淺析我國空間材料加工試驗的發展

【摘要】作為人類事業最有價值的探索領域之一，空間材料加工試驗研究在過去幾十年的發展過程中，取得了十分顯著的成就。空間材料科學研究也會隨著試驗機會的增加，在未來取得更多的突破。本文將就我國空間材料加工試驗的進展情況做概括介紹。

【關鍵詞】空間材料；加工試驗；微重力條件；發展

0.前言

空間材料科學試驗，也稱材料加工，其目的是在空間微重力環境下，為改善與指導地面材料生產提供出科學依據，了解重力對材料加工過程以及材料性能的影響，并且制取出有特殊性能的、地面沒有辦法制取的材料。

隨著航空航天技術以極快的速度發展，一系列新的科學領域與空間資源不斷開拓，為空間材料試驗的發展開辟了新的前景。目前，空間材料科學已研究出的新材料產品具有廣闊的發展前景，空間材料加工是空間工業中最具潛力的新技術領域之一，也將是新型工業中一個有著經濟和技術效益的領域。作為人類最有意義的探索領域之一，空間材料加工試驗研究在過去幾十年的發展過程中，取得了十分顯著的成就。空間材料科學研究也會隨著從研究中積累的經驗與教訓越來越多，以及試驗機會的增加，在未來取得更多的突破。本文將就我國空間材料加工試驗的進展情況做概括介紹。

1.我國空間材料科學研究現狀

中國的空間材料科學試驗研究從1987年開始，利用返回式衛星進行微重力條件下的空間材料加工試驗，研究了GaAs晶體空間熔煉生長。后多次利用我國自主研制的返回式衛星，搭載空間晶體爐，進行空間材料加工試驗。研究開發出來很多空間材料的試驗裝置，為以后良好的發展積累了許多寶貴的研制經驗。主要研究了解砷化鎵單晶、碲鎘汞晶體、銻化鎵、銻化銦、鋁鈮合金、鈀鎳磷的生長，燒結超導材料，制備鋁基碳化硅復合材料等。如，與在地面混合再與石英管浸潤的鎘銦樣品，通過空間熔化后分離成兩種成分，它們分別是鎘與銦的球體，而且和石英管都不用浸潤。經過空間對鋁鋰、鋅鉛、鋁鉛、鋁鈮、鋁鋅鉍等難混合金與偏晶合金進行凝固試驗，發現塊狀鋅鉛樣品在空間中實現了彌散相分布。經過這些實驗成果表明，中國的空間材料科學研究正穩步向前，不斷邁進。

但是到目前為止，因為缺乏資源，我國的設備大部分還是溶液晶體和多工位爐的生長設備，主要進行的還是與溶液法晶體和固體熔化的生長相關的試驗研究。在實驗次數、設備的研究、以及開展研究的范圍和深度上，我國與美國、俄國等空間大國之間還落后較大的一段差距。差距最明顯的體現在我們所用的設備的適用性以及自動化程度上，這減緩了我國空間材料的科學研究向前邁進的步伐。

2.我國空間微重力下的材料加工試驗

中國利用返回式衛星進行的第一次空間微重力下的材料加工試驗是在1987年8月5日至10日，這是一次取得卓越成就的在空間微重力條件下的材料加工試驗。這次試驗一共有12個項目，其中包括砷化稼單晶的生長達到了國際先進的水平，世界第一次的Y-Ba-Cu高溫超導材料試驗，還有HgCdTe紅外材料，Insb半導體材料和難混合金等也都取得地面上不能得到的結果。此次試臉的多用途加工爐吸收國外空間加工技術特點，構思巧妙、效果明顯，開辟了空間搭載的新道路。這次試驗也標志我國進入了開發、利用空間的微重力資源條件的新階段。

微重力條件下的材料科學研究試驗在國外是從60年代末到70年代初這段時間才發展起來的高新技術，美國、蘇聯、歐空局等幾個發展較快的國家和組織也只是處于研究與探索的階段。我國微重力條件下的科學加工試驗開始于生物，然后用落塔進行流體力學方面的研究，材料科學方面的試驗在1987年還是第一次。首次的試驗結果出乎了人們的意料，一些項目甚至達到了世界先進的水平，如半導體所的空間砷化嫁單晶生長等，發展了空間微重力條件下的加工技術。這些成績與各個方面的齊心協力、共同攻克難關是分不開的。

2.1空間晶體加工爐物理設計

砷化稼晶體空間加工具有很大難度。衛星總體的要求是，加工爐的平均功率是170W，而爐殼的溫度為40℃，重量為11.5kg，工作時間是90min，晶體的生長速度為1-1.5cnl/h，冷卻的速度為0.2-0.3℃/min，熔區長為3～4cm，砷化嫁晶體的生長要求熔化區溫度是1250℃，在地面上完成這樣的條件是十分困難的。我國研究解決了以下幾方面的問題以完成這個首次的空間試驗任務：（1）晶體生長方式的確定；（2）晶體加工爐多用途的開發；（3）爐體的熱控方法。

2.2空間晶體加工爐技術保障

順利完成空間搭載任務，要求要有全面的質量技術保障。其中包括：（1）加熱技術保障；（2）熱控技術保障；（3）減震和防震技術保障；（4）整星相容性和可靠性技術保障；（5）地面模擬和技術試驗保障；（6）嚴格質量管理保障。克服各種技術障礙與技術難關，對于能夠保證質量地按時完成任務是十分重要的。

3.搭載空間材料試驗結果

3.1微重力下的晶體生長

經初步分析，空間首次搭載的三個晶體生長試樣（砷化嫁、碲鎘汞晶體和銻化錮）都生長出了所希望的單晶體。說明這次試驗是成功的。

3.2微重力下的難混，偏晶合金加工

在空間制造出秘-嫁、鋁-妮、鋁-鉛、鋅-鉛、鋁-銼等地面上難以混和的偏晶合金，合金重熔預想的目的已經達到了，多數合金都形成了均勻混合的彌散合金。但是，因為存在溫度梯度，爐內有Marallgoni對流的現象。

3.3微重力下高溫超導熱處理試驗

測試與分析的結果表明： 地面熱處理和空間熱處理的對比樣品，無論在形貌上還是在成份比例上均有較大的差異，空間樣品晶粒較均勻。這還是世界上首次進行該項試驗。

3.4微霞力下液/固，液/液界面研究

空間試驗發現錮的反常潤濕行為，錮在空間不浸潤，在地面則是和石英管浸潤的。據國外統計，空間試驗的失敗項目通常占總項目的25%。但據初步分析，我國首次試驗項目的成功率就達到了90%，這表明我國在空間微重力下的材料加工試驗取得了鼓舞人心的成績。

4.我國空間材料加工試驗的發展展望

對于材料制備，空間環境的作用十分重大。尤其是對于必須經過凝固和熔化才能夠制出的半導體材料、金屬、合金等，在空間環境可以制出地面不可能制造出來的新材料。因此，空間材料加工這個新的技術領域的廣闊前景不可估量。空間材料科學研究也是一項投入量大、持續時間長的研究領域，它對空間研究設備以及空間的投送能力的制造水平十分依賴，反過來，它對空間探索的促進與保障作用也是十分巨大的。

雖然我國空間材料加工的研究起步較晚，但是，已經在難混偏晶合金、潤濕行為與晶體生長等研究方面取得了較多成果，而且今后空間材料加工將著重于新型材料與有關物理現象的基礎研究。在今后，我國的空間科學研究要充分認識到對相應的地面研究加大投入、維持高水平研究隊伍的重要性，并且應該加大對空間實驗設備的投入。隨著我國經濟的持續發展，我國的空間探索的地位將越來越重要，我國的空間飛行器技術也會不斷取得重大突破。在未來一段時間內，無論從認識材料還是開發新型材料、促進國民經濟和航天事業這些方面來說，空間材料科學研究對于我國都將是不可或缺的。

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