中國(guó)空間站作為國(guó)家太空實(shí)驗(yàn)室，在軌部署了國(guó)際一流的科學(xué)研究與技術(shù)試驗(yàn)設(shè)施，無(wú)容器材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜（以下簡(jiǎn)稱“無(wú)容器材料實(shí)驗(yàn)柜”）就是其中之一。神舟十八號(hào)乘組在軌期間，利用無(wú)容器材料實(shí)驗(yàn)柜開(kāi)展了空間材料科學(xué)領(lǐng)域的多項(xiàng)科學(xué)實(shí)（試）驗(yàn)。
在“乘組周記”中可以了解到，三名航天員需定期對(duì)無(wú)容器材料實(shí)驗(yàn)柜進(jìn)行實(shí)驗(yàn)腔體樣品清理、實(shí)驗(yàn)樣品更換、軸心機(jī)構(gòu)電極維護(hù)等工作。“無(wú)容器”究竟有何特別之處？
為何開(kāi)展空間材料科學(xué)研究？
空間材料科學(xué)是材料科學(xué)與空間技術(shù)相融合形成的一個(gè)交叉學(xué)科領(lǐng)域，主要研究?jī)?nèi)容是在外層空間以微重力、無(wú)容器、高真空和強(qiáng)輻射為特征的超常環(huán)境中，探索各類材料的物理化學(xué)性質(zhì)、相變過(guò)程規(guī)律、合成制備和加工成形原理及其最終服役性能。發(fā)展方向首先是利用外層空間的特殊環(huán)境條件進(jìn)行材料科學(xué)研究，其次是為各類材料的空間應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的科學(xué)基礎(chǔ)。
無(wú)容器材料實(shí)驗(yàn)柜的關(guān)鍵技術(shù)是什么？
無(wú)容器材料實(shí)驗(yàn)柜位于空間站天和核心艙，是最早安排“上天”的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)之一。顧名思義，“無(wú)容器”就是不用容器承載，使實(shí)驗(yàn)樣品在懸浮的狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)熔煉的過(guò)程。
想象一下，熔融的金屬或者非金屬材料成為“液滴”，懸浮在空中，卻不會(huì)和容器壁接觸，加工后的材料能在較低溫度下不凝固，仍然保持液體狀態(tài)。那么，如何讓樣品保持“懸浮”？
靜電懸浮技術(shù)便是無(wú)容器材料實(shí)驗(yàn)柜工作原理的關(guān)鍵，通過(guò)靜電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的懸浮控制，避免實(shí)驗(yàn)材料樣品與整個(gè)實(shí)驗(yàn)腔體內(nèi)表面的接觸。
在地面實(shí)驗(yàn)室，靜電懸浮是利用靜電場(chǎng)所提供的電場(chǎng)力來(lái)克服重力，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)容器狀態(tài)。它可適用的材料種類廣泛，只要樣品產(chǎn)生了足夠多的電荷量就可實(shí)現(xiàn)懸浮，而且材料可在真空環(huán)境中保持穩(wěn)定懸浮狀態(tài)，避免了介質(zhì)的影響。
與電磁懸浮、超聲懸浮和氣動(dòng)懸浮相比，靜電懸浮不存在電磁攪拌、超聲空化和氣流擾動(dòng)，外場(chǎng)對(duì)樣品的影響很小。因此材料可在近似完全靜態(tài)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)無(wú)容器熔化和凝固，從而使材料熔體易于獲得深過(guò)冷，便于對(duì)過(guò)冷態(tài)物理化學(xué)性質(zhì)和凝固過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)原位測(cè)定。
空間站靜電懸浮相較于地面靜電懸浮，不需要克服重力，僅需控制樣品位置，其原理是根據(jù)樣品位置變化，調(diào)控樣品庫(kù)侖力的大小和方向，使之動(dòng)態(tài)“定位”于設(shè)定的位置。與地面實(shí)驗(yàn)相比，所需要的電壓更小，對(duì)樣品的干擾遠(yuǎn)小于地面實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而提供更理想的科學(xué)實(shí)驗(yàn)條件，例如微重力條件下，液態(tài)樣品更圓，樣品的振蕩更理想。
無(wú)容器材料實(shí)驗(yàn)柜是如何工作的？
在實(shí)際運(yùn)行中，每個(gè)樣品盒可容納29個(gè)樣品。每次實(shí)驗(yàn)分為以下步驟：
①完成真空或者氬氣加壓的實(shí)驗(yàn)環(huán)境準(zhǔn)備，確保實(shí)驗(yàn)在特定的氣體環(huán)境下進(jìn)行，以模擬太空中的環(huán)境條件；
②樣品盒釋放樣品；
③位控系統(tǒng)捕獲釋放樣品，對(duì)樣品進(jìn)行懸浮位置控制；
④啟動(dòng)激光器加熱熔化樣品，對(duì)樣品可持續(xù)加熱到2000℃以上的高溫；
⑤周?chē)奈飸B(tài)測(cè)量相機(jī)開(kāi)展比熱容、熱導(dǎo)率等熱物理性質(zhì)參數(shù)測(cè)量；
⑥冷凝固樣品，并進(jìn)入深過(guò)冷狀態(tài)，即高溫熔體在溫度低于其凝固點(diǎn)的情況下仍然保持液態(tài)狀態(tài)；
⑦位控系統(tǒng)將懸浮樣品移動(dòng)到樣品回收入口處，通過(guò)前后推桿將樣品夾持住，再推送到樣品盒內(nèi)的樣品存儲(chǔ)位置。
在“天宮課堂”第二課中，神舟十三號(hào)乘組不僅介紹了無(wú)容器材料實(shí)驗(yàn)柜的科學(xué)原理，還通過(guò)視頻演示講解了“鋯金屬熔化與凝固”實(shí)驗(yàn)。
作為實(shí)驗(yàn)樣品的金屬小球懸浮在實(shí)驗(yàn)腔體中，經(jīng)過(guò)懸浮控制、激光加熱、測(cè)量物性、再輝、樣品冷卻凝固、回收等環(huán)節(jié)后，實(shí)驗(yàn)完成。
值得一提的是，實(shí)驗(yàn)操作是一個(gè)天地協(xié)同的過(guò)程。航天員只需要取出完成實(shí)驗(yàn)的樣品盒、裝上新樣品盒，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不需要進(jìn)行直接操作，主要通過(guò)注入指令執(zhí)行，地面工作人員就可以實(shí)時(shí)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)開(kāi)展。
在軌三年以來(lái)，無(wú)容器材料實(shí)驗(yàn)柜已開(kāi)展多項(xiàng)關(guān)鍵研究項(xiàng)目。近期，利用空間站微重力環(huán)境開(kāi)展的相分離合金凝固理論和相分離合金原位復(fù)合材料制備技術(shù)研究取得了重要的空間應(yīng)用階段性成果。
研究團(tuán)隊(duì)基于前期大量的地基研究，優(yōu)化設(shè)計(jì)合金成分和凝固工藝，先后于天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室、神舟十三號(hào)、神舟十五號(hào)和神舟十六號(hào)飛行任務(wù)期間開(kāi)展了空間相分離合金的凝固實(shí)驗(yàn)，成功制備出第二相均勻彌散分布的原位粒子復(fù)合材料樣品和具有殼-核結(jié)構(gòu)的球形樣品，而相同凝固條件下的地面凝固樣品則呈現(xiàn)了偏析型組織。
多年天地協(xié)同研究，通過(guò)地基實(shí)驗(yàn)、空間實(shí)驗(yàn)和建模與模擬研究相結(jié)合，深入理解了相分離合金凝固組織形成過(guò)程和關(guān)鍵影響因素，發(fā)展了多種相分離合金凝固組織調(diào)控方法，為高性能相分離合金材料設(shè)計(jì)與制備打下了基礎(chǔ)，從而滿足大型機(jī)械、核電、船舶、輸電、電子等一些領(lǐng)域?qū)μ胤N材料的需求。
無(wú)容器材料實(shí)驗(yàn)柜有望實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬和非金屬的“深過(guò)冷凝固過(guò)程與機(jī)理”研究、新型功能材料制備研究、高溫熔體的熱物性精確測(cè)量研究等，對(duì)于地面材料的制備、提高高精度材料的生產(chǎn)工藝具有非常重要的意義。
未來(lái)，更多材料樣品將在此開(kāi)啟關(guān)于“懸浮”的奇幻之旅。隨著空間材料科學(xué)的不斷發(fā)展，期待在太空中制備出更多性能優(yōu)越的材料，廣泛應(yīng)用于民眾的日常生活。
