作者：張立憲   吳馥桐

在中國空間站天和核心艙在軌運(yùn)行滿兩周年之際,，一起來了解艙內(nèi)無容器材料實(shí)驗(yàn)柜中正在進(jìn)行的主要實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，看看科學(xué)家們正在開展哪些研究,。

在太空微重力環(huán)境下,，將懸浮固定在無容器柜中的樣品先加熱熔化，再冷卻凝固,，我們能夠獲得純度高且均勻的材料,。通過控制樣品的熔化和冷凝速度等變量，我們記錄下實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù),，這些數(shù)據(jù)將為在地面制造出質(zhì)量更高的材料以及探索新材料提供指導(dǎo),。

無容器材料實(shí)驗(yàn)柜

兩年以來，無容器材料實(shí)驗(yàn)柜中已開展多項(xiàng)關(guān)鍵研究項(xiàng)目,，目前正在進(jìn)行的項(xiàng)目包括偏晶合金殼/核型結(jié)構(gòu)及彌散型組織形成機(jī)理研究,、空間站靜電懸浮復(fù)相合金相選擇與無容器制備研究、Pd基/Fe基非晶合金深過冷條件下的凝固行為研究等等,，這些研究成果未來將會在許多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用,。

偏晶合金

以偏晶合金殼/核型結(jié)構(gòu)及彌散型組織形成機(jī)理研究項(xiàng)目為例，研究對象偏晶合金是難混熔合金,，在常規(guī)的凝固條件下,，極易形成相偏析嚴(yán)重乃至兩相分層的凝固組織,。當(dāng)這種合金凝固形成彌散或者核/殼與層狀結(jié)構(gòu)時(shí)，便具有獨(dú)特的物理與力學(xué)性能,，在航空,、汽車、電氣與國防等工業(yè)領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景,。

殼/核型樣品熔化

近年來,，偏晶合金凝固理論及凝固組織控制研究受到了材料科學(xué)領(lǐng)域的高度重視，人們在空間和地面上開展了大量實(shí)驗(yàn),，嘗試了用電場,、磁場、微合金化等方法控制偏晶合金凝固組織的可行性,，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)開展了深入的建模與模擬研究,。

較低冷速形成相殼合金

通過觀察偏晶合金在無容器柜中的實(shí)驗(yàn)過程，我們可以看到,，以較低冷卻速度凝固的樣品,，呈現(xiàn)出獨(dú)特的殼-核結(jié)構(gòu)，材料表面呈現(xiàn)出一層白色的殼,，而內(nèi)部分布著粗大的白色顆粒,。

較高冷速形成彌散型結(jié)構(gòu)

隨著冷卻速度的提高，表面殼的厚度也在逐漸變薄,、趨于消失,，內(nèi)部顆粒顯著細(xì)化，形成了兩種成分均勻彌散分布的復(fù)合材料,。

中科院金屬研究所趙九洲研究員研究團(tuán)隊(duì)研究表明,，在空間環(huán)境下，重力導(dǎo)致的相的浮動(dòng)與熔體對流不復(fù)存在,，合金凝固過程主要由元素?cái)U(kuò)散和相間界面能控制,。這也證明，空間站為材料凝固研究提供了理想的條件,。

復(fù)相合金

再比如,，空間站靜電懸浮復(fù)相合金相選擇與無容器制備研究。其中,，極具代表性的是鈮硅合金（Nb-Si合金）,。鈮硅合金的熔點(diǎn)在2000K以上，是極具戰(zhàn)略價(jià)值的難熔合金,，也是新一代航發(fā)的關(guān)鍵材料,。目前，西北工業(yè)大學(xué)王海鵬教授研究團(tuán)隊(duì)開展的空間無容器實(shí)驗(yàn)，完成首次新一代航發(fā)葉片高溫難熔合金空間懸浮熔化和凝固實(shí)驗(yàn),，得到了不同過冷凝固實(shí)驗(yàn)樣品,，科學(xué)家正在對這些樣品展開分析研究。

Nb-Si合金在無容器柜中的實(shí)驗(yàn)過程

非晶合金

此外,，參與無容器實(shí)驗(yàn)的還有一類關(guān)鍵的合金材料,，叫作非晶合金。由于超急冷凝固,，合金凝固時(shí)原子來不及有序排列結(jié)晶,，得到的固態(tài)合金是長程無序結(jié)構(gòu)，沒有晶態(tài)合金的晶粒,、晶界存在,，因此稱之為非晶合金，被稱為是冶金材料學(xué)的一項(xiàng)革命,。

無容器柜中Pd基樣品熔化

這種非晶合金具有許多獨(dú)特的性能,，比如優(yōu)異的磁性、耐蝕性,、耐磨性,，高的強(qiáng)度、硬度和韌性,，高的電阻率和機(jī)電耦合性能等,。由于它的性能優(yōu)異、工藝簡單,，從80年代開始成為國內(nèi)外材料科學(xué)界的研究開發(fā)重點(diǎn)。

Pd基樣品熔化前后

例如,，利用非晶合金制作鐵芯而成的變壓器,，它比硅鋼片作鐵芯變壓器的空載損耗下降約80%，可以起到降低電耗的作用,，特別適用于農(nóng)村電網(wǎng)和發(fā)展中地區(qū)等負(fù)載率較低的地方,。非晶合金變壓器既節(jié)能又便宜，未來發(fā)展前景非?？捎^,。但目前還存在抗短路性能差、噪聲大等問題,，若太空中對非晶合金的研究項(xiàng)目取得突破,，能夠促成相關(guān)產(chǎn)品質(zhì)的飛躍。

清華大學(xué)姚可夫教授研究團(tuán)隊(duì)成功完成了Pd基非晶合金在軌凝固實(shí)驗(yàn),，探索了Pd基合金熱物性參數(shù)測量,，正在開展樣品組織結(jié)構(gòu)分析等研究。

目前，無容器材料實(shí)驗(yàn)柜已下行四批實(shí)驗(yàn)樣品,，科學(xué)家正在開展研究,，屆時(shí)或?qū)a(chǎn)生更多豐碩的研究成果。

從天和核心艙發(fā)射入軌,，到中國空間站全面建成,，不到兩年時(shí)間，工程已從空間站關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證階段全面轉(zhuǎn)入空間站應(yīng)用與發(fā)展階段,。中國空間站將持續(xù)開展大規(guī)模的空間科學(xué)實(shí)驗(yàn),，在不久的將來，航天員乘組中也將出現(xiàn)載荷專家的身影,，相信未來一定會取得更多更好的科研成果,。空間科學(xué)的春天已經(jīng)到來,，讓大家一起拭目以待吧,！

（素材支持：中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心）