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。

在空間環境中處於失重狀態下的熔化金屬的表面張力很大，自動收縮成理想的球形，其精度超過精密研磨。如果用打氣槍將一定量的惰性氣體注入熔滴的中心，熔滴就會像吹肥皂泡一樣被吹脹，而形成空心滾珠。當空心球冷凝後，還可以在其表面塗上一兩層更硬的金屬。這種多層空心滾珠的強度和耐磨性大大超過實心滾珠，使用壽命可以延長5—8倍。大型空心球還可以用做高壓容器，其性能遠遠超過焊接的容器。 ^[2] 

將混有氣體的熔化金屬迅速移入真空室中，或者將壓力很高的氣體直接通入熔化的金屬液中，再移入真空室，由於氣壓突然降低，金屬液立即沸騰，使生成的小氣泡均勻地分佈在金屬中，這樣就產生了泡沫金屬。高真空度的空間環境是生產泡沫金屬的理想場所。空間失重條件下生產的泡沫鋼塊，體積中88%是氣體，它可以像木材一樣漂浮在水面上，這種材料不僅質地輕，而且具有很高的抗壓性。根據同樣的原理還可以生產質地更輕的泡沫鋁和泡沫鈦。 ^[2] 

在地面生產金屬和非金屬薄膜和細絲是比較困難的，其原因是重力會導致薄膜和細絲從中部斷裂。在太空生產薄膜和細絲的工藝非常簡便，只要把金屬熔液通入一個框架中，然後擴大框架就可以拉伸出極薄的金屬膜來。如果從一端連續供給熔液，另一端用捲筒卷取，就可以不斷產生出長條薄膜來。 ^[2] 

利用微重力和高真空的空間環境，可以製造出性能優異的鑄件。讓密度不同的元素均勻地熔化在一起，可以消除材料偏析和疏鬆的弊病。在地面製造高級磨具時，需要把金剛石鑲嵌在鎳基座上，而熔化的鎳與金剛石的附着性較差。空間技術可以克服這一工藝困難，在空間中將一種銅-銀-鈦合金熔化後，可以緊緊地吸附金剛石顆粒。

利用空間技術還可以生產出純度極高、性能優異的特殊材料。例如純度達到99．9999%的純鐵不受酸腐蝕、不生鏽、在零下200℃的低温環境仍然保持柔軟。又比如，在空間環境中可以生產出純度極高的金屬鎢，這種金屬鎢柔軟得可以鍛造。在地面上生產這些高純度材料需要一大筆投資用於高真空設備，而在空間環境中則不需要這項投資。 ^[2] 

20世紀70年代以來，隨着航天事業的發展，開闢了在空間製備和研究材料的新天地，一門全新的空間材料科學應運而生的。 ^[3] 

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，而且也進一步瞭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，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瞭解，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釐米的砷化鎵晶體。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、發射的返回式衞星，多次搭載空間晶體爐，進行空間材料加工實驗，研究瞭解砷化鎵單晶、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。

中國利用返回式衞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。

2023年5月10日晚，天舟六號貨運飛船上行了98件科學實驗產品，在空間材料科學領域，夢天實驗艙高温材料科學實驗櫃將開展單晶高温合金的空間生長、氧化物功能晶體生長的界面穩定性與熔體導熱性研究、凝固過程中的組分分凝與均勻性研究、鈀基/鐵基非晶合金深過冷條件下的凝固行為研究等4項科學實驗 ^[4]  。