空間材料科學與加工

空間材料科學與加工研究空間環境條件下材料加工、生產工藝過程的物理規律，從而獲得性能全新的材料。

空間材料科學研究緊密結合套用需求，探索和揭示在地面環境下難以認知的材料物理和化學過程規律，豐富、完善和發展材料科學理論，指導和推動地面材料加工工藝的改進與發展；通過試驗驗證空間套用材料性能。

基本介紹

• 中文名：空間材料科學與加工
• 外文名：Space material science and processing
• 又稱：微重力材料科學 
• 目的：利用空間環境和空間存在物質
• 歸類：空間科學

定義

空間材料科學與加工又稱微重力材料科學

物體自由下落時不會感受到自身的重力。 這一深邃的物理洞見構成了愛因斯坦廣義相對論的思想基礎。在向地面下落的物體內，以及在廣大的遠離星體的自由空間中，重力可以降低到接近於零的水平，即構成微重力環境。材料科學在微重力下的研究當然只在重力存在與否對所關注的過程或過程實現的外部條件具有明顯影響的情形下才有意義，因此，微重力材料科學研究關注的材料一般不涉及剛體、彈性體甚至塑性體這樣的內部分子關聯較強的體系，而主要是流體，包括蒸汽、液體、固體材料的熔液以及部分軟物質(生命物質與氣泡和泡沫材料等)， 顆粒物質，以及這些材料形式之間的或它們同固體的組合。微重力材料科學的這一特點決定了它的研究內容和研究手段。 其研究內容包括材料自身的物性研究如浸潤過程、燒結過程，物質輸運過程（擴散、對流）等， 熔體的固化和結晶過程，溶液法晶體生長，等。涉及的物理概念多為質量輸運過程，表現為凝聚，形核和生長，其物理驅動力為液體/熔體的表面能（張力）和界面能。 氣體和液體/熔體間的界面能主要體現在泡沫結構(bubble)和泡沫材料（Foam）研究中。

研究目的

把對空間環境和空間存在的物質材料的利用作為目的之一。基於以上考慮，可以看到針對以下幾種情形空間材料科學研究是必要的：

（1） 在重力的變化或存在與否對所關注的材料過程或過程實現的外部條件具有明顯影響的情形下；

（2） 針對宇航業必需的材料（如防護，推進，潤滑）和空間存在的物質；

（3） 尋求地面上沒有的其它條件，比如極端高真空和強輻射時。

其中，第一種情形就是所謂的微重力材料科學(Microgravity Materials Science)研究。它是空間材料科學研究的主體部分，在一些文獻中，微重力材料科學甚至和空間材料科學不刻意加以區分。

分類

從材料生成機理看，空間材料可分為晶體生長和金屬、複合材料製備兩類；按材料的性能用途分，它又可分為包括半導體、超導、磁性和光纖等在內的功能性材料，包括合金、金屬、泡沫多孔和複合材料等在內的結構材料，以及陶瓷、玻璃材料等幾類。

涉及方面

空間材料科學是最早開展的空間科學研究領域。經過三十年的不懈努力， 空間材料科學研究到目前為止幾乎涉及了所有方面的重要材料研究， 包括：

(1) 形核與亞穩態；

(2) 微結構的預測與控制；

(3) 界面與相分離問題；

(4) 輸運問題；

(5) 晶體生長與缺陷控制，等等。

如果以‘與材料有關的’空間研究內容論， 按歐空局的數據，則包括凝聚現象、套用指向的熔化過程、沸騰/汽化過程、毛細現象、化學斑圖的形成、燃燒、複合物、晶體生長中的對流與偏析現象、擴散、流體的動力學與穩定性、電磁學、電泳、鐵流體、流體物理、流體臨界現象、泡沫、亞穩相與玻璃、顆粒物質、 界面現象、近臨界點研究、火焰、金屬合金、微結構與形貌穩定性、粒子凝聚和物理化學，等等。可以說，空間材料科學研究的廣度已經得到了充分的體現。

關鍵成果

空間材料科學研究是最先開展的空間科學研究，取得了相當多的成果。 在前述的重要方向上有：在電磁懸浮爐中對金屬玻璃熱力學性質的系統研究，對大塊金屬玻璃的設計能提供指導性的知識；確立了對流對枝晶生長機理的影響；了解了液相燒結中顆粒壓模形狀的改變的原因，在此基礎上地面工藝免除了研磨的步驟，具有相當的經濟效益； 對Ostwald Ripening 機理的深入研究擯除了1960年代的舊理論；測定了許多種金屬、半導體等材料在高溫下的擴散係數；對提拉法和浮區法晶體生長過程的深刻理解導致了對這兩種方法生長的晶體質量的改進；獲得了對流對固液界面穩定性的影響的深刻認識，等等。

在空間失重環境中，對流、沉積、浮力、靜壓力等現象都消失了，另外一些物理現象卻顯現出來。例如，液體的表面張力使液體在不和其他物體接觸時，緊緊抱成一團，在空中懸浮；液體和其他物體接觸時，液體在物體表面能無限制地自由延展。太空毛細現象加劇了液體的浸潤性，氣體泡沫能均勻地分布在液體中，不同密度的液體可均勻混合。通過大量的研究實驗，不僅清楚地認識了這些在微重力環境下產生的物理現象以及產生這些物理現象的機理，而且也進一步了解了地球重力環境限制材料加工的各種因素。利用這些在微重力環境下特殊的空間物理現象和過程，人類已試驗了空間焊接、鑄造、無容器懸浮冶煉等工藝，冶煉出高熔點金屬，製造出了具有特殊性能的各種合金、半導體晶體、複合材料和光學玻璃等新材料。

40年來，已在各種太空飛行器上進行了許多次空間材料實驗，從而對空間晶體生長和空間材料加工過程中的特殊現象及其規律有了較深入的了解，並取得許多新的成果。

美國早在阿波羅號飛船上就開展過微重力條件下的材料科學實驗。1973年發射升空的“天空實驗室”空間站上，航天員進行了28項微重力研究實驗，1975年在阿波羅號-聯盟號聯合飛行中又開展了13項微重力實驗。自1981年太空梭飛行以來，美國航天員利用空間微重力環境開展了晶體生長、特殊材料的工藝研究和生產，特別是把空間微重力實驗室送入軌道進行材料加工，生產砷化鎵晶體等材料。蘇聯於1969年在聯盟號飛船上首次進行了金屬焊接和切割試驗，研究了微重力下的熔融金屬性狀，在禮炮號空間站上進行了微重力材料加工，拉出了重1.5千克的均勻單晶矽，製備了碲鎘汞半導體材料、陶瓷和光學材料，還生產出球體伍德合金和鋁鎂、鉬鎵、鋁鎢、銅銦和銻銦等多種合金材料。在禮炮號空間站上共使用各類微重力實驗設備175種，帶回3500多千克的實驗樣品。在和平號空間站上專門有一個叫晶體號的工藝艙，航天員利用其上的專用設備製取了純度極高的半導體材料，生產了直徑為5厘米的砷化鎵晶體。總之，利用空間微重力條件，人類已在難混合金、複合材料、功能材料的製造實驗和空間加工工藝方面，取得了很大發展。

中國利用自選研製、發射的返回式衛星，多次搭載空間晶體爐，進行空間材料加工實驗，研究了解砷化鎵單晶、碲鎘汞晶體的生長，超導材料的燒結，鋁基碳化矽複合材料的製備，鈀鎳磷、銻化銦、銻化鎵、鋁鈮合金的生長。

中國利用返回式衛星進行微重力條件下空間材料加工試驗，主要包括單晶生長、超導材料和合金凝固等多項。例如，在地面混合併與石英管浸潤的鎘銦樣品，經空間熔化後分離成兩個成分分別為鎘和銦的球體，並且與石英管都不浸潤。通過空間進行鋁鋰、鋅鉛、鋁鉛、鋁鈮、鋁鋅鉍等難混合金和偏晶合金凝固試驗，發現空間的塊狀鋅鉛樣品中實現了彌散相分布。在空間粉末液相燒結中也能夠得到定向生長的晶體結構。所有這些實驗成果表明，中國空間材料科學研究邁上了一個新的台階。

設備問題

我們看到，目前空間（材料）科學*

發展的瓶頸體現在空間實驗設備和實驗機會上。材料科學的一個特點是多學科交叉進行，對設備和方法有著強烈的依賴，且設備具有極度多樣性！空間材料科學所需要的儀器五花八門，不勝枚舉。所有地面上用於材料科學研究（製備，檢測，表征，物性測量，性能測試，等等）的儀器設備都可以是空間材料科學研究的必備儀器。然而，由於空間條件的限制，這包括重量、功率、體積、實驗的無人操縱等方面的因素，當前材料科學的空間實驗部分所涉及的儀器設備主要是固體材料熔化設備、溶液晶體生長設備、以及一些簡單的觀察和記錄設備，像帶一定溫控功能的管式爐、電磁懸浮爐、溶液混合系統、觀測溶液濃度分布的干涉儀和CCD相機，等等。顯然，這些只能滿足一些簡單的空間材料製備和研究需求。材料研究主要還是以空間獲得材料在地面上作對比研究。

空間材料科學領域的實驗技術基於地面上的成熟研究，是有充分保障的。但是設備受空間資源的限制一直難以滿足研究的需求。資源限制是空間材料科學短期內不可能改變的現實。因此，空間材料科學設備研究在試圖將更多更複雜的設備送上空間的同時，設備的微型化，小功率化，信息自動化、模組化和系統平台化（提供普適型條件）是必要的趨勢。目前一些重要的地面已有材料研究設備的小型化研究也非常重要。新的升空設備應該儘可能實時原位地進行實驗過程操控和記錄，並且允許載入電磁場等外場。發展專門的大型實驗平台成為當前的趨勢。空間實驗平台可以搭載更複雜的實驗儀器，可以有人操控對實驗研究過程實時干預，進行參數調整，從而可以根本上改變目前空間材料科學進展緩慢的局面。歐空局研製的用於有人照料空間實驗的‘材料科學實驗室’代表了空間材料科學實驗模組的方向。

國際上的研究重點

當前主要空間研究的材料對象包括：

（1） 新穎鑄造合金；

（2） 金屬泡沫材料

（3） 半導體晶體

（4） 高溫陶瓷

（5） 輕質金屬基材料

（6） 生物材料（包括涉及人類長時間空間旅行有關的生物過程；與生命探索有關的有機材料等）；

（7） 智慧型與自修復材料

（8） 空間探測事業需求的飛行器空間防護材料、潤滑與推進材料。

（9） 顆粒物質

（10） 電子晶體與光子晶體材料

（11） 高分子材料，等等。

關注的材料中的核心問題則包括：

（1） 過冷液體的性質和其中的形核

（2） 固化過程中的微結構發育動力學；

（3） 多相體系的形貌演化；

（4） 計算材料科學

（5） 微重力下液態的熱物理性質

（6） 物質內的參數耦合輸運過程……

實際上，所有的材料和材料行為都是空間材料科學研究的對象。由於空間材料科學比較成熟，近年內戰略考慮方面沒有什麼實質性的改動。但是， 基於空間材料科學研究的歷史經驗，美俄日歐在未來如何進行材料科學研究的指導思想上還是一致強調：

（1）空間材料科學研究必須立足於大量的充分的地面相關實驗。除了支持飛行實驗以外， 還支持大量的地基研究，包括任何支持，補充或者未來能夠發展成飛行實驗的研究項目。

（2）考慮到空間實驗設備對空間科學研究進展的嚴重限制，以及空間環境下儀器構造及運行過程的特殊性，空間材料科學設備應由有專業化認識的隊伍參與研製， 並由專門機構統管。

（3）空間探索是全人類的事業。同其它空間科學研究一樣，空間材料研究領域內的全方位國際合作是重要的。

總體評價

空間材料科學一個與其它空間學科不同的地方，即與空間材料科學研究相對應存在著材料科學這門學科， 且材料科學研究目前已經達到了令人吃驚的深度與廣度。在材料學科領域內，想成為多方面的專家其難度已經超乎想像。人們在對空間材料科學研究的成果作評價時，會不可避免地拿相關的材料科學研究作為參照。

空間材料科學研究至今進行三十餘年，儘管花費了許多努力，認識到了許多新現象，但研究結果的深度、自洽性同地面類似研究相比，非常初步，有時其結論顯得匆忙，禁不起推敲。其原因有兩方面：其一是受實驗條件和資源限制，只能進行簡單的實驗，且重複的機會少，缺少對實驗過程的全面的觀察記錄，缺少對實驗過程的實時人為干預調節，等等；其二是對空間條件的特殊性認識不足。在空間進行的材料過程中，總有我們在地面上意想不到的事情或現象出現。而這恰恰是空間材料科學實驗的必要性所在和迷人之處。同時應該看到，向外太空的擴展是人類心靈深處的願望而且也許很快會成為一種必要，材料在空間環境中的研究與開發利用是其關鍵環節。初期的緩慢進展是必然的，其高代價也是必須的。

中國空間材料科學研究現狀

我國的空間材料科學研究從1987年利用返回式衛星進行GaAs晶體的空間熔煉生長開始，至今已經歷十幾年，也研究開發了多種材料空間實驗裝置，積累了一定的技術基礎和研製經驗，發展態勢良好。主要的研究內容包括晶體生長爐的研製，溶液法晶體生長裝置的研製，金屬合金等多種材料凝固實驗和擴散規律、結晶規律的研究，GaSb、GaAs、HgCdTe、 Ce:Bi12SiO20和α-LiIO3晶體的生長，等等。但由於資源限制，目前進行的還主要只是與固體熔化和溶液法晶體生長有關的研究。設備為多工位爐和溶液晶體生長設備。同美俄等空間大國相比， 我們在設備研究、實驗次數、開展研究的範圍和深度上都有較大的差距。其中，最明顯的差距體現在所用的設備上，其自動化程度、適用性同美俄歐日相比都較差。這大大限制了我國空間材料科學研究進展的步伐。在未來的空間科學研究規劃中， 空間實驗設備應該加大投入，並且要充分認識到對相應的地面研究加大投入、維持高水平研究隊伍的重要性。

光啟未來要做空間的深度開發，用“空間+”來連線地面上的各種需求。根據飛行高度不同製作一些列的飛行設備，並在空間深度領域開發上進行系統規劃。在低空領域，光啟現在大力宣揚的就是馬丁飛行噴射包。現有視頻和文字資料顯示，馬丁飛行包是一個單人飛行裝置，使用98號汽油作為燃料。最新一代模型可以飛行在150米的高空，最高飛行高度為914米，最大載重120公斤，飛行速度每小時可達74公里，飛行時間30分鐘。飛行包可以垂直起降，也可以快速前進，目前可以用於緊急救援、休閒觀光等領域。