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空間材料科學(xué)，作為空間科學(xué)與應(yīng)用領(lǐng)域中的重要分支，是傳統(tǒng)的材料科學(xué)向空間環(huán)境下的延伸，是發(fā)展材料科學(xué)新理論、探索材料制備新工藝和拓展材料應(yīng)用新領(lǐng)域中最活躍的前沿性交叉學(xué)科之一。空間具有微重力、超真空、無容器和強(qiáng)輻射等特殊效應(yīng)，是研究材料熔融、凝固等的理想實(shí)驗(yàn)條件，但是，人們迄今所能利用的空間資源仍然十分有限。因此，模擬空間環(huán)境中各種效應(yīng)的地面方法應(yīng)運(yùn)而生。懸浮技術(shù)就是其中之一，它可以模擬空間環(huán)境中的無容器狀態(tài)。懸浮無容器技術(shù)就是利用外界物理場(chǎng)產(chǎn)生的作用力來抵消物體的重力，從而使物體處于一個(gè)無接觸、無容器的狀態(tài)。它避免了坩堝對(duì)材料表面的接觸與污染，能夠抑制異質(zhì)形核，獲得深過冷，是制備高純亞穩(wěn)態(tài)新型功能材料的有效手段。圖1是有容器和無容器技術(shù)凝固過程示意圖。懸浮無容器技術(shù)主要有聲懸浮、靜電懸浮、磁懸浮、光懸浮、電磁懸浮和氣懸浮等方式，下面簡(jiǎn)單介紹下幾種常用的懸浮技術(shù)。
圖1 有容器和無容器凝固過程示意圖
聲懸浮是利用高強(qiáng)聲波產(chǎn)生的作用力來抵抗重力從而實(shí)現(xiàn)物體懸浮的，聲波產(chǎn)生的這種力稱為聲輻射壓力。在線性聲學(xué)中，聲壓隨時(shí)間呈周期性變化，聲壓在一個(gè)周期的時(shí)間平均值為零。但是，在高聲強(qiáng)條件下，聲波的非線性效應(yīng)變得越來越顯著，會(huì)在聲壓中引起一個(gè)"直流"項(xiàng)，這一項(xiàng)的時(shí)間平均值具有固定的方向和大小，從而產(chǎn)生聲輻射壓力。
靜電懸浮是利用靜電場(chǎng)中帶有靜電的樣品受到的庫侖力來抵消重力，實(shí)現(xiàn)無容器狀態(tài)。根據(jù)Earnshaw定理，靜電場(chǎng)不存在三維最小靜電勢(shì)，所以要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定懸浮就必須結(jié)合負(fù)反饋控制系統(tǒng)。靜電懸浮前樣品必須預(yù)極化，主要有三種方式：靜電感應(yīng)帶電、光電效應(yīng)帶電和熱電子發(fā)射帶電，三種方式結(jié)合使用才能實(shí)現(xiàn)樣品的穩(wěn)定懸浮。由于靜電懸浮的無容器、高真空、高溫和可實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定懸浮，因此在熔體的熱物性、冷卻與凝固、材料的合成與制備和空間實(shí)驗(yàn)等方面已經(jīng)有初步的應(yīng)用。但是，靜電懸浮設(shè)備龐大復(fù)雜，造價(jià)昂貴。
電磁懸浮是利用強(qiáng)電磁場(chǎng)波來懸浮和定位導(dǎo)電材料，當(dāng)導(dǎo)電樣品置于電磁場(chǎng)中時(shí)，將會(huì)在樣品中誘導(dǎo)產(chǎn)生渦流。由于誘導(dǎo)電流和電磁場(chǎng)的接觸，將有一個(gè)力作用于樣品，這個(gè)力可以克服重力而使物體處于平衡狀態(tài)。這種誘導(dǎo)渦流通過歐姆損失產(chǎn)生焦耳熱，因此，如果沒有冷卻系統(tǒng)，樣品可被加熱到熔化。在樣品中的電磁力將會(huì)誘導(dǎo)熔融試樣的流動(dòng)。所以，電磁懸浮有兩大限制：（1）只能是導(dǎo)電樣品；（2）樣品能夠內(nèi)部加熱。
氣懸浮是通過控制從一定結(jié)構(gòu)的噴嘴噴射出的高速氣流來實(shí)現(xiàn)樣品懸浮的，懸浮力來源于氣流掠過樣品表面時(shí)的動(dòng)量減少。氣懸浮能夠懸浮起其他懸浮方法所不能懸浮的致密材料，已經(jīng)有利用氣懸浮測(cè)量熔體的物性、研究高溫下材料處理的報(bào)道。
由于無容器技術(shù)的獨(dú)特性，在開發(fā)亞穩(wěn)態(tài)材料和新型功能材料領(lǐng)域具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)。利用無容器技術(shù)的無坩堝、無接觸，結(jié)合熔體的表面張力的約束作用，可開發(fā)出光學(xué)性能優(yōu)良、具有理想球面、常規(guī)條件難以制備的新型玻璃材料。無容器技術(shù)避免了容器壁的接觸和污染，通過材料的熔融揮發(fā)可去除雜質(zhì)，因此，可用于制備高純材料，這就有利于獲得高活性、可降解性的生物材料。此外，通過對(duì)無容器開發(fā)的新型材料進(jìn)行后處理，還可以獲得發(fā)光性能良好和高介電常數(shù)的功能材料。
圖2是以上四種懸浮無容器技術(shù)工作時(shí)的示意圖。氣懸浮技術(shù)操作簡(jiǎn)單、成本低廉、無需反饋系統(tǒng)、對(duì)材料電性能無要求，因此廣泛用于材料的無容器處理與研究。圖3是氣懸浮無容器技術(shù)的工作原理示意圖。從圖中可以看到，高速可控氣流自下而上對(duì)樣品進(jìn)行作用，使樣品穩(wěn)定懸浮在噴嘴中，激光自上而下對(duì)樣品進(jìn)行加熱熔化。熔體通過自身的表面張力而被約束為球形，待到熔體均一穩(wěn)定后，關(guān)閉激光，深過冷的熔體快速冷卻，凝固成常規(guī)條件下難以制備的玻璃體。
圖2 常用懸浮無容器技術(shù)工作示意圖