《空间流体科学与空间材料科学》求取 ⇩

H．Hamacher,B．Fitton,J．Kingdon1

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 （249

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．Langbein49

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．Velarde72

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．Behret114

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．Frohberg129

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 Gama154

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．Turner177

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．Müller204

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．Lockwood230

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．Nitsche245

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？nherr279

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-HgI2301

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．Wallrafen321

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．Littke358

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．Sahm378

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．Fredriksson411

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．Rogge454

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．Herlach480

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．Favier513

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．Malméjac549

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