1、地面无容器材料制备及建立高温热物性测试平台
无容器悬浮凝固技术是通过利用磁场、电场、声波和气体等作用力来抵消重力影响，悬浮样品，并利用激光加热熔化进行非平衡态凝固的研究。本课题组自成立之初在国家自然科学基金、中科院科研装备研制项目等基金的支持下，先后成功研制了无容器气悬浮炉、气氛悬浮炉和静电悬浮炉，实现了样品稳定悬浮和无容器凝固。本课题组以无容器技术为核心，对无机亚稳功能新材料的制备及其形成原理开展了一系列的研究。
（1）气悬浮技术及装置
气悬浮是通过控制从喷嘴中流出的气流来抵消样品的重力，从而实现无容器状态。可根据样品需求在空气、氧气和保护气氛中进行激光加热无容器凝固，并可以耦合同步辐射装置，对高温熔体的形核生长过程进行高能X射线的透射实时观测。
气悬浮技术由于结构简单、易于操作、造价低廉、易自动化量产，从而有利于依据材料的物理特性及化学组分进行材料基因研究和亚稳相功能材料的设计。本课题组通过成分优化，利用无容器成功地制备成功了多种具有特殊结构的折射率在2以上的光学玻璃。样品的最大直径可达8mm，可制备成用于显微镜、手机、数码照相机和体内透射镜的高分辨率和广角镜头。
为了满足不同材料在不同的环境条件下的高温无容器悬浮加热需求，本课题组设计和制备了开放式气体悬浮炉用于无机氧化物材料在空气和氧气气氛中的无容器悬浮凝固， 密封的保护气氛腔体用于金属和半导体材料需在氩气和氮气气氛中进行无容器悬浮凝固。各装置的特性为
步进马达机构控制系统，实现试样的自动进样和出样，及操作过程的实时观察，达到氧化物试样半自动化无容器凝固制备的目的。通过根据试样的尺寸自由更换喷嘴，达到能够利用气体悬浮炉制备直径为1-6mm试样目的。通过多方向激光加热，气体流量精确控制，达到氧化物的稳定悬浮凝固,制备无机功能材料。
利用密封腔体和真空及加压系统，获得高真空（10-4Pa）的环境，并可在保护气氛悬浮的功能，抑制金属和半导体等材料在高温加热时的氧化，达到其无容器凝固制备的目的。可满足多方向加热，高速摄像，温度测试，触发形核等扩展功能要求。
（2）无容器静电悬浮原理及装置
静电悬浮是通过静电场中的库仑力来克服重力，从而实现带电样品的无容器状态。无论是金属还是绝缘体，只要其表面带电就可被悬浮，被视为最佳的无容器处理技术之一 。它具有加热温度均匀，位置稳定可控，观察视野宽广等特性，不仅可以用于制备新型功能材料，测试高温材料的热物性，更重要的还可以和同步衍射和中子衍射等大型装置结合，研究高温熔体结构和非平衡凝固的相变机理等基础科学。
静电悬浮由于对微重力环境的干扰小，国际空间站和未来的中国空间站都将使用静电悬浮进行微重力实验。本课题组在中科院的科学装置研制重大项目的依托下，完成了国内首台多方向激光加热超高温静电悬浮装置，最高加热温度达3000℃以上。
2、新型光学功能玻璃的无容器悬浮凝固制备
BaTi2O5是近十年来发现的具有高温铁电相变的铁电体材料，有望用于高温环境的电子元器件。利用无容器技术我们成功地制备了常规方法难以形成的BaTi2O5玻璃，其折射率为2.14。DSC测试发现BaTi2O5 玻璃具有三个连续转变的相：α、β、γ。其中α和β为亚稳定相。铁电性能测试发现，当α-BaTi2O5相存在时，其介电常数最高可达1.5×107。
通过对BaTi2O5玻璃体的中子衍射、高能同步辐射X线衍射，并结合第一性原理和反向蒙特卡罗（RMC）建模的计算，证实了BaTi2O5玻璃体中的非对称多面体TiO5多面体结构和亚稳相的TiO5多面体结构。通过光学测试和发现BaTi2O5玻璃体具有高于2的折射率，和很强的上转换发光效率，通过理论计算认为BaTi2O5玻璃体的特殊的光电效应主要和其特殊的非对称TiO5多面体结构有关。
通过稀土元素的掺杂，进一步提高了玻璃体的折射率，使其最高到达2.4，和钻石相当。高折射率光学玻璃材料可应用在以下几方面:（1）可应用可用于照相机、高倍显微镜、望远镜、变倍系统、数码相机以及 DVD读取头等方面。（2）可应用在军事领域，激光测距仪、红外观察镜、军用望远镜等。（3）使用特高折射率光学玻璃制作的微透镜，焦距可以缩小到0.5mm 以下，可作为光通信中有源器件之间、有源与无源器件之间的耦合元件，其耦合效率达到90% 以上。（4）高折射率高色散光学玻璃具有良好的红外透光性、光学均匀性、化学稳定性、高的机械强度和硬度，可开发成新型的红外光学材料。（5）高折射率玻璃在表观上有更明亮的效果, 可用于高档工艺品、仿钻戒指等珠宝饰品。（6 ）高折射率玻璃材料广泛应用在玻璃微珠方向，作为回归反射材料，广泛应用在道路、桥梁、港口、矿山等设施中。
3、超高介电常数单晶体的无容器悬浮凝固制备
介电性能是指在电场作用下，表现出对静电能的储蓄和损耗的性质，通常用介电常数和介质损耗来表示。利用静电悬浮技术，以300K/s的冷却速度制备了新型高介电常数的六方体钛酸钡（h-BaTiO3 ）单晶，在室温下其介电常数高达10万以上。并利用高速摄像机对h-BaTiO3 单晶的生长过程进行了实时观察。
4、高温热物性的静电悬浮测试
（1） 密度测试
采用CCD及红外高温仪记录熔融样品冷却过程中的图像及温度变化。在高温阶段（>2000K）时，加热试样产生的辉光会影响CCD相机获得正确的试样图像，所以采用UV灯作为光源，并加上只能让UV光通过的滤光片，可以获得试样的实际尺寸的图像。然后通过图像处理，以最大光强梯度来确定样品边界，并采用球谐函数拟合计算样品图像体积，对比大小已知的标准样修正得到样品实际体积，最终得到密度。
金属Zr，Hf和Nb的高温熔体的图像
金属Zr，Hf和Nb的高温熔体凝固过程的冷却曲线
（2）熔体表面张力
在无容器材料实验中，利用液滴振动法测量材料的表面张力与粘度。其原理为在高压电极上叠加输入频率ωc的正弦振荡信号，当振荡频率与样品特征振荡频率相一致时，由瑞利方程可得到样品的表面张力：
其中，r0为球形样品半径，r为熔体密度，Y为总体修正系数。
表面张力的测量依赖于样品半径及密度，实时图像处理技术能得到半径及密度变化，进而得到表面张力随温度的变化关系。
（3）粘度系数
以样品特征振荡频率ωc的正弦电压激励熔体产生连续变形，撤去电压，由光电探测器记录振荡得到信号衰减时间τ。将衰减时间τ带入粘度计算公式：
其中，r0为球形样品半径，r为熔体密度。
样品振荡衰减时间τ与振荡频率ωc测量结果
5、三元光电晶体InxGa1-xSb的空间晶体生长
低温热源进行光电转换发电是新一代的有效能源之一。其原理是燃烧到1000？2000℃的火焰，从发射器辐射出各种波长的光波，照射到光电转换半导体组，产生电动势发电。由于是通过固体半导体装置来进行的，没有移动和旋转，具有低超声、低振动，和小型轻量化的优点。三元光电单晶体InxGa1-xSb由于其具有很宽的禁带宽度（1.7～6.8μm），可以吸收多种波长，具有高效的低温热源光电转换特性，用其制成的热电光发电系统预计可将来可使城市垃圾燃烧热中发出的95%的辐射光能转变为电力。本课题组和日本宇宙航空科学研究机构（JAXA）所属宇宙科学研究所（ISAS）共同合作，2015年将利用中国的返回式微重力科学卫星进行高质量InxGa1-xSb晶体的空间生长，通过抑制重力驱动的对流，获得高质量大尺寸三元混晶半导体晶体。
6、光浮区晶体生长技术研究
浮区法也叫垂直区熔法，是区熔法晶体生长方法的一种，属于熔体法晶体生长技术的一种，该方法在整个生长过程中的任何时刻都只有一部分原料被熔融，熔区由表面张力支撑，故称“浮区法”。
区法通过外部加热源熔化晶体生长材料，在晶体与多晶材料棒之间形成一段熔区。籽晶和料棒可以沿着相同或者不同方向旋转。通过移动料棒，熔区自上而下或者自下而上移动，以完成结晶过程。浮区法晶体生长过程中，可以通过CCD摄像头实时观测晶体生长状况，悬浮的熔区是靠熔体的表面张力克服重力作用来维持的。所以浮区法适合生长材料熔化后具有较大的表面张力和较小的熔态密度的材料。该方法的主要优点是不需要坩埚，生长的单晶纯度很高，并且掺杂均匀。也由于加热不受坩埚熔点的限制，在生长高熔点材料方面有独特的优势，并且区域熔炼设备简单，产品纯度高，操作可以自动化。目前，已经用于制备介电、磁光材料、发光材料等
