为什么要进行空间材料科学研究？

空间材料科学系研究空间环境条件下材料加工、生产和工艺过程的物理规律，从而获得具有全新性质的材料。根据材料形成的机理，空间材料可分为两类:晶体生长和金属及复合材料的制备，根据它们的性能和应用。它也可以分为功能材料，包括半导体、超导、磁性和光纤，结构材料，包括合金、金属、泡沫多孔和复合材料，以及陶瓷和玻璃材料。空间微重力条件下航天器的材料科学研究和实验取得了巨大进展。在太空失重环境中，对流、沉降、浮力、静压等现象消失了，而其他物理现象出现了。例如，液体的表面张力使液体紧紧地粘在一起，当它不与其他物体接触时悬浮在空气中。当液体与其他物体接触时，液体可以不受限制地在物体表面*延伸。空间中的毛细现象增强了液体的润湿性。气体泡沫可以均匀分布在液体中，不同密度的液体可以均匀混合。通过大量的研究实验，我们不仅对微重力环境下的这些物理现象和这些物理现象的机理有了清晰的了解，而且对地球重力环境下制约材料加工的各种因素也有了进一步的了解。人类在微重力环境下利用这些特殊的空间物理现象和过程，对空间焊接、铸造、无容器悬浮熔炼和其他工艺进行了试验，以熔炼高熔点金属，并生产各种具有特殊性质的新材料，如合金、半导体晶体、复合材料和光学玻璃。40年来，在各种航天器上进行了大量的空间材料实验，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更深入的了解，并取得了许多新的成果。早在阿波罗宇宙飞船上，美国就在微重力条件下进行了材料科学实验。在1973年发射的空间站上，宇航员进行了28次微重力研究实验。1975年，在阿波罗-联盟号联合飞行中又进行了13次微重力实验。自1981年航天飞机飞行以来，美国宇航员利用空间微重力环境进行晶体生长和特殊材料的技术研究和生产，特别是将空间微重力实验室送入轨道进行材料加工和生产砷化镓晶体及其他材料。1969年，苏联首次在联盟号宇宙飞船上进行了金属焊接和切割试验。它研究微重力下熔融金属的特性。微重力材料加工在李宝空间站上进行。取出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。还生产球形木质合金和各种合金材料，如铝镁、钼镓、铝钨、铜铟和锑铟。礼炮空间站总共使用了175种微重力实验设备，带回了3500多公斤实验样品。在和平号空间站上，有一个特殊的飞船模块，叫做水晶。宇航员已经制造出高纯度的半导体材料，并使用特殊设备制造出直径为5厘米的砷化镓晶体。简而言之，人类利用空间微重力条件，在难熔金、复合材料和功能材料的制造实验和空间加工技术方面取得了巨大进展。中国已多次利用自主研发并发射的返回卫星搭载空间晶体炉进行空间材料加工实验。它研究了砷化镓单晶和碲镉汞晶体的生长、超导材料的烧结、铝基碳化硅复合材料的制备以及钯-镍-磷、锑化铟、锑化镓和铝-铌合金的生长。中国利用返回式卫星进行微重力条件下的空间材料加工实验，主要包括单晶生长、超导材料和合金凝固等。例如，在地面上混合并用石英管渗透的镉铟样品在空间熔化后被分离成具有镉和铟两种成分的球体，并且没有被石英管渗透。在空间进行了难熔金和铝锂合金、锌铅合金、铝铅合金、铝铌合金、铝锌铋合金的凝固实验。研究发现，在空间上，块状锌铅样品实现了分散相的分布。在空间粉末液相烧结中也可以获得定向晶体结构。所有这些实验结果表明，中国的空间材料科学研究达到了一个新的水平。