新一轮科技革命和产业变革突飞猛进，深空探测成为科技竞争的制高点。我国深空探测能力持续增强，有效带动了空间材料科学与技术的快速进展。空间材料科学与技术是材料科学与空间技术交叉融合形成的前沿领域，是上海打造未来空间产业集群的重要支撑，主要开展高真空、超洁净、微重力环境条件下材料制备过程的物理化学规律、制备技术及工艺研究，微重力环境是其区别于材料学其他领域的本质特点。

　　

　　微重力环境

　　

　　微重力（micro-gravity）环境一般是指物体的重力加速度（g）小于10-6g0（g0为地球表面重力加速度）的环境，现在延伸到小于10-2g0的环境，常被称作空间环境（space environment）。在微重力环境下，材料主要有以下特征：静压力几乎消失，主要由表面张力与毛细管力等决定材料的外形；组分间密度差不会导致沉降分层或沉淀，使多组分体系保持悬浮；浮力引起的对流大大减弱或消失，简化了制备过程的控制与后期理论解析；用电磁力等可克服飞行器剩余加速度，在无器壁帮助下液滴或熔融体即可维持在一定位置，可进行无容器制备和加工，有利于测量材料的热物理性质或加工超纯材料。

　　

　　空间材料实验系统

　　

　　空间材料实验系统包括地面模拟系统和在轨实验系统。

　　

　　地面模拟系统

　　

　　为了确保空间实验的顺利实施，研究者往往首先在地面模拟空间环境系统中开展材料实验研究。20世纪60年代，美国、苏联、法国、德国、日本等发达国家在地面上建立了微重力环境模拟设施，如落塔、落管和落井等。在地面微重力环境模拟系统开展材料实验成本低，运营维护方便，但一般仅延续数秒，不能满足材料研究的要求。

　　

　　在轨实验系统

　　

　　利用长期在轨运行的航天器开展空间材料实验才是真正意义上的空间材料实验，如返回式卫星、宇宙飞船、航天飞机、空间实验室和空间站等。在轨材料实验成本非常高，且实验机会极其有限。美国、苏联、法国、德国、日本等研制了多种持久的微重力环境在轨运行实验设施，如“天空实验室”（美）、“阿波罗登月舱”（美）、“联盟”飞船（苏）、“阿波罗-联盟”飞船（美、苏）、“礼炮”系列空间站（苏）、“和平”空间站（苏）、探空火箭（美、德、日）、航天飞机（美）、国际空间站（美、俄、日、欧洲空间局）等，其重力加速度范围在10-5g0～10-2g0。

　　

　　空间材料研究现状

　　

　　自1969年苏联首次在太空开展金属焊接和合金熔化、结晶实验以来，国际上利用卫星、探空火箭、空间站等已在太空进行了近千次的在轨材料实验。美国航空航天局（NASA）发布的数据显示：2004年至2021年，国际空间站的空间科学任务中，空间材料占比最高，达到31%；日本宇宙航空开发机构（JAXA）的物理科学实验任务中，材料科学占比达到45%。

　　

　　空间材料实验的技术显现多样性特征。空间站材料实验装置提供的梯度温场技术支持开展高温合金、功能晶体、半导体等材料的研究；等温温场技术支持开展高温复合材料、先进陶瓷材料、新型半导体、生物医用材料等研究；区熔温场技术支持开展二维材料、超材料、新型材料等研究。

　　

　　空间材料实验所研究的材料种类随空间实验技术的进步不断拓展。世界各国在空间站先后组织开展了金属、半导体、功能晶体和高分子材料及复合材料等物理与化学特性的研究，丰富和充实了材料科学理论，并用于指导地基材料制备与加工。

　　

　　空间材料实验装置呈现多功能综合性特点。空间实验装置的技术水平决定了空间材料科学发展的广度和深度。为满足太空材料科学研究需求，各航天强国已发展了集材料制备、处理、实时观察、测试和在线分析等功能于一体的综合实验系统，具有代表性的有俄罗斯的POLYZON和MULTIZON、美国的MSRR、欧洲的EML以及日本的GHF等实验装置。

　　

　　我国空间材料研究起步相对较晚，1987年第一次利用返回式卫星开展空间半导体材料实验。近年来，我国大力发展载人航天工程，加快追赶国际先进水平的步伐，研制了多种微重力环境系统，如返回式卫星、神舟飞船系列等，研制了十余套空间高温材料实验装置，在太空中微重力环境下进行自主材料科学研究已经由奢望转变为变革性新技术的现实。特别是在2022年，我国空间站建成并转入运营。如果国际空间站按计划退役，我国空间站将在未来一段时间内成为唯一的太空实验室，为我国微重力环境下材料科学研究提供重要的太空平台。在我国系列航天任务中，我国成功实施了一批空间材料科学实验项目，并取得了积极成果。我国空间材料实验提升了对材料物理与化学性质、物质转化过程本征规律的认知，丰富和完善了材料科学基础理论，指导和推动了地面材料制备工艺和战略性新兴产业发展，有力推动了技术创新与经济社会发展。

　　

　　上海的基础与条件

　　

　　上海空间材料研究整体技术水平从国际跟踪、并行，发展到领跑阶段。中国科学院上海硅酸盐研究所空间材料与应用技术团队长期致力于探索空间材料领域的新装置、新技术和新方法，承担了我国过去30年的空间材料实验装置任务。该团队突破了高温材料空间实验装置设计、复杂温场与高效率加热技术、长寿命加热部组件强化处理技术、复杂温场精确控制等多项关键技术，成功研制了一系列有中国特色的空间材料实验装置，如国内首个无容器科学实验柜（见图1）、高温材料科学实验柜（见图2）等。

　　

图1 无容器科学实验柜

　　

图2 高温材料科学实验柜

　　

　　上海研制的空间材料实验装置为我国开展空间材料科学研究提供了独一无二的条件。“空间多工位晶体生长炉”先后在我国神舟一号飞船（1999年）、神舟二号飞船（2001年）、神舟三号飞船（2002年）上完成多项材料实验任务。“空间晶体生长实时观察装置”是我国唯一在太空中实现材料制备实时观察的装置，先后在第十七颗返回式卫星（1996年）、神舟二号飞船（2001年）上完成搭载实验。“综合材料实验装置”于2016年9月随天宫二号发射入轨，在太空圆满完成了3个月3批次18项材料科学实验，是迄今我国单次空间飞行任务中材料种类和数量最多、实验时间最长的一次空间材料实验任务，成功开展了红外半导体、热电材料、高温压电晶体等材料研究。

　　

　　空间站“无容器科学实验柜”于2021年4月随天和核心舱发射入轨，标志着我国具备了在轨开展无容器材料实验的能力。该装置突破了空间样品释放与回收、样品悬浮位置控制、高温激光加热等关键技术，针对具有重要用途的高温合金和超硬度高熵玻璃等非金属材料，开展物理化学规律、无容器制备技术和热物性测试等研究，多项关键指标处于国际领先地位。例如，我国自主研制的空间站“高温材料科学实验柜”，对标国际空间站材料科学实验设施载荷，实现了低功耗高效加热（达1600℃）、批量样品管理（16个样品，样品数量最多）、快速冷却（10℃/s）、X射线实时观察与防护（国际上首次）等多项关键技术，多项关键技术指标处于国际领先地位。

　　

　　前景展望

　　

　　上海空间材料技术处于国内前列，还集聚了一批从事材料研发生产的高水平高校院所、企业。下一阶段，上海要聚焦国家重大需求的核心关键材料，依托本地空间材料实验装置研发优势，进一步调动和整合上海及长三角区域材料科学的研究力量，系统化、集成化、联合式地开展微重力环境材料实验研究。重点突破以下技术领域:

　　

　　一是空间站地面镜像装置与匹配技术。利用空间站地面镜像高温材料科学实验装置和无容器装置，围绕高端芯片用半导体材料、高性能晶体、高温合金等制备技术，开发地面匹配实验技术，为实现关键材料自主可控提供技术支撑。

　　

　　二是新型空间材料制备技术及性能研究。充分利用空间站资源和上海地面镜像资料优势，利用无容器实验装置重点开展航空发动机用高温合金、高温陶瓷基复合材料的热物性研究，获得材料物性关键数据；利用高温材料科学实验装置，重点突破高温合金、高温陶瓷基复合材料、功能晶体、第三代半导体和新材料空间制备技术。

　　

　　三是研制下一代空间材料实验装备。开发更高温度（2000℃以上）、更多温区、更大样品的超高温材料实验装置，满足空间材料的多样性、复杂性、多功能发展要求。

　　

　　到2025年，采用空间材料前沿技术，上海将建成我国空间站材料研究地面镜像平台，在我国空间站和地面镜像平台协同开展空间材料研究，突破高温合金、激光晶体、第三代半导体、先进陶瓷与复合材料等空间微重力环境制备关键技术，支撑国家重大需求材料产业发展。到2035年，上海将集聚形成国际知名空间材料领域的优势力量，成为全球领先的空间微重力材料研究中心，成为空间材料领域具有国际影响力的原始性、引领性创新高地。

　　

　　作者：陈红光 上海市科学学研究所副研究员；刘学超 中国科学院上海硅酸盐研究所研究员，人工晶体研究中心主任，高温材料科学实验柜科学实验系统主任设计师。

　　

　　原文刊于《张江科技评论》2023年2月第1期（总第36期）。