空間材料科學----迷人的太空工廠

樓主 / sleeped

空間材料科學系研究空間環境條件下材料加工、生產工藝過程的物理規律，從而獲得性能全新的材料。

　　從材料生成機理看，空間材料可分為晶體生長和金屬、復合材料制備兩類；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、泡沫多孔和復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布在液體中，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、無容器懸浮冶煉等工藝，冶煉出高熔點金屬，制造出了具有特殊性能的各種合金、半導體晶體、復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年航天飛機飛行以來，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，生產砷化镓晶體等材料。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，制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、鉬镓、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制取了純度極高的半導體材料，生產了直徑為5厘米的砷化镓晶體。總之，利用空間微重力條件，人類已在難混合金、復合材料、功能材料的制造實驗和空間加工工藝方面，取得了很大發展。

　　中國利用自選研制、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，研究了解砷化镓單晶、碲鎘汞晶體的生長，超導材料的燒結，鋁基碳化硅復合材料的制備，鈀鎳磷、銻化銦、銻化镓、鋁铌合金的生長。

　　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，在地面混合並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、鋁铌、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布。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。

迷人的太空工廠

　　現代科學技術的發展，使人類的生產領域進一步擴大到太空。無論是在“太空站”還是在宇宙飛船，人們都可以充分利用太空中的特異條件，生產在地球上無法獲得的新型產品。目前，這樣的工廠已經涉及到制藥、冶金、電子和機械制造等領域，而且正在向更為廣闊的方向發展

　　宇宙冶金

　　對金屬進行熔煉，大約已有幾千年的歷史了。然而，隨著航天技術的發展，在太空進行金屬冶煉，那可以稱得上是一件既新鮮又順理成章的事。

　　空間冶煉也叫宇宙冶金，是在航天飛行器中特定的超高真空和失重的太空環境中對金屬進行冶煉，以獲得具有新奇特性的金屬合金。一般熔煉金屬都要在熔煉爐中經燃料加熱進行，而宇宙冶金則不同。它只用幾只電磁線圈和一套特別的裝置，就可以完成冶煉。被熔煉的材料懸浮在空中，電磁線圈通電之後，便會使被熔煉的金屬材料因電磁感應而產生渦流，溫度逐漸升高，以至發熱熔化。

　　由於宇宙空間可以提供不同於地面重力環境的超真空環境和微重力環境，許多金屬材料在這種特殊的空間環境裡會發生奇妙的變化，從而生成在地球上無法得到的新型材料。像高透明度的磁性化學玻璃、高純度的光通信纖維、高質量的巨型單晶、理想圓度的滾珠軸承，以及高溫渦輪葉片和各種特殊的合金等等。美國在一次航天飛機太空材料實驗中，宇航員將１０克重的鎢放到一個真空室的底座上，慢慢升高到預定的磁場內，然後，底座下降，而鎢則在失重狀態下並不能隨之下降，而是停留在磁場內。於是，懸浮式的熔煉便開始了。人們用激光或電子束射向鎢塊，使鎢加熱升溫直到熔化。這時，圓柱型的鎢塊漸漸變成了一個液體小球。當激光或電子束照射停止後，鎢自行冷卻並形成了球型單晶鎢。這種球狀物質外形非常圓，而且純度相當高，是一種新型的超純材料。

　　經過人們的不斷努力，在太空中進行金屬冶煉，還可以開發出許多新的材料。例如，熔煉鋁鎢合金，多年來始終沒有能夠取得成功。其原因就因為它們是兩種不同性質的金屬材料，很難進行化合。鋁是輕金屬，熔點僅有６６０℃，沸點也只有２４６７℃；鎢是重金屬，熔點高達３４１０℃，是地球上極難熔化的金屬之一。若要把鋁和鎢放在一起熔煉，鎢還呈現固體形態時，鋁就早已氣化了。即使把它們分別熔化後再放在一起，也不能均勻地融合在一起，而是呈現不同的層次。所以，在地球環境下制取鋁鎢合金，在當今的技術條件下，還是難以實現的。如果改變一下環境，把這兩種金屬轉移到空間進行冶煉，鋁和鎢便會失去比重的意義，固體鎢塊在鋁溶液中均勻融解。熔化的金屬經過冷卻後，便得到帶有孔隙的海綿狀的鋁鎢合金，從而解決了人們期望的珍貴金屬材料。

　　日本的一個科研小組，根據質量輕的鋁液相和質量重的鉛—鉍合金液相之間容易分離，在地面上難以制成合金的狀況，將工作地點轉移到美國發射的航天飛機上，利用連續加壓型電爐，在１３００℃條件下進行３０分鍾的加熱處理，然後進行氣體冷卻，終於制成了鋁—鉛—鉍合金超導材料。用這種超導材料加工成的０．５毫米的線材，在達到絕對零度時，線材上的電阻為零，從而成為一種新型的超導體。奇妙的“聲音工廠”最近，美國的幾位科學家計劃在明年發射的美國航天飛機上，建一個“聲音工廠”，通過用聲音來塑造物體的形狀，制取和生產各種零部件和儀器。這幾位科學家認為，將某種物質融化，然後使其在失重狀態下冷卻，再利用聲音就可以把它塑造成一定的形狀。這種方法不需要用手來捏或用機器來加工，只要你控制好聲音的變化就可以了。

　　１９９７年４月，研究人員第一次在航天飛機上用隔音盒子進行實驗。當航天飛機進行幾秒鍾的自由滑行時，盒子裡的聚苯乙烯小球竟立了起來，形成了一道牆。後來，研究人員又先後在太空進行了７次實驗。其中一次，他們將聚苯乙烯泡沫、做糕餅的材料及其他一些物質的碎屑混合在一起放入盒中，結果發現，比起單一物質，不同物質的混合物更容易聚合在一起。由此，科學家得出結論，如果使用大小合適的盒子和頻率合適的聲波，就可以把物質制造出各種各樣的形狀。

　　為什麼聲音能改變物體的形狀呢？其實，原理也很簡單。在密封的房間裡，聲波從前方的牆壁傳到後牆，然後再反射回來，與新的聲波重疊，如果房間的長度正好與聲音的波長一致，發出的聲波與反射回來的聲波就會結合在一起，形成一種具有強大能量的“波”，這就是塑造物物體的那雙“巧手”。

　　科學家認為，以太空為基地將“聲波塑形”技術應用於飛機設計與制造，不需用什麼精密儀器或機床，只要有原材料，就能制造出復雜精密的儀器或零部件，然後運送到地面。

　　將來，當人們能夠充分利用月球資源的時候，如果在月球上建造一個工作間，再配備一台計算機和音響設備，那麼，利用月球上的礦藏，就可以制造出任何你想要的東西，從而使“聲音加工技術”在月球上發揮作用。

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