在太空微重力環(huán)境下，將懸浮固定在無(wú)容器柜中的樣品先加熱熔化，再冷卻凝固，我們能夠獲得純度高且均勻的材料。通過(guò)控制樣品的熔化和冷凝速度等變量，我們記錄下實(shí)驗(yàn)過(guò)程中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)將為在地面制造出質(zhì)量更高的材料以及探索新材料提供指導(dǎo)。
兩年以來(lái)，無(wú)容器材料實(shí)驗(yàn)柜中已開(kāi)展多項(xiàng)關(guān)鍵研究項(xiàng)目，目前正在進(jìn)行的項(xiàng)目包括偏晶合金殼/核型結(jié)構(gòu)及彌散型組織形成機(jī)理研究、空間站靜電懸浮復(fù)相合金相選擇與無(wú)容器制備研究、Pd基/Fe基非晶合金深過(guò)冷條件下的凝固行為研究等等，這些研究成果未來(lái)將會(huì)在許多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。
(資料圖)
以偏晶合金殼/核型結(jié)構(gòu)及彌散型組織形成機(jī)理研究項(xiàng)目為例，研究對(duì)象偏晶合金是難混溶合金，在常規(guī)的凝固條件下，極易形成相偏析嚴(yán)重乃至兩相分層的凝固組織。當(dāng)這種合金凝固形成彌散或者核/殼與層狀結(jié)構(gòu)時(shí)，便具有獨(dú)特的物理與力學(xué)性能，在航空、汽車(chē)、電氣與國(guó)防等工業(yè)領(lǐng)域具有廣闊應(yīng)用前景。
較高冷速形成彌散型結(jié)構(gòu)
隨著冷卻速度的提高，表面殼的厚度也在逐漸變薄、趨于消失，內(nèi)部顆粒顯著細(xì)化，形成了兩種成分均勻彌散分布的復(fù)合材料。
中科院金屬研究所趙九洲研究員研究團(tuán)隊(duì)研究表明，在空間環(huán)境下，重力導(dǎo)致的相的浮動(dòng)與熔體對(duì)流不復(fù)存在，合金凝固過(guò)程主要由元素?cái)U(kuò)散和相間界面能控制。這也證明，空間站為材料凝固研究提供了理想的條件。
再比如，空間站靜電懸浮復(fù)相合金相選擇與無(wú)容器制備研究。其中，極具代表性的是NbSi合金（鈮硅合金）。Nb-Si合金的熔點(diǎn)在2000K以上，是極具戰(zhàn)略?xún)r(jià)值的難熔合金，也是新一代航發(fā)的關(guān)鍵材料。目前，西北工業(yè)大學(xué)王海鵬教授研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)展的空間無(wú)容器實(shí)驗(yàn)，完成首次新一代航發(fā)葉片高溫難熔合金空間懸浮熔化和凝固實(shí)驗(yàn)，得到了不同過(guò)冷度凝固實(shí)驗(yàn)樣品，科學(xué)家正在對(duì)這些樣品展開(kāi)分析研究。
NbSi合金在無(wú)容器柜中的實(shí)驗(yàn)過(guò)程
這種非晶合金具有許多獨(dú)特的性能，比如優(yōu)異的磁性、耐蝕性、耐磨性，高的強(qiáng)度、硬度和韌性，高的電阻率和機(jī)電耦合性能等。由于它的性能優(yōu)異、工藝簡(jiǎn)單，從80年代開(kāi)始成為國(guó)內(nèi)外材料科學(xué)界的研究開(kāi)發(fā)重點(diǎn)。
例如，利用非晶合金制作鐵芯而成的變壓器，它比硅鋼片作鐵芯變壓器的空載損耗下降約80%，可以起到很好的降低電耗的作用，特別適用于農(nóng)村電網(wǎng)和發(fā)展中地區(qū)等負(fù)載率較低的地方。非晶合金變壓器既節(jié)能又便宜，未來(lái)發(fā)展前景非?？捎^。但目前還存在抗短路性能差、噪聲大等問(wèn)題，若太空中對(duì)非晶合金的研究項(xiàng)目取得突破，能夠促成相關(guān)產(chǎn)品質(zhì)的飛躍。
清華大學(xué)姚可夫教授研究團(tuán)隊(duì)成功完成了Pd基非晶合金在軌凝固實(shí)驗(yàn)，探索了Pd基合金熱物性參數(shù)測(cè)量，正在開(kāi)展樣品組織結(jié)構(gòu)分析等研究。
目前，無(wú)容器材料實(shí)驗(yàn)柜已下行三批實(shí)驗(yàn)樣品，科學(xué)家正在開(kāi)展研究。不久后，第四批實(shí)驗(yàn)樣品也將隨神舟十五號(hào)飛船返回艙下行至地面，屆時(shí)或?qū)a(chǎn)生更多豐碩的研究成果。
從天和核心艙發(fā)射入軌，到中國(guó)空間站全面建成，不到兩年時(shí)間，工程已從空間站關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證階段全面轉(zhuǎn)入空間站應(yīng)用與發(fā)展階段。中國(guó)空間站將持續(xù)開(kāi)展大規(guī)模的空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)，在不久的將來(lái)，航天員乘組中也將出現(xiàn)載荷專(zhuān)家的身影，相信未來(lái)一定會(huì)取得更多更好的科研成果?？臻g科學(xué)的春天已經(jīng)到來(lái)，讓大家一起拭目以待吧！
（原標(biāo)題：今日太空實(shí)驗(yàn)室｜在軌兩年，無(wú)容器柜的工作小結(jié)）
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