作者:马卓敏 来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2016/9/15 15:37:44
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项目主任设计师揭秘“热毛细对流”的玄机

天宫二号液桥热毛细对流空间实验项目部分实验装置


液桥热毛细对流实验箱

 

日常生活中,由于重力的存在而产生了浮力。开水壶中水的流动,便是浮力对流机制在起作用。而在空间微重力环境中,失重的状况将导致浮力的消失,于是浮力对流也便消失了。

那么空间环境还有没有自然对流存在呢?其实,太空中自然对流并没有消失,而是以另一种作用机制存在,这就是在地面上长期被浮力效应掩盖的热毛细对流。“天宫二号”将搭载的“液桥热毛细对流实验箱”,由中科院力学研究所国家微重力重点实验室历经3年多研制并通过层层地面试验考验,它的任务就在于开展液桥热毛细对流实验。

对此,“天宫二号”热毛细对流空间实验项目主任设计师、中科院力学研究所研究员康琦指出,热毛细流动是空间微重力环境下的主要自然对流形式,表面张力会随着温度变化而变化,而表面张力的不均匀也成为驱动液体流动的原因。由于表面张力称为毛细力,所以又称热毛细流动。

液桥是连接两个固体表面之间的一段液体,比如两个手指尖的小液柱,表面张力是使液桥得以维持的控制力量。但在地面上,与重力相比,表面张力很弱,所以形成的液桥尺寸只有几毫米。而在太空中却大相径庭,由于重力消失,太空中的表面张力开始发挥威力,小液滴也能被注成悬浮的大液球。热毛细对流现象在实际工业生产中有着广泛的应用,特别是高质量晶体的生长过程。康琦为此表示,为生产出高质量的半导体晶体材料,就要科学控制晶体生长过程中浮力对流、热毛细对流的影响,而太空特有的微重力环境将使科学家可以深入剖析热毛细对流的真实过程。

以往实验证明,即使在太空中,热毛细流动也会导致晶体的微观结构缺陷,想要制造出高纯度单晶一样是非常困难的。更糟的是,当温差超过临界条件时,这种热毛细流动还会进入一种振荡流的状态,流体内部也表现出温度的振荡,晶体在生长的过程中会忽冷忽热,会造成缺陷。

康琦介绍,由于空间实验机会少、成本较高,而且热毛细对流现象与其影响因素之间的关系并不能用简单公式就可以描述,所以还需要进行大量的地面实验,为载荷设计以及空间实验参数的选取摸索、提供科学合理的参考范围,以保证空间实验的顺利进行。

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