空间材料科学

研究高真空、超洁净、微重力空间环境条件下材料加工过程的物理规律、材料加工生产及工艺的科学

空间材料科学系研究空间环境条件下材料加工、生产工艺过程的物理规律，从而获得性能全新的材料。

分类

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。

滚珠轴承

在空间环境中处于失重状态下的熔化金属的表面张力很大，自动收缩成理想的球形，其精度超过精密研磨。如果用打气枪将一定量的惰性气体注入熔滴的中心，熔滴就会像吹肥皂泡一样被吹胀，而形成空心滚珠。当空心球冷凝后，还可以在其表面涂上一两层更硬的金属。这种多层空心滚珠的强度和耐磨性大大超过实心滚珠，使用寿命可以延长5—8倍。大型空心球还可以用做高压容器，其性能远远超过焊接的容器。

泡沫金属

将混有气体的熔化金属迅速移入真空室中，或者将压力很高的气体直接通入熔化的金属液中，再移入真空室，由于气压突然降低，金属液立即沸腾，使生成的小气泡均匀地分布在金属中，这样就产生了泡沫金属。高真空度的空间环境是生产泡沫金属的理想场所。空间失重条件下生产的泡沫钢块，体积中88%是气体，它可以像木材一样漂浮在水面上，这种材料不仅质地轻，而且具有很高的抗压性。根据同样的原理还可以生产质地更轻的泡沫铝和泡沫钛。

薄膜和细纤维

在地面生产金属和非金属薄膜和细丝是比较困难的，其原因是重力会导致薄膜和细丝从中部断裂。在太空生产薄膜和细丝的工艺非常简便，只要把金属熔液通入一个框架中，然后扩大框架就可以拉伸出极薄的金属膜来。如果从一端连续供给熔液，另一端用卷筒卷取，就可以不断产生出长条薄膜来。

特殊铸件

利用微重力和高真空的空间环境，可以制造出性能优异的铸件。让密度不同的元素均匀地熔化在一起，可以消除材料偏析和疏松的弊病。在地面制造高级磨具时，需要把金刚石镶嵌在镍基座上，而熔化的镍与金刚石的附着性较差。空间技术可以克服这一工艺困难，在空间中将一种铜-银-钛合金熔化后，可以紧紧地吸附金刚石颗粒。

利用空间技术还可以生产出纯度极高、性能优异的特殊材料。例如纯度达到99．9999%的纯铁不受酸腐蚀、不生锈、在零下200℃的低温环境仍然保持柔软。又比如，在空间环境中可以生产出纯度极高的金属钨，这种金属钨柔软得可以锻造。在地面上生产这些高纯度材料需要一大笔投资用于高真空设备，而在空间环境中则不需要这项投资。

发展历程

20世纪70年代以来，随着航天事业的发展，开辟了在空间制备和研究材料的新天地，一门全新的空间材料科学应运而生的。

在航天器上利用空间微重力条件进行材料科学研究和实验，已取得了很大进展。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。

2023年5月10日晚，天舟六号货运飞船上行了98件科学实验产品，在空间材料科学领域，梦天实验舱高温材料科学实验柜将开展单晶高温合金的空间生长、氧化物功能晶体生长的界面稳定性与熔体导热性研究、凝固过程中的组分分凝与均匀性研究、钯基/铁基非晶合金深过冷条件下的凝固行为研究等4项科学实验。

2024年7月2日消息，自北京时间2024年5月28日圆满完成首次出舱活动以来，承担的空间材料科学等领域实（试）验项目扎实稳步推进。

2024年11月4日，中国空间站第七批空间科学实验样品随神舟十八号飞船顺利返回。本次下行科学实验样品共55种，涉及空间材料科学等领域28项科学实验项目，总重量约34.6公斤。

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