空间材料科学与加工

空间材料科学与加工又称微重力材料科学

物体自由下落时不会感受到自身的重力。 这一深邃的物理洞见构成了爱因斯坦广义相对论的思想基础。在向地面下落的物体内，以及在广大的远离星体的自由空间中，重力可以降低到接近于零的水平，即构成微重力环境。材料科学在微重力下的研究当然只在重力存在与否对所关注的过程或过程实现的外部条件具有明显影响的情形下才有意义，因此，微重力材料科学研究关注的材料一般不涉及刚体、弹性体甚至塑性体这样的内部分子关联较强的体系，而主要是流体，包括蒸汽、液体、固体材料的熔液以及部分软物质(生命物质与气泡和泡沫材料等)， 颗粒物质，以及这些材料形式之间的或它们同固体的组合。微重力材料科学的这一特点决定了它的研究内容和研究手段。 其研究内容包括材料自身的物性研究如浸润过程、烧结过程，物质输运过程（扩散、对流）等， 熔体的固化和结晶过程，溶液法晶体生长，等。涉及的物理概念多为质量输运过程，表现为凝聚，形核和生长，其物理驱动力为液体/熔体的表面能（张力）和界面能。 气体和液体/熔体间的界面能主要体现在泡沫结构(bubble)和泡沫材料（Foam）研究中。 ^[2]

把对空间环境和空间存在的物质材料的利用作为目的之一。基于以上考虑，可以看到针对以下几种情形空间材料科学研究是必要的：

（1） 在重力的变化或存在与否对所关注的材料过程或过程实现的外部条件具有明显影响的情形下；

（2） 针对宇航业必需的材料（如防护，推进，润滑）和空间存在的物质；

（3） 寻求地面上没有的其它条件，比如极端高真空和强辐射时。

其中，第一种情形就是所谓的微重力材料科学(Microgravity Materials Science)研究。它是空间材料科学研究的主体部分，在一些文献中，微重力材料科学甚至和空间材料科学不刻意加以区分。 ^[3]

从材料生成机理看，空间材料可分为晶体生长和金属、复合材料制备两类；按材料的性能用途分，它又可分为包括半导体、超导、磁性和光纤等在内的功能性材料，包括合金、金属、泡沫多孔和复合材料等在内的结构材料，以及陶瓷、玻璃材料等几类。 ^[4]

空间材料科学是最早开展的空间科学研究领域。经过三十年的不懈努力， 空间材料科学研究到目前为止几乎涉及了所有方面的重要材料研究， 包括：

(1) 形核与亚稳态；

(2) 微结构的预测与控制；

(3) 界面与相分离问题；

(4) 输运问题；

(5) 晶体生长与缺陷控制，等等。

如果以‘与材料有关的’空间研究内容论， 按欧空局的数据，则包括凝聚现象、应用指向的熔化过程、沸腾/汽化过程、毛细现象、化学斑图的形成、燃烧、复合物、晶体生长中的对流与偏析现象、扩散、流体的动力学与稳定性、电磁学、 电泳、铁流体、流体物理、流体临界现象、泡沫、亚稳相与玻璃、颗粒物质、 界面现象、近临界点研究、火焰、金属合金、微结构与形貌稳定性、粒子凝聚和物理化学，等等。可以说，空间材料科学研究的广度已经得到了充分的体现。

空间材料科学研究是最先开展的 空间科学研究，取得了相当多的成果。 在前述的重要方向上有：在电磁悬浮炉中对金属玻璃热力学性质的系统研究，对大块金属玻璃的设计能提供指导性的知识；确立了对流对枝晶生长机理的影响；了解了液相烧结中颗粒压模形状的改变的原因，在此基础上地面工艺免除了研磨的步骤，具有相当的经济效益； 对Ostwald Ripening 机理的深入研究摈除了1960年代的旧理论；测定了许多种金属、半导体等材料在高温下的 扩散系数；对提拉法和浮区法晶体生长过程的深刻理解导致了对这两种方法生长的晶体质量的改进；获得了对流对固液界面稳定性的影响的深刻认识，等等。

在空间失重环境中，对流、沉积、浮力、静压力等现象都消失了，另外一些物理现象却显现出来。例如，液体的 表面张力使液体在不和其他物体接触时，紧紧抱成一团，在空中悬浮；液体和其他物体接触时，液体在物体表面能无限制地自由延展。太空毛细现象加剧了液体的浸润性，气体泡沫能均匀地分布在液体中，不同密度的液体可均匀混合。通过大量的研究实验，不仅清楚地认识了这些在微重力环境下产生的物理现象以及产生这些物理现象的机理，而且也进一步了解了地球重力环境限制材料加工的各种因素。利用这些在微重力环境下特殊的空间物理现象和过程，人类已试验了空间焊接、铸造、无容器悬浮冶炼等工艺，冶炼出高熔点金属，制造出了具有特殊性能的各种合金、半导体晶体、复合材料和光学玻璃等新材料。

40年来，已在各种航天器上进行了许多次空间材料实验，从而对空间晶体生长和空间材料加工过程中的特殊现象及其规律有了较深入的了解，并取得许多新的成果。

美国早在阿波罗号飞船上就开展过微重力条件下的材料科学实验。1973年发射升空的“天空实验室”空间站上，航天员进行了28项微重力研究实验，1975年在阿波罗号-联盟号联合飞行中又开展了13项微重力实验。自1981年航天飞机飞行以来，美国航天员利用空间微重力环境开展了晶体生长、特殊材料的工艺研究和生产，特别是把空间微重力实验室送入轨道进行材料加工，生产砷化镓晶体等材料。苏联于1969年在联盟号飞船上首次进行了金属焊接和切割试验，研究了微重力下的熔融金属性状，在礼炮号空间站上进行了微重力材料加工，拉出了重1.5千克的均匀单晶硅，制备了碲镉汞半导体材料、陶瓷和光学材料，还生产出球体伍德合金和铝镁、钼镓、铝钨、铜铟和锑铟等多种合金材料。在礼炮号空间站上共使用各类微重力实验设备175种，带回3500多千克的实验样品。在和平号空间站上专门有一个叫晶体号的工艺舱，航天员利用其上的专用设备制取了纯度极高的半导体材料，生产了直径为5厘米的砷化镓晶体。总之，利用空间微重力条件，人类已在难混合金、复合材料、 功能材料的制造实验和空间加工工艺方面，取得了很大发展。

中国利用自选研制、发射的返回式卫星，多次搭载空间晶体炉，进行空间材料加工实验，研究了解砷化镓单晶、碲镉汞晶体的生长， 超导材料的烧结，铝基碳化硅复合材料的制备，钯镍磷、锑化铟、锑化镓、铝铌合金的生长。

中国利用返回式卫星进行微重力条件下空间材料加工试验，主要包括单晶生长、超导材料和合金凝固等多项。例如，在地面混合并与石英管浸润的镉铟样品，经空间熔化后分离成两个成分分别为镉和铟的球体，并且与石英管都不浸润。通过空间进行铝锂、锌铅、铝铅、铝铌、铝锌铋等难混合金和偏晶合金凝固试验，发现空间的块状锌铅样品中实现了弥散相分布。在空间粉末液相烧结中也能够得到定向生长的晶体结构。所有这些实验成果表明，中国空间材料科学研究迈上了一个新的台阶。 ^[5]

我们看到，目前空间（材料）科学*

发展的 瓶颈体现在空间实验设备和实验机会上。材料科学的一个特点是多学科交叉进行，对设备和方法有着强烈的依赖，且设备具有极度多样性！空间材料科学所需要的仪器五花八门，不胜枚举。所有地面上用于材料科学研究（制备，检测，表征，物性测量，性能测试，等等）的仪器设备都可以是空间材料科学研究的必备仪器。然而，由于空间条件的限制，这包括重量、功率、体积、实验的无人操纵等方面的因素，当前材料科学的空间实验部分所涉及的仪器设备主要是固体材料熔化设备、溶液晶体生长设备、以及一些简单的观察和记录设备，像带一定温控功能的管式炉、电磁悬浮炉、溶液混合系统、观测溶液浓度分布的干涉仪和CCD相机，等等。显然，这些只能满足一些简单的空间材料制备和研究需求。材料研究主要还是以空间获得材料在地面上作对比研究。

空间材料科学领域的实验技术基于地面上的成熟研究，是有充分保障的。但是设备受空间资源的限制一直难以满足研究的需求。资源限制是空间材料科学短期内不可能改变的现实。因此，空间材料科学设备研究在试图将更多更复杂的设备送上空间的同时，设备的微型化，小功率化，信息自动化、模块化和系统平台化（提供普适型条件）是必要的趋势。目前一些重要的地面已有材料研究设备的小型化研究也非常重要。新的升空设备应该尽可能实时原位地进行实验过程操控和记录，并且允许加载电磁场等外场。发展专门的大型实验平台成为当前的趋势。空间实验平台可以搭载更复杂的实验仪器，可以有人操控对实验研究过程实时干预，进行参数调整，从而可以根本上改变目前空间材料科学进展缓慢的局面。 欧空局研制的用于有人照料空间实验的‘材料科学实验室’代表了空间材料科学实验模块的方向。

当前主要空间研究的材料对象包括：

（1） 新颖铸造合金；

（2） 金属泡沫材料

（3） 半导体晶体

（4） 高温陶瓷

（5） 轻质金属基材料

（6） 生物材料（包括涉及人类长时间空间旅行有关的生物过程；与生命探索有关的有机材料等）；

（7） 智能与自修复材料

（8） 空间探测事业需求的飞行器空间防护材料、润滑与推进材料。

（9） 颗粒物质

（10） 电子晶体与光子晶体材料

（11） 高分子材料，等等。

关注的材料中的核心问题则包括：

（1） 过冷液体的性质和其中的形核

（2） 固化过程中的微结构发育动力学；

（3） 多相体系的形貌演化；

（4） 计算材料科学

（5） 微重力下液态的热物理性质

（6） 物质内的参数耦合输运过程……

实际上，所有的材料和材料行为都是空间材料科学研究的对象。由于空间材料科学比较成熟，近年内战略考虑方面没有什么实质性的改动。但是， 基于空间材料科学研究的历史经验，美俄日欧在未来如何进行材料科学研究的指导思想上还是一致强调：

（1）空间材料科学研究必须立足于大量的充分的地面相关实验。除了支持飞行实验以外， 还支持大量的地基研究，包括任何支持，补充或者未来能够发展成飞行实验的研究项目。

（2）考虑到空间实验设备对空间科学研究进展的严重限制，以及空间环境下仪器构造及运行过程的特殊性，空间材料科学设备应由有专业化认识的队伍参与研制， 并由专门机构统管。

（3）空间探索是全人类的事业。同其它空间科学研究一样，空间材料研究领域内的全方位国际合作是重要的。 ^[6]

空间材料科学一个与其它空间学科不同的地方，即与空间材料科学研究相对应存在着材料科学这门学科， 且材料科学研究目前已经达到了令人吃惊的深度与广度。在材料学科领域内，想成为多方面的专家其难度已经超乎想象。人们在对空间材料科学研究的成果作评价时，会不可避免地拿相关的材料科学研究作为参照。

空间材料科学研究至今进行三十余年，尽管花费了许多努力，认识到了许多新现象，但研究结果的深度、自洽性同地面类似研究相比，非常初步，有时其结论显得匆忙，禁不起推敲。其原因有两方面：其一是受实验条件和资源限制，只能进行简单的实验，且重复的机会少，缺少对实验过程的全面的观察记录，缺少对实验过程的实时人为干预调节，等等；其二是对空间条件的特殊性认识不足。在空间进行的材料过程中，总有我们在地面上意想不到的事情或现象出现。而这恰恰是空间材料科学实验的必要性所在和迷人之处。同时应该看到，向外太空的扩展是人类心灵深处的愿望而且也许很快会成为一种必要，材料在空间环境中的研究与开发利用是其关键环节。初期的缓慢进展是必然的，其高代价也是必须的。

我国的空间材料科学研究从1987年利用返回式卫星进行GaAs晶体的空间熔炼生长开始，至今已经历十几年，也研究开发了多种材料空间实验装置，积累了一定的技术基础和研制经验，发展态势良好。主要的研究内容包括晶体生长炉的研制，溶液法晶体生长装置的研制，金属合金等多种材料凝固实验和扩散规律、结晶规律的研究，GaSb、GaAs、HgCdTe、 Ce:Bi12SiO20和α-LiIO3晶体的生长，等等。但由于资源限制，目前进行的还主要只是与固体熔化和溶液法晶体生长有关的研究。设备为多工位炉和溶液晶体生长设备。同美俄等空间大国相比， 我们在设备研究、实验次数、开展研究的范围和深度上都有较大的差距。其中，最明显的差距体现在所用的设备上，其自动化程度、适用性同美俄欧日相比都较差。这大大限制了我国空间材料科学研究进展的步伐。在未来的空间科学研究规划中， 空间实验设备应该加大投入，并且要充分认识到对相应的地面研究加大投入、维持高水平研究队伍的重要性。

光启未来要做空间的深度开发，用“空间+”来连接地面上的各种需求。根据飞行高度不同制作一些列的飞行设备，并在空间深度领域开发上进行系统规划。在低空领域，光启现在大力宣扬的就是马丁飞行喷射包。现有视频和文字资料显示，马丁飞行包是一个单人飞行装置，使用98号汽油作为燃料。最新一代模型可以飞行在150米的高空，最高飞行高度为914米，最大载重120公斤，飞行速度每小时可达74公里，飞行时间30分钟。飞行包可以垂直起降，也可以快速前进，目前可以用于紧急救援、休闲观光等领域。 ^[7]