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    我国声悬浮研究取得重要进展

    日期 2001-10-22   来源:   作者:  【 】   【打印】   【关闭

    ——能悬浮起密度达18.9g /cm3 的金属钨饼国外目前仅能悬浮起密度为11.34g/cm3的铅球   本文提要:在国家自然科学基金委员会优秀中青年科学基金、国家杰出青年科学基金等持续资助下,西北工业大学应用物理系魏炳波教授及其合作者在单轴声悬浮研究方面,通过提高装置的悬浮力和悬浮稳定性,在国际上首先利用超声波将金属钨饼悬浮在空中。这一研究成果于2001年8月6日发表在《应用物理快报》上,10月4日《自然》对此进行了评述:“超声波能够悬浮起像钨那样重的物体。这种无容器的、将物体悬在空中的方法可应用于研究和制备新材料。”   提高材料的纯净度,尽一切可能避免杂质的混入,是制备高质量材料的重要条件之一,是材料科学家追求的目标。为了获得高质量材料,首先必须避免材料与容器壁之间的反应。在宇宙空间中,由于没有重力的影响,可以做到这一点。而在地面上必须通过各种悬浮的方法才能做到。利用电磁力可以将各种金属悬浮在空中,但不能把非金属和有机物悬浮起来。而用声波能把包括金属在内的所有物质悬浮起来。据悉,国外目前最大的悬浮能力是把铅球(密度11.34g/cm3)悬浮起来,但尚未正式报道。美国航空航天局的研究工作是把钢球(密度7.8g/cm3)悬浮起来,而魏炳波等的工作能悬浮起高密度(18.9g /cm3 )的金属钨饼。   西北工业大学应用物理系魏炳波教授自1992年底回国后,曾获得优秀中青年科学基金、国家杰出青年科学基金等多项基金的连续资助。八年来,魏炳波及其合作者们在国家自然科学基金和其它部门的支持下,建立了一个独具特色的“空间材料地面模拟实验室”并形成了一支以青年人为主的研究队伍。他们自行设计和研制了多台空间材料地面模拟设备,获得国家科技发明奖二等奖一项,省部级科技进步奖多项。列维斯研究中心(Lewis Research Center )的亨利C .德格洛(Henry C. de Groh )在1999年1月美国航空航天局(NASA)的技术备忘录上,对魏炳波教授在深过冷、快速凝固等方面的研究成果进行了专题评述,称赞魏炳波等“为这一领域的国际领先水平做出了贡献”。   今年8月6日《应用物理快报》刊登了魏炳波和解文军共同撰写的论文“单轴声悬浮的参数研究”。在他们的文章发表还不到两个月的时间,10月4日《自然》在新闻与评论栏目的声学物理学科上刊登了德国马普金属所著名物理学家E. H. 伯兰特(E. H. Brandt)撰写的题为“悬在声中”的评述文章。文章指出“超声波能够悬浮起像钨那样重的物体。这种无容器的、将物体悬在空中的方法可应用于研究和制备新材料。”   魏炳波等在该领域的主要研究成果如下:   1、成功研制了单轴声悬浮装置   魏炳波教授与其合作者高建荣、曹崇德和解文军研制的“单轴装置”由一个凹球面反射端和一个频率为16.7kHz发射器组成,结构简单、应用简便。最近,解文军和魏炳波在《应用物理快报》上发表文章,证明了只要精心设计反射端形状则可以大幅度提高超声悬浮能力。由于成功地提高了单轴声悬浮装置的悬浮力和悬浮稳定性,从而悬浮起高密度(18.9g /cm3 )的金属钨饼。该装置已获国家发明专利2项。   2、建立了详细的理论模型,分析与实验结果非常一致   为了解释优化设计参数与最终实现大悬浮力和高稳定性之间的关系,他们建立了一个详细的理论模型。其理论分析与实验结果非常一致。他们计算出当发射端与反射端距离为大约2个波长时,将出现4个声场势阱,中间两个为对称轴上的两个点,而靠近发射端和反射端的势阱呈环形,很好地解释了具体的实验现象。   3、提供了一种模拟微重力状态的实验方法   他们对单轴声悬浮研究的进展是:在提高声悬浮稳定性和过程可预见性同时,有效地增大了悬浮力。其意义在于为研究和制备新材料提供了一种模拟微重力状态的实验方法,其成本将比空间实验低得多。



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