在太空微重力环境下，将悬浮固定在无容器柜中的样品先加热熔化，再冷却凝固，我们能够获得纯度高且均匀的材料。通过控制样品的熔化和冷凝速度等变量，我们记录下实验过程中产生的大量数据，这些数据将为在地面制造出质量更高的材料以及探索新材料提供指导。

无容器材料实验柜

 

两年以来，无容器材料实验柜中已开展多项关键研究项目，目前正在进行的项目包括偏晶合金壳/核型结构及弥散型组织形成机理研究、空间站静电悬浮复相合金相选择与无容器制备研究、Pd基/Fe基非晶合金深过冷条件下的凝固行为研究等等，这些研究成果未来将会在许多领域发挥重要作用。

 

以偏晶合金壳/核型结构及弥散型组织形成机理研究项目为例，研究对象偏晶合金是难混溶合金，在常规的凝固条件下，极易形成相偏析严重乃至两相分层的凝固组织。当这种合金凝固形成弥散或者核/壳与层状结构时，便具有独特的物理与力学性能，在航空、汽车、电气与国防等工业领域具有广阔应用前景。

壳/核型样品熔化

 

近年来，偏晶合金凝固理论及凝固组织控制研究受到了材料科学领域的高度重视，人们在空间和地面上开展了大量实验，尝试了用电场、磁场、微合金化等方法控制偏晶合金凝固组织的可行性，并结合实验开展了深入的建模与模拟研究。

较低冷速形成相壳合金

 

通过观察偏晶合金在无容器柜中的实验过程，我们可以看到，以较低冷却速度凝固的样品，呈现出独特的壳-核结构，材料表面呈现出一层白色的壳，而内部分布着粗大的白色颗粒。

较高冷速形成弥散型结构

 

随着冷却速度的提高，表面壳的厚度也在逐渐变薄、趋于消失，内部颗粒显著细化，形成了两种成分均匀弥散分布的复合材料。

中国科学院金属研究所赵九洲研究员研究团队研究表明，在空间环境下，重力导致的相的浮动与熔体对流不复存在，合金凝固过程主要由元素扩散和相间界面能控制。这也证明，空间站为材料凝固研究提供了理想的条件。

 

 

再比如，空间站静电悬浮复相合金相选择与无容器制备研究。其中，极具代表性的是NbSi合金（铌硅合金）。Nb-Si合金的熔点在2000K以上，是极具战略价值的难熔合金，也是新一代航发的关键材料。目前，西北工业大学王海鹏教授研究团队开展的空间无容器实验，完成首次新一代航发叶片高温难熔合金空间悬浮熔化和凝固实验，得到了不同过冷度凝固实验样品，科学家正在对这些样品展开分析研究。

NbSi合金在无容器柜中的实验过程

 

 

此外，参与无容器实验的还有一类关键的合金材料，叫做非晶合金。由于超急冷凝固，合金凝固时原子来不及有序排列结晶，得到的固态合金是长程无序结构，没有晶态合金的晶粒、晶界存在，因此称之为非晶合金，被称为是冶金材料学的一项革命。

无容器柜中Pd基样品熔化

 

这种非晶合金具有许多独特的性能，比如优异的磁性、耐蚀性、耐磨性，高的强度、硬度和韧性，高的电阻率和机电耦合性能等。由于它的性能优异、工艺简单，从80年代开始成为国内外材料科学界的研究开发重点。

Pd基样品熔化前后

 

例如，利用非晶合金制作铁芯而成的变压器，它比硅钢片作铁芯变压器的空载损耗下降约80%，可以起到很好的降低电耗的作用，特别适用于农村电网和发展中地区等负载率较低的地方。非晶合金变压器既节能又便宜，未来发展前景非常可观。但目前还存在抗短路性能差、噪声大等问题，若太空中对非晶合金的研究项目取得突破，能够促成相关产品质的飞跃。

清华大学姚可夫教授研究团队成功完成了Pd基非晶合金在轨凝固实验，探索了Pd基合金热物性参数测量，正在开展样品组织结构分析等研究。

目前，无容器材料实验柜已下行三批实验样品，科学家正在开展研究。不久后，第四批实验样品也将随神舟十五号飞船返回舱下行至地面，届时或将产生更多丰硕的研究成果。

 

 

素材支持/中国科学院空间应用工程与技术中心

文/张立宪、吴馥桐