空間材料科學

從材料生成機理看，空間材料可分為晶體生長和金屬、複合材料製備兩類；按材料的性能用途分，它又可分為包括半導體、超導、磁性和光纖等在內的功能性材料，包括合金、金屬、泡沫多孔和複合材料等在內的結構材料，以及陶瓷、玻璃材料等幾類。

在航天器上利用空間微重力條件進行材料科學研究和實驗，已取得了很大進展。在空間失重環境中，對流、沉積、浮力、靜壓力等現象都消失了，另外一些物理現象卻顯現出來。例如，液體的表面張力使液體在不和其他物體接觸時，緊緊抱成一團，在空中懸浮；液體和其他物體接觸時，液體在物體表面能無限制地自由延展。太空毛細現象加劇了液體的浸潤性，氣體泡沫能均勻地分佈在液體中，不同密度的液體可均勻混合。通過大量的研究實驗，不僅清楚地認識了這些在微重力環境下產生的物理現象以及產生這些物理現象的機理，而且也進一步了解了地球重力環境限制材料加工的各種因素。利用這些在微重力環境下特殊的空間物理現象和過程，人類已試驗了空間焊接、鑄造、無容器懸浮冶鍊等工藝，冶鍊出高熔點金屬，製造出了具有特殊性能的各種合金、半導體晶體、複合材料和光學玻璃等新材料。

40年來，已在各種航天器上進行了許多次空間材料實驗，從而對空間晶體生長和空間材料加工過程中的特殊現象及其規律有了較深入的了解，並取得許多新的成果。

美國早在阿波羅號飛船上就開展過微重力條件下的材料科學實驗。1973年發射升空的“天空實驗室”空間站上，航天員進行了28項微重力研究實驗，1975年在阿波羅號-聯盟號聯合飛行中又開展了13項微重力實驗。自1981年太空梭飛行以來，美國航天員利用空間微重力環境開展了晶體生長、特殊材料的工藝研究和生產，特別是把空間微重力實驗室送入軌道進行材料加工，生產砷化鎵晶體等材料。蘇聯於1969年在聯盟號飛船上首次進行了金屬焊接和切割試驗，研究了微重力下的熔融金屬性狀，在禮炮號空間站上進行了微重力材料加工，拉出了重1.5千克的均勻單晶硅，製備了碲鎘汞半導體材料、陶瓷和光學材料，還生產出球體伍德合金和鋁鎂、鉬鎵、鋁鎢、銅銦和銻銦等多種合金材料。在禮炮號空間站上共使用各類微重力實驗設備175種，帶回3500多千克的實驗樣品。在和平號空間站上專門有一個叫晶體號的工藝艙，航天員利用其上的專用設備製取了純度極高的半導體材料，生產了直徑為5厘米的砷化鎵晶體。總之，利用空間微重力條件，人類已在難混合金、複合材料、功能材料的製造實驗和空間加工工藝方面，取得了很大發展。

中國利用自選研製、發射的返回式衛星，多次搭載空間晶體爐，進行空間材料加工實驗，研究了解砷化鎵單晶、碲鎘汞晶體的生長，超導材料的燒結，鋁基碳化硅複合材料的製備，鈀鎳磷、銻化銦、銻化鎵、鋁鈮合金的生長。

中國利用返回式衛星進行微重力條件下空間材料加工試驗，主要包括單晶生長、超導材料和合金凝固等多項。例如，在地面混合併與石英管浸潤的鎘銦樣品，經空間熔化後分離成兩個成分分別為鎘和銦的球體，並且與石英管都不浸潤。通過空間進行鋁鋰、鋅鉛、鋁鉛、鋁鈮、鋁鋅鉍等難混合金和偏晶合金凝固試驗，發現空間的塊狀鋅鉛樣品中實現了彌散相分佈。在空間粉末液相燒結中也能夠得到定向生長的晶體結構。所有這些實驗成果表明，中國空間材料科學研究邁上了一個新的台階。