果显示，在微重力环境中，粉尘颗粒之间的相互作用力变弱，导致粉尘形成无序的结构。
这一研究不仅对地球上的粉尘物理学有重要启示，还为未来的宇航任务提供了重要参考。
三、流体流动研究流体流动是物理学中的重要研究领域，微重力环境为研究流体流动提供了理想条件。
科学家利用微重力技术开展了一项名为“流体混合”的实验研究，旨在研究微重力环境下流体混合的规律。
在实验中，科学家将两种不同颜色的流体注入微重力环境下的容器中，并观察它们的混合状况。
实验结果显示，微重力环境下，流体的对流和扩散作用会发生变化，导致两种流体的混合程度减弱。
这一研究对于了解流体的物理特性和流动行为具有重要意义。
总结：利用微重力技术进行物理实验研究是探索物质行为的重要手段之一。
通过研究液体表面张力、粉尘行为和流体流动等问题，科学家们深入探索了微重力环境下物质的相互作用和行为规律。
液态金属在特殊条件下的凝固及成形
能人为地控制。
• 3） 快速凝固法 （H. R. S法）
• 铸型加热器始终加热， 在凝固时，铸件与加 热器之间产生相对移 动。
• 与P. D法相比可以大大 缩小凝固前沿两相区， 局部冷却速度增大， 有利于细化组织，提 高机械性能。
H. R. S法示意图
2、定向凝固技术的应用 （1）柱状晶的生长
（一种顺序凝固组织）
• （2）单晶生长
• 根据熔区的特点分为正常凝固法和区熔法。
• 1） 正常凝固法
• 有坩埚移动、炉体移动及晶体提拉等单向凝固方法 • 或将“籽晶”放在坩埚底部，当坩埚向下移动时，“籽晶”
处开始结晶，随着固—液界面移动，单晶不断长大。 • 主要缺点是晶体和坩埚壁接触，容易产生应力或寄生成核
图 晶体提拉示意图
• （3） 区域提纯
• 区域熔化是获得超纯材料的极有效的手段，由于区域熔化 的发明，才出现了半导体工业。
• 当正常凝固，固—液界面前沿加强搅拌时，可以使试样的 起始凝固端的纯度提高，而整个试样溶质分布是极不均匀 的。
CE CL Csm C0 k0C0
0
CE Csm C0 k0C0
炉丝
熔体
挡板
坩埚 炉管
a)
b)
图 坩埚移动单向凝固示意图
a）垂直式 b）水平式
图 自生粒晶法生产单晶叶片
1-铸件 2-选晶段 3-起始段
通过x、y、z三个方向选晶，从而确保一个柱晶顺利进入铸件
z
y 0 x
图2-42 选晶段示意图
等轴晶
定向柱状晶 单晶体
提拉杆 籽晶 晶体
熔体
物理学中的失重与微重力研究
物理学中的失重与微重力研究近年来，物理学中的失重与微重力研究备受关注。
失重状态是指物体在自由落体或者宇宙空间中，由于引力的相对减小，而出现的物体所受到的重力感受减弱或者消失的效应。
而微重力则是指相对地球上的重力而言，物体所受到的重力非常小的状态。
在这种状态下，物体的行为、特性和性质都会出现极大的变化，这对于物理学的研究具有非常重要的意义。
失重状态和微重力研究在实验和应用领域都有着广泛的应用。
在航空航天领域，人造地球卫星、国际空间站等空间站的建设和运行，都需要对失重状态的行为和特性进行深入的研究。
此外，在精密仪器、生物科学、材料学等领域，也需要对微重力下物体的物理过程、化学反应、生物学反应等进行研究。
物理学家们对失重与微重力屡屡发现了令人瞩目的现象。
例如，在失重状态下，物体的表面张力变化非常显著，这对于液体和气体之间不能做功的情况下的物理状态有重要影响。
此外，在微重力状态下，晶体生长的形态和质量也会发生翻天覆地的变化，这对于人们生产出高质量和大尺寸的晶体具有重要的意义。
另外，在微重力状态下，超冷液体也具有令人惊奇的物理行为。
在地球上，在超冷液体内形成晶体十分困难。
然而，在微重力状态下，超冷液体却可以凝固成立体的冰晶，同时具有高度的晶体纯度。
这个现象可以对冰的结构和性质进行研究，对理解地球上的冰和海洋有重要意义。
生物学家们也在微重力领域进行了许多的研究，这些研究对于人类医学和生物学都具有重要的意义。
在微重力环境下，细胞和组织结构的变化会直接影响到身体各个方面的功能。
例如，在微重力状态下，人体骨骼容易发生质量下降，肌肉也容易发生减少，这都是由于微重力状态下物体的运动规律发生了变化所致。
此外，微重力环境下，细胞和组织的生长速度也发生了显著的改变。
这对于研究肿瘤细胞的生长以及细胞分裂模式的研究都非常重要。
在材料学领域，微重力状态也有着非常广泛的应用。
在微重力领域中，材料在处理和加工过程中不受高质量的重力影响，而且材料可以以更优秀或更高的质量生长或组装，从而使我们可以制备出具有更高强度和更好性能的材料。
材料工程基础-材料制备新技术
3.液态金属快淬法 液态金属快淬法是各类快速凝固方 法中使用最广泛的方法，其具体的工艺 也最多，如单辊法、双辊法、平面流铸 法、拉丝法、熔体沾出法、锤砧法等。
单辊法目前使用最广泛。该法既可用于实验室研 究，也适于工业化大规模生产。可制备出厚度大约在 20～200µm的细晶或非晶条带。 （图中气体的作用是 什么？）
(1) 循环过热净化 循环过热净化是一个对金属实施 “加热熔化一过热保温一冷却”的热循 环过程，使液态金属中的异质核心通过 熔化、钝化、分解和蒸发等方式得以消 除或失去异质核心作用，从而获得深过 冷。 Turnbull等采用这一方法使2.3g的 Pd40Ni40P20合金获得了大过冷而得到金属 玻璃。
在快凝合金中，由于显微偏析的分 散度很大，所需的均匀化退火时间可大 大缩短。 例如，对于钨在镍中的均匀化来说， 当二次枝晶臂间距由常规铸造时的 100µm减少至快速凝固的1µm时，按照菲 克定律，为达到99%均匀化所需要的退 火时间(在1600K)由16h减少至6s。
4. 可形成亚稳相 在快速凝固的合金中，除了出现亚 稳的过饱和固溶体外，还会形成其它的 亚稳相。 （什么叫亚稳相？） 例如Fe-C铸造合金，当冷速足够快 时，Fe-C合金进人介稳凝固系统，形成 奥氏体与渗碳体的共晶，而不是稳定系 统中的奥氏体与石墨的共晶。
以上技术的核心就是消除非 均匀形核的核心，实现深过冷， 从而获得细化的组织甚至非晶。
2. 雾化法 雾化法是使液态金属高度弥散(液珠尺寸 10µm左右)，分散的液滴由于尺寸小，在介质 中可以获得极大的动力学过冷度，同时由于分 散后绝大多数液滴的非均匀形核被抑制，从而 也可获得较大的热力学过冷度，使液滴实现快 速凝固。 这一方法得到的产物为粉末。雾化法根据 雾化介质的不同可分为气体雾化、水雾化及离 心雾化法等。其工艺与粉末冶金雾化粉末的制 备工艺原理一致。
空间站科学实验
空间站科学实验空间站作为人类探索宇宙的重要基地，不仅是航天员长期居住的地方，更是开展科学实验的理想场所。
在微重力、高真空和极端温度等特殊环境中，科学家们可以进行一系列地面无法实现的实验，从而推动物理学、生物学、医学等多个学科的发展。
微重力环境是空间站科学实验的一大特色。
在这种环境下，物体的质量虽然保持不变，但由于缺乏重力作用，物质的分布和运动规律会有所不同。
这为材料科学带来了新的研究视角。
科学家可以研究不同金属和非金属材料在微重力条件下的熔化和凝固过程，以期望发现新的材料合成方法，甚至制造出地球上难以实现的新型材料。
流体物理学同样受益于空间站的特殊环境。
在地球上，流体的运动受到重力的影响，而在空间站中，流体行为的研究可以摆脱这一限制。
这对于理解流体在没有重力作用下的基本规律至关重要，也有助于改进液体燃料的管理和推进技术，对深空探测任务尤为关键。
生物学实验在空间站上也极具价值。
细胞在微重力环境中的生长与分裂显示出独特的模式，这对基础生物学研究具有重要的科学意义。
通过比较空间站和地球环境下生物样本的差异，科学家可以更深入地了解重力对生物生长的影响，进而探索在太空中维持生物生命的可能性。
医学研究也是空间站科学实验的一个重要组成部分。
长期处于微重力环境的航天员会出现肌肉萎缩和骨密度下降等问题，研究这些问题的成因和防治措施对于未来长期太空探险至关重要。
此外，微重力环境下的蛋白质结晶实验还可能促进新药物的开发。
值得一提的是，空间站上的科学实验不仅限于基础研究。
它们还涉及了许多与地球生活息息相关的应用科学。
例如，通过研究植物在空间站内的生长情况，科学家希望优化植物栽培技术，为未来的地外定居点提供食物自给的可能性。
总之，空间站提供了一个独一无二的实验室，使得科学家能够在极端条件下进行实验，这些实验不仅丰富了人类对宇宙的认知，还可能带来地球上的技术创新和生活质量的提升。
随着空间站科学研究的不断深入，我们有理由相信，未来的空间站将成为一个更加智能、高效的科学实验平台，成为人类科技进步的新高地。
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重力加速度与物体距地心 距离关系：g=(g0R02)R-2=kR-2
g<g0 g<10-2g0 g<10-6g0
广义的微重力 微重力环境 严格的微重力
三、微重力凝固
3.1 微重力及其特点
浮力引起 的对流消 失或大大
减弱
沉淀或斯 托克斯沉 降的消失
液体外形 受控于表
面张力
无容器加 工，过冷
度增大
三、微重力凝固
3.2 微重力环境下的熔体特征
重力是熔体中自然对流的驱动力之一。 在空间微重力环境下，物体基本处于失重状 态时，重力引起的自然对流,、沉浮和流体 静压力基本消失，而通常被重力覆盖的现象 将凸显出来，因而熔体中将呈现出一些新的 特征。
五、微重力凝固展望
自空间微重力材料科学诞生以来，各国学者在微重力条 件下对金属材料的凝固过程虽然进行了大量的研究取得了一 些成果，也让人看到了其广阔前景，但因受空间实验环境和 技术条件的约束和限制，当前有关重力对金属材料凝固的影 响的研究还是非常分散与粗浅。
研究者们仍需进一步研究微重力凝固的微观规律，不断 发展高端微重力实验技术，制备出更多性能卓越的材料。
特种条件下的凝固 ——微重力凝固
目录
引言 特种条件下的凝固
微重力凝固 微重力凝固的研究 微重力凝固展望
引言
凝固是指物质从液态变为固态的过程。对于大多数金属材 料而言，凝固是非常重要的加工制备方法。随着材料科学的不断 发展，常态下凝固所得到的材料，已经达不到研究人员对材料某 些组织结构与性能的设计要求，并且阻碍了特殊性能的材料在相 关领域的应用，因此特种条件下的凝固得到快速发展。
Ag-21%Ge(质量分数）过共晶合金的显微组织照片
孙玉峰.52m长落管Ag-Ge合金的微重力凝固行为［J］．郑州大学学报，2005，26(4).
四、微重力凝固的研究
TC8钛合金凝固行为落管法研究
a、微重力条件下
b、重力条件下
TC8样品纵截面晶粒形态
微重力样品顶部凝固区面积大于重力样品， 说明重力样品的底部细小等轴晶所占比例更大。 重力环境下流体静压力的存在导致凝固过程中 底部组织快冷效果优于微重力环境。
四、微重力凝固的研究
长落管Ag-Ge合金的微重力凝固行为
图c、d为落管条件下凝固合金的显微组织照片， 可见在较大的过冷度和微重力条件下，宏观对流 的消失使合金组织均匀分布，没有Ge晶体的偏析。 而且Ge初生晶体相的明显细化和数量增多。
在初生Ge晶体附近的亮白色是Ag固溶体相， 而在距离初生Ge晶体相更远处的区域，是Ag+Ge 的离异共晶组织，如图c中白色箭头所示为离异共 晶组织。图d所示，初生Ge晶体相由常规凝固的大 块多面体或星形结构演化为较小尺寸的近似等轴 状，尺寸在5~10μm左右。
三、微重力凝固
3.3 研究方法
特 点
落管法
1.装置简单 2.可实现无容器加工 3.样品小 4.能屏蔽光干扰 5.能产生并维持真空使样品不受污染和氧化
三、微重力凝固
3.3 研究方法
飞机失重法
特点： 1. 可获得失重时间长（数十秒） 2. 一次起飞可多次实验 3. 微重力水平不高 4. 精度差 5. 可载人
二、特种条件下的凝固
01 快速凝固
02 微重力凝固
特种条件 下的凝固
03 超重力凝固
04 超高压凝固
快速凝固：通常是由液相到 固相的相变过程进行得非常 快，金属或者合金的熔体急 剧凝固成微晶、准晶和非晶 态的过程。
微重力凝固：重力加速度接 近零的条件下进行的凝固过 程。
超重力凝固：大于1g的高重 力加速度下的凝固过程。
Thanks！
Zhang N,Luo X,Feng S.and Ren Y,Mechanism of Gravity Effect on Solidification Microstructure of Eutectic Alloy,Journal of Materials Science &Technology.2014,30(5）.
四、微重力凝固的研究
Al-4wt%Cu合金的火箭法研究
在微重力环境下的定向凝固过程中，发现微重力和重力样 品的宏观组织形貌很类似，都存在柱状晶。而微观组织有较大 差异，微重力样品的一次枝晶间距比重力样品的大了将近40%， 二次枝晶臂间距比重力样品的大了85%。微重力环境在该实验中 对宏观偏析无明显影响。
三、微重力凝固
3.4 微重力对凝固的影响
一般微重力环境下，凝固会使 对流削弱、热流运动更加均匀，从 而晶核数目减小，使晶体长大速度 和尺寸增加，晶体中缺陷减少。另 一方面减少微观织构，使得晶粒更 加等轴化，降低异质形核。
四、微重力凝固的研究
Al-Al3Ni共晶合金的落管法实验
张楠楠等人利用50米真空落管设备，发现 微重力下生长的Al-Al3Ni共晶合金平均共晶间 距大于重力下的生长的共晶间距，且随着凝固 速度的提高这、微重力凝固
3.3 研究方法
落
主要有落塔法、落管 、飞机、火箭及
轨道飞行等方法。
塔 的 内
部
图
国家微重力实验室外景
落塔法：是依靠试验箱使样品随箱一起在 落塔的空气中自由下落获得微重力环境。
三、微重力凝固
3.3 研究方法
德国微重力研究的落塔
落塔法的特点：
1.参数可调 2.舱体大 3.可多次重复试验 4.能完好回收 5.试验成本低
由晶粒的形态也可以看出，凝固过程中微 重力条件，均匀的热流也影响了晶体的生长。
王亚亚.几种钛、铝合金与铝基复合材料微重力凝固研究,中国科学技术大学,2018.
四、微重力凝固的研究
空间熔体材料科学实验
实验将研究微重力环 境下的晶体生长和凝固过 程，获得地面重力场中难 以生长的高质量材料。
2016年发射的 “实践者十号”
超高压凝固：在采用高压气 体或其他方法创造的高压环 境下进行的凝固过程。
三、微重力凝固
微重力及其特点
微
重
浮力对流基本消失
力
沉降与分层现象不再发生
场
微重力环境下的熔体特征
下
流体静压力趋近于零
的
Marangoni（马兰戈尼）对流
金
微重力凝固的研究方法
属
凝
固
微重力凝固的研究
三、微重力凝固
3.1 微重力及其特点
Cahoon J.R,Chaturvedi M.C.and Tandon K.N,The unidirectional solidification of Al-4 wt pct Cu ingots in microgravity,Metallurgical & Materials Transactions A,1998,29(13).