空间流体科学与空间材料科学PDF电子书下载

H．Hamacher,B．Fitton,J．Kingdon 1

1.1　导言 1

目录 1

第1章 地球轨道飞行系统的环境 1

1.2.2.2　航天器中的实际重力环境 2

1.2.2.1 圆轨道上的航天器 2

1.2　低重力模拟 2

1.2.1　失重模拟 2

1.2.2　轨道飞行 2

1.2.2.3　例证研究：轨道器／空间实验室系统的微重力环境 11

1.2.3.1　探空火箭 15

1.2.3　其它自由落体方法 15

1.2.3.3　落管和落塔 16

1.2.3.2　试验飞机 16

1.3.1 引言 17

1.3　大气状态，辐射和高能粒子 17

1.3.2　辐射环境 20

1.3.3　大气环境 23

1.3.4　高能粒子环境 30

1.5　参考文献 40

1.4　结论 40

10.2.2.2　重力引起的不完整性 （2 49

2.1 引言 49

第一部分 流体科学 49

流体物理 49

第2章 流体静力学和毛细现象 49

1．Martinez,J．M．Haynes,D．Langbein 49

2.2.2　界面的宏观和微观观点 50

2.2　基础物理 50

2.2.1　重力的影响 50

2.2.3　Gibbs模型的热力学 51

2.2.4　毛细平衡 52

2.2.5　毛细稳定性 55

2.2.6　旋转稳定性 57

2.2.7　临界润湿 59

2.3.1　静平衡及稳定性 60

2.2.8　荷电界面 60

2.3　微重力实验的一些结果 60

2.3.2　旋转和振荡 61

2.3.3　临界润湿 62

2.3.4　荷电界面 64

2.4.1　当前的课题 65

2.4　今后的展望 65

2.4.2　将来的研究课题 66

2.4.3　总评 68

2.5　参考文献 69

3.1 引言 72

第3章 流体动力学 72

J．C．Legros,A．Sanfeld,M．G．Velarde 72

3.3.1　理想流体 73

3.2　惯性力，内力和外力 73

3.3　动量方程 73

3.3.2　动量方程 74

3.3.5.1 流体静力学压力分布 75

3.3.3　Navier-Stokes方程 75

3.3.4　不同流动项的物理意义 75

3.3.5　重力的影响 75

3.3.5.2　力学稳定性 76

3.3.5.5　理想流体中的重力波 77

3.3.5.3　流函数 77

3.3.5.4　表面形状 77

3.3.5.6　理想流体的特殊情形 78

3.3.5.7　重力对粘性流体的影响 79

3.4　相似定律 81

3.5.2　Laplace定律 83

3.5　表面力和流体动力学不稳定性 83

3.5.1　传热 83

3.5.3　重力对液膜形状的影响 84

3.5.4 毛细波 85

3.5.5　毛细重力波 86

3.5.6　Rayleigh-Bénard不稳定性 87

3.5.7　二组元Rayleigh-Bénard对流 89

3.5.8　定常胞Marangoni-Bénard对流（热毛细流） 90

3.5.9　有界面变形的振荡Marangoni-Bénard对流 91

3.5.10.2　不溶混的无粘性均匀流体 92

3.5.10　纯流体的Rayleigh-Taylor不稳定性 92

3.5.10.1　无粘性流体 92

3.5.10.5　均匀旋转 93

3.5.10.3　密度为指数变化的无粘性流体 93

3.5.10.4　被水平边界分开的两种均匀粘性流体 93

3.5.11.1　作相对运动的两种无粘性均匀流体 94

3.5.11　Kelvin-Helmholtz不稳定性 94

3.5.11.3　密度和速度连续分布的不可压缩流体 95

3.5.11.2　速度连续变化的过渡层 95

3.5.12.1　基本方程 96

3.5.12　机械-扩散不稳定性 96

3.5.12.3　球形界面的稳定性准则 97

3.5.12.2　平面界面的稳定性准则 100

3.5.13.1　等温表面反应 100

3.5.13　机械-化学反应 100

3.5.13.2　在等温层中的反应 101

3.6　在微重力条件下流体动力学实验的某些结果 102

3.7　结论 105

3.8　附录：一些无量纲参数及其与空间流体动力学的关联 106

3.9　参考文献 110

4.1 引言 114

物理化学 114

第4章 物理化学——综述和实验举例 114

J．Richter,H．Behret 114

4.2　当前微重力研究计划 115

4.2.1　热力学和输运特性 116

4.2.3　润湿和吸附现象，成核和老化 117

4.2.2　相变和近临界点现象 117

4.2.4　燃烧和化学反应 118

4.3.1　驰豫现象 119

4.3　其它前景 119

4.3.2　应用电化学和实验技术 122

4.4　结论和展望 126

4.5　参考文献 127

5.1　引言 129

第5章 扩散引起的质量输运 129

Y．Malméjac,G．Frohberg 129

5.2.1.1　非均匀扩散（Heterodiffusion） 130

5.2　微重力 130

5.2.1 优点 130

5.2.1.2　自扩散 131

5.2.1.3　热输运 133

5.2.1.4　电输运 134

5.2.2　问题 135

5.2.2.2　Marangoni对流 136

5.2.2.1 宏观对流和微观对流 136

5.2.2.4　分凝的影响 137

5.2.2.3 自由体积……………………………………………………………………（137) 137

5.2.2.6　时间-温度边界条件 138

5.2.2.5　壁效应………………………………………………………………………（138) 138

5.2.2.7　几何边界条件 139

5.3.1 实验技术 140

5.3　实验结果 140

5.3.3　主要结果 141

5.3.2　分析方法 141

5.4　前景展望 149

5.3.4　扩散数据 149

5.5　参考文献 150

6.2.1　液-汽界面 154

第6章 润湿和吸附现象 154

G．H．Findenegg,M．M．Telo da Gama 154

6.1 引言 154

6.2　界面重力效应 154

6.2.2　润湿和接触角 156

6.2.3　润湿转变 157

6.2.4　临界吸附 160

6.3.1 朗道理论 161

6.3　理论基础 161

6.3.1.2　润湿和润湿转变 162

6.3.1.1　两共存相之间的界面 162

6.3.1.4　临界端点行为 164

6.3.1.3　标度 164

6.3.2.1　具有长程相互作用系统的平均场理论 165

6.3.2　其它理论 165

6.3.2.2　超平均场理论 166

6.4　实验情况 168

6.4.1　润湿层厚度 169

6.4.2　临界吸附 170

6.5　展望 171

6.6　参考文献 173

7.1 引言 177

第7章 相变和近临界现象 177

D．Beysens,J．Straub,D．J．Turner 177

7.2.1　相变热力学 178

7.2　基础知识 178

7.2.2　经典描述；平均场理论 180

7.2.3　标度律 181

7.2.4　涨落和相关 183

7.2.5　重整化群法 184

7.2.6　输运性质 185

7.2.7　趋近平衡态的过程 186

7.2.8　相分离过程，成核和拐点（Spinodal）分解 187

7.2.9.1 两相区内的润湿 188

7.2.9　吸附和润湿 188

7.2.11　电解质溶液 189

7.2.9.2　单相区内的预润湿 189

7.2.9.3　临界点附近的临界吸附 189

7.2.10　氦的λ-点 189

7.3.1　压缩率的影响 190

7.3　为什么要用微重力条件 190

7.3.3　相分离过程 191

7.3.2　等容热膨胀系数的影响 191

7.3.5　界面稳定性和界面波 192

7.3.4　润湿层 192

7.4.1　液-汽相变中的比热 193

7.4　实验研究状况 193

7.4.2.1 近临界SF6的相分离和相混合 194

7.4.2　相分离过程 194

7.4.2.4　环己烷-甲醇及其氘代衍生物的临界与近临界混合物的相分离 195

7.4.2.2　微重力环境下近临界点的密度分布 195

7.4.2.3　异丁酸与水的临界混合物的相分离 195

7.4.2.5　水聚合物的混合物在搅动后的相分离 196

7.5.1　热力学平衡性质 198

7.4.3　盐水溶液 198

7.5　展望 198

7.6　参考文献 199

7.5.2　趋向平衡（纯流体） 199

7.5.3　输运性质 199

7.5.4　相分离过程 199

7.5.5　界面现象 199

7.5.6　电解溶液 199

8.1　现象的描述和定义 204

第8章 化学体系呈现的图案 204

A．Bewersdorff,P．Borkmans,S．C．Müller 204

8.2.1　化学不稳定性 205

8.2　理论概念 205

8.2.2　反应-扩散系统 206

8.3　实验证据 210

8.2.3　附加的流体流和重力 210

8.3.1　化学波 211

8.3.2　沉淀图案 214

8.3.3.1 流体动力系的流动 215

8.3.3　对流的影响 215

8.3.3.2　界面不稳定性 217

8.4　应用 218

8.4.1　无生命的自然界 219

8.4.2.3　节律 221

8.4.2　生物学 221

8.4.2.1　两极分化和器官形成 221

8.4.2.2　膜功能的控制 221

8.4.2.4　运动 222

8.5　微重力实验的途径 223

8.4.3　互关联 223

8.6　参考文献 224

9.1 引言 230

第9章 燃烧 230

J．J．Dordain,F．C．Lockwood 230

9.2.2　燃烧流动中的时间尺度 231

9.2　基本考虑 231

9.2.1　燃烧过程 231

9.2.3　燃烧流场的特征 232

9.3.1　对燃烧现象的认识现状 233

9.3　实验的局限性及其解决 233

9.3.2.2　减小密度差 234

9.3.2　减小自然对流的方法 234

9.3.2.1　小型化 234

9.4.1　一般兴趣 235

9.3.2.3　减小重力 235

9.4　微重力的应用 235

9.4.2　微重力条件下的液滴燃烧 236

9.4.3　沿固体表面的火焰扩展 237

9.5　结论性说明 238

9.6　参考文献 240

10.2.1　常用的晶体生长技术 245

第二部分　材料科学 245

晶体生长 245

第10章 晶体的熔体生长 245

D．T．J．Hule,G．Müller,R．Nitsche 245

10.1　引言 245

10.2　地面工艺及其与重力相关的局限性 245

10.2.2.1　引言 248

10.2.2　化学的和结构的不完整性 248

10.2.2.3　非重力引入的缺陷 252

10.3.2　浮力驱动的对流 256

10.3.2.1　稳态浮力驱动的对流 256

10.3　基本概念 256

10.3.1　引言 256

10.3.2.2　向新的流动过渡 257

10.3.3.1　引言 258

10.3.3　Marangoni对流 258

10.3.2.3　随时间而变化的对流 258

10.3.2.4　磁场效应 258

10.3.4.1　溶质条纹的产生 259

10.3.4　晶体／熔体界面的扰动 259

10.3.3.2　无坩埚区熔中的对流 259

10.3.3.3　在微重力下Marangoni-浮力对流的不稳定性 259

10.4.1.1　浮力驱动对流的消失 260

10.4.1　微重力的特性 260

10.3.4.2　晶体形态的不稳定性-对流的不稳定性 260

10.4　微重力的潜力 260

10.4.2.1　基本研究：验证理论模型 261

10.4.2　一个新的研究环境：感兴趣的领域 261

10.4.1.2　流体静压力的消失 261

10.4.2.4 与空间相关的生长技术的发展 262

10.4.2.3　重力掩蔽效应的研究 262

10.4.2.2　材料参量的准确测定 262

10.5.1 引言 264

10.5　空间实验结果 264

10.4.2.5　研究样品的制备 264

10.5.2　降低结构缺陷数量 265

10.5.3　宏观化学均匀性 266

10.5.2.3　单晶度的改善 266

10.5.2.1　降低位错密度 266

10.5.2.2　减少孪晶和晶界的数目 266

10.5.4　微观化学均匀性 267

10.5.5.2　通过表面敷层抑制条纹 268

10.5.5.1　浮区硅中的条纹 268

10.5.5　时间相关的Marangoni对流引起的溶质分凝 268

10.5.5.4　无器壁凝固的InSb中的条纹 269

10.5.5.3　锗的区熔生长 269

10.5.6　无容器结晶试验 270

10.5.6.2　浮区结晶 271

10.5.6.1　加籽晶的液滴凝固 271

10.6.2.2　基础研究课题 272

10.6.2.1　材料 272

10.6　展望 272

10.6.1 引言 272

10.6.2　将来的科学活动 272

10.6.4.2　晶体生长实验的自动化 273

10.6.4.1　简述 273

10.6.2.3　发展新的生长技术 273

10.6.2.4　用于地面研究和技术的样品生长 273

10.6.3　研究政策 273

10.6.4　设备 273

10.7　参考文献 274

11.1 引言 279

E．Kaldis,R．Cadoret,E．Sch？nherr 279

第11章 晶体的汽相生长 279

11.2.1.1　过饱和 281

11.2.1 成核和生长动力学 281

11.2　汽相中的物理输运（PVT）——理论基础 281

11.2.1.2　连续生长与薄膜淀积 282

11.2.1.3　横向生长 284

11.2.2　质量输运 287

11.2.2.1 圆柱形安瓿中的扩散输运——平流 288

11.2.2.2　圆柱形安瓿中的自由对流 291

11.2.2.3　表面动力学与输运的互作用 294

11.3.1.2　在密闭安瓿中杂质的分压 299

11.3.1.1　引言 299

11.3　实验研究 299

11.3.1　质量输运 299

11.3.2.1　生长速率 301

11.3.2　地面的汽相生长研究：典型物质α-HgI2 301

11.3.2.2　生长速率和晶形与取向的关系 309

11.3.3　在空间完成的汽相生长实验 312

11.4　微重力条件下未来可做的实验 317

11.5　结论和建议 318

11.6　参考文献 319

12.1　引言 321

A．Authier,K．W．Bena,M．C．Robert,F．Wallrafen 321

第12章 溶液晶体生长 321

12.2.1.1　固-液界面 322

12.2.1　引言 322

12.2　基础知识——溶液生长中的对流现象 322

12.2.1.2　流体动力学 323

12.2.1.3　输运现象 324

12.3.1.1　实验设备 328

12.3.1　非金属溶液（助溶剂法）晶体生长 328

12.3　高温溶液生长 328

12.3.1.2　品质鉴定 330

12.3.1.3　结论 333

12.3.2.1　基本概念 334

12.3.2　金属溶液中的电子材料生长 334

12.3.2.2　二元系Ⅲ-Ⅴ族半导体的空间THM法晶体生长 335

12.4.1　引言 338

12.4　低温溶液生长 338

12.3.2.3 空间二元系和三元系Ⅱ-Ⅵ族化合物晶体生长 338

12.3.2.4　结论 338

12.4.2.2　空间实验 339

12.4.2.1　基本问题 339

12.4.2　低溶解度材料 339

12.4.2.3　讨论 342

12.4.3.1　基本问题 343

12.4.3　高溶解度材料 343

12.4.3.2　空间实验 345

12.4.3.3　讨论 347

12.5.1　过去的结果 348

12.5　结论 348

12.4.4　结论 348

12.5.3　晶体材料及生长方法的选择 349

12.5.2　空间实验范围的划定 349

12.5.4.2　中期和长期目标 350

12.5.4.1　短期目标 350

12.5.4　前景 350

12.6　参考文献 351

13.1 引言 358

J．Drenth,J．R．Helliwell,W．Littke 358

第13章 生物材料的晶体生长 358

13.2.1 为什么我们要了解生物结构 359

13.2　为什么生物材料的结晶是重要的 359

13.2.3　迄今用结构分析获得的成果及可能的应用 360

13.2.2　X射线衍射和结晶 360

13.3　蛋白质晶体学应用的工具 361

13.2.4　小结 361

13.3.2　探测器 362

13.3.1 同步辐射 362

13.3.4　计算机 363

13.3.3　中子源 363

13.4.1.3　蛋白质结晶实验中各种困素的小结 364

13.4.1.2　排斥力和吸引力 364

13.3.5　小结 364

13.4　地面上的蛋白质结晶 364

13.4.1　原理 364

13.4.1.1　蛋白质溶解度的降低 364

13.5.1　欧洲在微重力条件下进行的蛋白质单晶生长实验 365

13.5　微重力 365

13.4.2　实际的考虑 365

13.5.2.3　硬件设计的细节 371

13.5.2.2　用于空间实验的蛋白质结晶技术 371

13.5.2　NASA进行的微重力下单晶体生长实验 371

13.5.2.1　概述空间对蛋白质晶体生长的优越性 371

13.5.2.5　小结 372

13.5.2.4　结果 372

13.6　晶体质量的评定 373

13.7　建议 374

13.8　参考文献 375

14.2　过冷熔体与成核 378

14.1　引言 378

金属，复合材料和玻璃 378

第14章 金属及合金 378

J．J．Favier,J．D．Hunt,P．R．Sahm 378

14.2.2　基本情况 379

14.2.1　概述 379

14.2.3　与应用的联系 382

14.3.1　界面条件 384

14.3　凝固理论 384

14.3.4　孤立的枝晶 385

14.3.3　形状稳定性 385

14.3.2　热和溶质的输运 385

14.3.5　阵列生长（胞状和枝状的） 386

14.3.5.1　胞状晶生长 387

14.3.5.2　枝晶阵列 388

14.3.6.1　规则结构 389

14.3.6　共晶生长 389

14.3.7　粗化 390

14.3.6.2　不规则共晶体 390

14.4.1　在溶质边界层外边存在对流的驱动力时的凝固过程 391

14.4　金属和合金凝固时的对流效应 391

14.3.8　晶粒推斥或吞并 391

14.4.1.3　共晶凝固 392

14.4.1.2　低浓度合金中的胞状晶生长 392

14.4.1.1　整体中的热对流 392

14.4.1.4　凝固期间的Marangoni对流 393

14.4.2.1　高浓度合金的平面前沿凝固和胞状生长 394

14.4.2　在溶质边界层内存在对流驱动力时的凝固过程 394

14.4.2.2　枝晶凝固 396

14.5.2.1　宏观偏析和形态稳定性 399

14.5.2　定向凝固 399

14.5　空间凝固实验的主要结果 399

14.5.1　铸造 399

14.5.2.2　枝晶生长 400

14.6.1.1　超导性 402

14.6.1　材料性能的改善 402

14.6　应用方面的研究 402

14.6.1.3　机械强化 404

14.6.1.2　磁性 404

14.6.2.1　弥散 405

14.6.2　未来应用研究的方向 405

14.7.2　Mephisto计划 406

14.7.1 “GEtS”实验 406

14.7　凝固过程的定量研究 406

14.9　参考文献 407

14.8　结论 407

15.1　引言 411

B．Predel,L．Ratke,H．Fredriksson 411

第15章 难混溶的液态合金系 411

15.2.1.1　基本问题 412

15.2.1 热力学 412

15.2　基本原理 412

15.2.1.2　经验关系及可能性评估 414

15.2.2.1　原子半径差的影响 417

15.2.2　原子理论 417

15.2.2.2　关于原子半径差影响的模型的应用 418

15.2.2.3　具有负△H值的系统中的不混溶区 421

15.2.3　各类不混溶区的相图 423

15.2.4　三元系 425

15.3　相分离动力学 426

15.3.1 成核 427

15.3.2　生长 429

15.3.3　碰撞、聚集和凝结 433

15.4.1　成核过程的研究 435

15.4　难混溶系实验 435

15.4.2　生长过程的研究 436

15.5.1 科学前景 447

15.5　未来展望 447

15.4.3　聚集和凝结 447

15.6　参考文献 449

15.5.2　应用材料 449

16.1.1 定义 454

16.1 引言 454

第16章　复合材料 454

H．J．Sprenger,J．P？tschke,C．Potard,V．Rogge 454

16.1.3　应用 455

16.1.2　微重力对研究复合材料的适用性 455

16.2.1.1 对流对定向凝固共晶合金显微组织的影响 456

16.2.1 共晶 456

16.2　原位复合材料 456

16.2.1.2　微重力实验结果 458

16.2.1.3　结论 461

16.2.3　偏晶 462

16.2.2.2　结论 462

16.2.2　包晶凝固 462

16.2.2.1　实验结果 462

16.2.3.1　实验结果 463

16.3.1　颗粒和纤维复合材料 465

16.3　人工复合材料 465

16.2.3.2　结论 465

16.3.1.1　颗粒弥散物的稳定性 466

16.3.1.2　实验结果 467

16.3.1.3　结论 469

16.3.2　可控密度材料 470

16.3.2.2　实验结果 471

16.3.2.1　泡沫产生的原理 471

16.3.2.3　结论 472

16.4.2.2　人工复合材料 473

16.4.2.1　原位复合材料 473

16.4　讨论和建议 473

16.4.1 总论 473

16.4.2　基础研究课题 473

16.4.3　微重力实验的实践方面 474

16.6　参考文献 475

16.5　结论和展望 475

17.1　导论 480

J．Zarzychi,G．H．Frischat,D．M．Herlach 480

第17章 玻璃 480

17.2.2　成核 481

17.2.1 引言 481

17.2　玻璃形成过程 481

17.2.4　温度-时间转变图 483

17.2.3　晶体生长 483

17.3.1　非金属体系 485

17.3　玻璃形成体系 485

17.3.3.1 成核过程研究和金属玻璃的形成 486

17.3.3　微重力方面 486

17.3.2　金属系统 486

17.3.3.2　非金属玻璃的制备 487

17.4.1　需要的设备 488

17.4　实验装置 488

17.4.2.2　浮置系统 489

17.4.2.1　常规系统 489

17.4.2　可用的装置 489

17.5.1.1 地面上的成核研究 496

17.5.1　金属系统 496

17.5　最新成就的评估 496

17.5.2　非金属系统 498

17.5.1.2　微重力实验 498

17.5.2.2　飞行实验 499

17.5.2.1　地面研究 499

17.6　结论和建议 506

17.7　参考文献 508

微重力限度分析和应用前景 513

第18章 剩余加速度对流体物理和材料科学实验的影响 513

R．Monti,D．Langbein,J．J．Favier 513

18.1 引言 513

18.2　关于g容限的一般考虑 515

18.2.1　可容许g水平的定义 516

18.2.2　g容限分析的目标 517

18.2.3　相关方程组 517

18.2.4　量级分析法（OMA） 520

18.2.5　量级分析法在g水平容限问题上的应用 521

18.3　流体科学中过去工作的评述 522

18.3.1 热流体动力现象和淀积现象 522

18.3.2　液体样品对g水平扰动的响应 523

18.4　具体问题分析 525

18.4.1　从熔态生长晶体 526

18.4.1.1　问题的描述 527

18.4.1.2　流体动力学模型：稳态条件 527

18.4.1.3　分凝行为 528

18.4.1.4　非稳态条件下的TFD模型：g抖动 531

18.4.1.5　g抖动引起的分凝行为 533

18.4.2　溶液晶体生长 535

18.4.2.1 低Peclet数条件下的晶体生长 535

18.4.2.2　重力场中晶体生长的各向异性 536

18.4.2.3　溶质不稳定性 536

18.4.3.1　稳定和断裂 537

18.4.3.2　共振频率 537

18.4.3　液柱的振荡 537

18.4.3.3　可容许g水平共振模减小 539

18.4.4　扩散和热扩散实验 540

18.4.4.1　问题的描述 540

18.4.4.2　自扩散和互扩散 541

18.4.4.3　热扩散 542

18.5　结论和建议 544

18.6　参考文献 545

H．U．Walter,C．Belouet,Y．Malméjac 549

19.1　引言 549

第19章 微重力的工业前景 549

19.2 目前状况 550

19.2.1 美国 550

19.2.2　苏联 553

19.2.3 日本 555

19.2.4　欧洲 556

19.2.4.1 联邦德国 558

19.2.4.2　法国 559

19.3　空间材料制备的潜力 560

19.3.1 引言 560

19.2.4.3　其它欧洲国家 560

19.3.2　经济考虑 561

19.3.3　玻璃 562

19.3.4　熔体晶体生长 562

19.3.5　汽相晶体生长 563

19.3.6　无机材料的溶液晶体生长 563

19.3.7　蛋白质单晶生长 564

19.3.8　适于微重力的工艺 564

19.4　讨论 565

19.5　有关欧洲政策的建议 566

19.6　参考文献 588