魏炳波院士揭秘：航天材料如何突破极限？
魏炳波院士揭秘：航天材料如何突破极限？
2024年7月，一则来自中国科学院空间应用工程与技术中心的消息震惊了全球科技界：西北工业大学魏炳波院士团队在中国空间站开展的高性能难熔合金研究取得重大突破，成功获取了难熔合金熔体的关键热物理性质，并在空间凝固制备方面取得多项科学新发现。这一成果不仅为我国空间材料科学理论研究提供了重要基础，更为新型高性能难熔合金材料的制备开辟了新路径。
“悬浮”的奥秘：无容器材料实验柜揭秘
这些突破性成果的取得，离不开一个关键实验平台——无容器材料实验柜。这个位于空间站天和核心舱内的实验柜，是目前国际上最先进的空间材料科学研究设施之一。
无容器材料实验柜的核心技术是静电悬浮。通过静电场所提供的电场力，使材料样品在真空环境中保持稳定悬浮状态，避免与容器壁接触的影响。这种“无容器”状态，使得实验材料能够在近似完全静态的环境中实现熔化和凝固，从而获得更精确的实验数据。
在实际运行中，每个样品盒可容纳29个样品。实验过程分为多个步骤：首先完成真空或氩气加压的实验环境准备，然后释放样品并进行悬浮位置控制，接着用激光器加热熔化样品至2000℃以上高温，同时测量比热容、热导率等热物理性质参数，最后冷却凝固并回收样品。
突破极限：高性能难熔合金的太空之旅
高性能难熔合金是特种稀有金属材料，具有“超高温、高活性”等特征，广泛应用于高温、高速、高压关键部件。然而，在地面环境下，这类材料的研究长期受到重力、容器等条件的制约，难以精确测定液态性质和实现快速凝固合成。
魏炳波院士团队充分利用空间站微重力环境的优势，自2021年4月以来，先后进行了6批次在轨实验，涉及10余种数百个高性能难熔合金样品。这些实验成功完成了难熔合金微重力条件下的静电悬浮、加热熔化、降温、过冷、凝固、热物理性质测定等重要环节。
研究团队在分析最早一批返回的铌合金、锆合金、钛合金样品时，获取了超高温状态下难熔合金的液态密度、热膨胀系数、热辐比等关键性质。更令人振奋的是，他们发现了一系列具有重要科学价值的新成果：
- 微重力液滴凝固呈现出独特的涡旋型特殊组织结构
- 阐明了微重力环境下凝固收缩的动力学规律
- 揭示了微重力和无容器共同作用下共晶合金解耦生长的内在机理
- 实现了太空环境凝固合金的微观组织与宏观形态的双调控
从追赶者到领跑者：中国航天材料科学的崛起
中国空间材料科学研究始于1986年的国家高技术研究发展计划（863计划）。经过30多年的发展，中国在该领域的研究已具备较强的国际竞争力。
作为中国载人航天工程空间材料科学领域首席科学家，魏炳波院士表示：“未来我们一定会取得更多的国际领先成果，利用空间环境的特殊性制备或合成出新材料，并转化为新质生产力，更好服务于科技强国建设。”
根据规划，未来10至15年，中国将在空间材料科学研究领域持续发力，进一步缩小与欧美航天强国的科研差距。随着空间站的长期运营，更多创新性实验将陆续开展，有望在材料科学领域实现更多突破。
从最初的追赶者到如今的领跑者，中国航天材料科学的发展历程，正是中国科技创新实力不断提升的生动写照。正如魏炳波院士所说：“中国的空间材料科学，随着载人航天事业的发展，正在经历一次重大的转型。我们不仅可以成为航天材料科学的追赶者，更可以通过自主创新成为这场科技竞争的引领者。”
在未来的科研探索中，中国的空间材料科学将继续发掘其潜能，实现技术突破和理论创新，推动全球航天事业的发展。在这个创新的旅程中，科学家们不仅要处理方法和技术上的挑战，还要具备长远的视野和探索的勇气。或许，正是这样一种勇气，才会在太空探索中引领着中国走向更为广阔的未来。