为什么要进行空间材料科学研究？

为什么要进行空间材料科学研究？

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。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。      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。在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人轨道进行材料加工，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，还生产出球状伍德合金和铝镁、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。     中国利用自行研制、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实验，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实验，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。