空间材料科学----迷人的太空工厂 (发表于9年前)

sleeped · 时间: *2014-12-10 02:22*

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。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。

迷人的太空工厂

　　现代科学技术的发展，使人类的生产领域进一步扩大到太空。无论是在“太空站”还是在宇宙飞船，人们都可以充分利用太空中的特异条件，生产在地球上无法获得的新型产品。目前，这样的工厂已经涉及到制药、冶金、电子和机械制造等领域，而且正在向更为广阔的方向发展

　　宇宙冶金

　　对金属进行熔炼，大约已有几千年的历史了。然而，随着航天技术的发展，在太空进行金属冶炼，那可以称得上是一件既新鲜又顺理成章的事。

　　空间冶炼也叫宇宙冶金，是在航天飞行器中特定的超高真空和失重的太空环境中对金属进行冶炼，以获得具有新奇特性的金属合金。一般熔炼金属都要在熔炼炉中经燃料加热进行，而宇宙冶金则不同。它只用几只电磁线圈和一套特别的装置，就可以完成冶炼。被熔炼的材料悬浮在空中，电磁线圈通电之后，便会使被熔炼的金属材料因电磁感应而产生涡流，温度逐渐升高，以至发热熔化。

　　由于宇宙空间可以提供不同于地面重力环境的超真空环境和微重力环境，许多金属材料在这种特殊的空间环境里会发生奇妙的变化，从而生成在地球上无法得到的新型材料。像高透明度的磁性化学玻璃、高纯度的光通信纤维、高质量的巨型单晶、理想圆度的滚珠轴承，以及高温涡轮叶片和各种特殊的合金等等。美国在一次航天飞机太空材料实验中，宇航员将１０克重的钨放到一个真空室的底座上，慢慢升高到预定的磁场内，然后，底座下降，而钨则在失重状态下并不能随之下降，而是停留在磁场内。于是，悬浮式的熔炼便开始了。人们用激光或电子束射向钨块，使钨加热升温直到熔化。这时，圆柱型的钨块渐渐变成了一个液体小球。当激光或电子束照射停止后，钨自行冷却并形成了球型单晶钨。这种球状物质外形非常圆，而且纯度相当高，是一种新型的超纯材料。

　　经过人们的不断努力，在太空中进行金属冶炼，还可以开发出许多新的材料。例如，熔炼铝钨合金，多年来始终没有能够取得成功。其原因就因为它们是两种不同性质的金属材料，很难进行化合。铝是轻金属，熔点仅有６６０℃，沸点也只有２４６７℃；钨是重金属，熔点高达３４１０℃，是地球上极难熔化的金属之一。若要把铝和钨放在一起熔炼，钨还呈现固体形态时，铝就早已气化了。即使把它们分别熔化后再放在一起，也不能均匀地融合在一起，而是呈现不同的层次。所以，在地球环境下制取铝钨合金，在当今的技术条件下，还是难以实现的。如果改变一下环境，把这两种金属转移到空间进行冶炼，铝和钨便会失去比重的意义，固体钨块在铝溶液中均匀融解。熔化的金属经过冷却后，便得到带有孔隙的海绵状的铝钨合金，从而解决了人们期望的珍贵金属材料。

　　日本的一个科研小组，根据质量轻的铝液相和质量重的铅—铋合金液相之间容易分离，在地面上难以制成合金的状况，将工作地点转移到美国发射的航天飞机上，利用连续加压型电炉，在１３００℃条件下进行３０分钟的加热处理，然后进行气体冷却，终于制成了铝—铅—铋合金超导材料。用这种超导材料加工成的０．５毫米的线材，在达到绝对零度时，线材上的电阻为零，从而成为一种新型的超导体。奇妙的“声音工厂”最近，美国的几位科学家计划在明年发射的美国航天飞机上，建一个“声音工厂”，通过用声音来塑造物体的形状，制取和生产各种零部件和仪器。这几位科学家认为，将某种物质融化，然后使其在失重状态下冷却，再利用声音就可以把它塑造成一定的形状。这种方法不需要用手来捏或用机器来加工，只要你控制好声音的变化就可以了。

　　１９９７年４月，研究人员第一次在航天飞机上用隔音盒子进行实验。当航天飞机进行几秒钟的自由滑行时，盒子里的聚苯乙烯小球竟立了起来，形成了一道墙。后来，研究人员又先后在太空进行了７次实验。其中一次，他们将聚苯乙烯泡沫、做糕饼的材料及其他一些物质的碎屑混合在一起放入盒中，结果发现，比起单一物质，不同物质的混合物更容易聚合在一起。由此，科学家得出结论，如果使用大小合适的盒子和频率合适的声波，就可以把物质制造出各种各样的形状。

　　为什么声音能改变物体的形状呢？其实，原理也很简单。在密封的房间里，声波从前方的墙壁传到后墙，然后再反射回来，与新的声波重叠，如果房间的长度正好与声音的波长一致，发出的声波与反射回来的声波就会结合在一起，形成一种具有强大能量的“波”，这就是塑造物物体的那双“巧手”。

　　科学家认为，以太空为基地将“声波塑形”技术应用于飞机设计与制造，不需用什么精密仪器或机床，只要有原材料，就能制造出复杂精密的仪器或零部件，然后运送到地面。

　　将来，当人们能够充分利用月球资源的时候，如果在月球上建造一个工作间，再配备一台计算机和音响设备，那么，利用月球上的矿藏，就可以制造出任何你想要的东西，从而使“声音加工技术”在月球上发挥作用。

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