2023年10月31日，中國空間站第五批空間科學材料類實驗樣品隨神舟十六號載人飛船返回艙返回地面，其中有包括鋁硅合金、鋯基合金在內(nèi)的5盒高溫材料實驗樣品包。自2022年10月31日高溫材料科學實驗柜隨夢天實驗艙發(fā)射成功后，在軌已完成多盒材料樣品的實驗，并有兩批次材料樣品下行。

為什么要在太空進行材料科學研究？

空間材料科學實驗設備又是怎樣實現(xiàn)

從“爐”到“柜”的進階的？

我們來一探究竟。

為什么在太空進行材料科學研究？

材料科學主要研究物質(zhì)結(jié)構(gòu)、屬性和加工過程之間的關(guān)系。在地面，這些關(guān)系受重力的強烈影響，我們很難對材料微觀現(xiàn)象獲得深入認識。而空間微重力和超高真空等環(huán)境可以為材料科學研究提供特殊的實驗環(huán)境，浮力對流、沉淀、流體靜力學壓力等因素的影響變得很弱或者消失，可以簡化對材料機理的研究。

因此，在空間微重力環(huán)境下開展高溫材料科學實驗研究對于認知材料物理與化學過程的本征規(guī)律、豐富和完善材料科學基礎理論、指導和推動地基材料的制備工藝和生產(chǎn)、改善材料性能以及促進地面相關(guān)材料產(chǎn)業(yè)的發(fā)展都具有重要意義。

空間材料科學實驗設備是如何進階的？

1987年8月，中國首次利用第九顆返回式衛(wèi)星搭載的空間多用途材料加工爐，在空間成功開展了半導體、金屬合金及亞穩(wěn)材料、復合材料、功能單晶等材料的制備實驗與性能研究工作。

此后，我國陸續(xù)成功研制了各種用途的空間材料科學實驗裝置，其中，3次作為神舟飛船的有效載荷，在天宮一號和天宮二號上搭載的材料實驗爐圓滿完成了一系列空間材料科學實驗任務，取得一批重要的研究成果。

按照國內(nèi)空間材料科學實驗設備搭載航天器平臺的發(fā)展歷程，可以概括為搭載返回式衛(wèi)星和“神舟”系列飛船的單批次材料實驗爐、搭載空間實驗室的多批次可人工換樣操作的綜合材料實驗爐和空間站長期在軌的高溫材料科學實驗柜3個階段。

下面，一起來看看我國各階段

具有代表性的空間材料實驗設備吧

01?單批次材料實驗爐?

神舟二號和神舟三號飛船上搭載了采用閉環(huán)控制多樣品的多工位晶體生長爐。多工位晶體生長爐采用多樣品設計，在一次飛行試驗中可以進行6種以上材料的空間實驗，最高加熱溫度950℃，爐體外殼溫度≤40℃，采用了高效節(jié)能、精密控制、樣品置換等專利技術(shù)和創(chuàng)新設計，具有體積小、重量輕、功耗低、多樣品和高可靠性等航天產(chǎn)品的技術(shù)特點。

02?多批次可人工換樣的綜合材料實驗爐

2016年9月至12月，在天宮二號空間實驗室中搭載的綜合材料實驗爐在軌成功完成了3批次18支材料樣品的在軌科學實驗。航天員通過開、合蓋操作首次在軌參與了材料科學實驗制備和多批次樣品的管理和更換。

綜合材料實驗裝置主要由材料實驗爐和材料電控箱組成，樣品工位數(shù)6個，工作溫度最高可達950℃。該裝置最大的特點在于利用最小空間設計了最多樣品實驗，設備密封性能良好。通過高溫爐熱防護技術(shù)，設備外殼溫度不超過45℃，保證了航天員在軌操作的安全。

03?空間站高溫材料科學實驗柜?

2022年10月，中國空間站高溫材料科學實驗柜搭載空間站夢天實驗艙發(fā)射升空，主要用于開展微重力環(huán)境下高溫材料科學實驗研究，由于其加熱爐最高溫度可達1600℃，科研人員也親切的將其稱為“太空煉丹爐”。

通過充分利用中國空間站提供的艙內(nèi)空間環(huán)境資源，以及航天員在軌操作、維護、更換能力，科研人員成功研發(fā)可滿足未來有人參與和可長期在軌運行的、新一代具有先進性和綜合性的多功能高溫材料科學實驗柜，形成既適應當下需求，又兼顧未來擴展的專用實驗柜，滿足未來10年以上科學實驗需求。空間站高溫材料科學實驗柜將提供更廣泛的制備材料體系范圍、更多的主動控制技術(shù)手段、更豐富的在線反饋信息以及更加符合材料實驗需求的熱加工條件。

高溫材料科學實驗柜由柜體和科學實驗系統(tǒng)兩部分組成。高溫材料科學實驗系統(tǒng)安裝在柜體上，主要包括高溫爐模塊、批量樣品管理模塊、X射線投射成像模塊、控制模塊等子系統(tǒng)。高溫材料科學實驗柜具有高溫材料制備實驗功能、X射線透射成像功能和對材料實驗過程的實時觀察功能。

高溫材料科學實驗柜通過模塊化設計，可依據(jù)功能需求在軌進行模塊化更換。航天員通過開啟批量樣品管理模塊密封門進行批量換樣操作，單批次放置樣品盒數(shù)量16個，加熱爐設計最高溫度1600℃，3個加熱區(qū)，具有等溫、梯度或區(qū)熔溫場模式。同時，高溫材料科學實驗柜具有水冷和附加旋轉(zhuǎn)磁場功能，可實現(xiàn)樣品較快速度主動冷卻和對熔體流動的主動控制。

高溫材料科學實驗柜為空間材料科學研究提供了多樣化的先進技術(shù)條件和功能，豐富了材料科學家在太空中進行高溫金屬及合金材料、半導體材料、晶體材料、復合材料、能源材料、生物材料、納米材料和新材料研究，對研究微重力下材料科學基礎科學問題，解決我國發(fā)展高端裝備、大科學工程、高端芯片急需的“卡脖子”材料中的關(guān)鍵科學問題和技術(shù)有重要的幫助，為研發(fā)顛覆性的材料制備技術(shù)和特殊應用背景材料的研究提供了堅實的基礎。

高溫材料科學實驗柜綜合能力較中國以往的空間材料實驗設備有顯著的提升，具有明顯的技術(shù)先進性，主要技術(shù)指標已經(jīng)達到或者優(yōu)于國外水平。此外，包含X射線投射成像和光學實時觀察的在軌實時觀察實驗系統(tǒng)，將極大提升材料實驗過程的在軌實時檢測能力。同時，高溫材料科學實驗柜在標準化、模塊化和控制自動化方面可以進一步優(yōu)化，建立可長期在軌進行綜合化、集成化的空間材料實驗平臺。

空間材料科學實驗設備作為關(guān)系到空間科學實驗成敗和研究內(nèi)容的深度和廣度的實驗平臺，其作用至關(guān)重要，在后期也將長期在軌應用。

經(jīng)過多年研究，空間材料科學實驗設備已從最初功能簡單、結(jié)構(gòu)單一的模式，逐漸趨向于發(fā)展成為集材料制備、處理、實時觀察、測試和在線分析等功能于一體的綜合實驗系統(tǒng)。

后續(xù)，我們將為您介紹科研團隊對高溫材料實驗樣品取得的最新研究成果。

（來源：中國的航天、中國載人航天工程辦公室）