空间材料科学——“操纵”材料的时代

来源：中国空间科学学会CSSR

作者：张颖一

中国科学院空间应用工程与技术中心

空间微重力环境为新材料测试提供了一个独特的实验室环境。沉降和浮力驱动的对流消失了，因此我们能够见证材料在更长的时间内如何变化和发展。研究人员能够以独特的方式“操纵”材料。这个难得的机会使得人们能够制造出具有明确结构，更高强度更优功能的新材料。

在微重力条件下开展材料研究已有半个世纪，这期间，无论是探索性的还是定量化的实验都取得了长足的进展和丰硕的成果。研究所涉及的领域和研究主题也十分广泛，包括材料合成与加工，材料微观组织结构与控制等等。下面我们就来看一下空间可以开展哪些材料研究吧？

工业铸造模型和铸造工艺改进

世界正面临着许多经济和生态挑战，空间材料科学研究也能够帮助解决这些挑战。这是一项世界级的计划，有数百名来自学术界和工业界的国际合作伙伴参与其中。研究的主要目标是增进对材料凝固过程的理解，以便开发出能够对工业产生重大影响的更坚固、更轻巧的新型材料。此外，这项研究还有一个目标是解决地球面临的一些最紧迫的问题，例如提高燃油效率，改善材料的回收利用效率等等。

在这个计划内，研究凝固过程中柱状晶到等轴晶的转变是众多空间材料研究项目之一。具体包括研究凝固过程中的铝合金样品的微观结构，特别是凝固过程中的柱状结构和树枝状结构如何转变为等轴晶体，及影响这一过程的因素。在这一研究项目中，确定加工后金属样品内部的微观结构十分重要，因为微观结构会影响合金的性能，例如强度、韧性、抗疲劳和（高温）蠕变性能。合金微观结构中存在这些不均匀的树枝状晶体，意味着合金的机械性能可能会发生很大变化。这种不均匀性使得将合金的特定铸件与适当的应用进行匹配变得更加复杂，尤其是在高科技产业。

图1  包含晶粒细化剂的空间材料定向凝固实验样品中获得的典型微观结构

在太空开展这类材料实验有助于利用实验获得的重要基准数据来验证或改进工业铸造模型。微重力条件下没有对流，不会掩盖熔融液体中发生的某些物理现象（如多相流体流动、扩散、毛细作用和传热）从而影响材料的性能。法国Transvalor软件公司已使用空间实验的分析结果来改进其商业软件代码THERCAST®。许多用户使用此代码来改进铸造工艺。铸造行业，特别是对于航空航天等高端行业，在很大程度上依赖于使用数值模型来确定铸造方法和铸造条件，从而预期生产针对特定应用的具有特定性能特征的材料，这类空间实验对于地面应用十分有意义。

在太空制造衣服

汗水是多余的运动伴侣。经过太空验证的服装正在引导人们开发健身房使用和地球上极端条件下使用的创新纺织品。

图2  ESA航天员在国际空间站健身时穿着SpaceTex实验织物

太空中缺乏对流会影响人体热量和汗液的传输并被吸收到航天员的衣服中。与地面相比，在太空中运动出汗更多、热量更不容易散开。在太空中评估高性能纤维、棉等面料的舒适度能够帮助优化航天员的服装，以应对未来的长期太空任务，如火星探测等。

太空服可以像第二层皮肤一样提供舒适感，更卫生，并且适于运动。 SpaceTex实验评估了新面料，以改善运动过程中的热传递和汗水管理，同时这种面料具备抗菌特性。速干T恤对于运动员、消防员、地雷工人和武装部队成员都非常有用。这是首次在微重力下进行的服装生理实验。运动服制造商希望改善他们的产品。

用纳米纤维改善半导体

纳米技术涉及原子和分子层面的材料，在电信、计算机、健康和医学等领域有广阔的应用前景。但事实是纳米结构材料，尤其是自组装纳米材料，很难控制。在国际空间站上的实验演示了一种构造材料的新工艺，这种材料可以将自身排列成一个原子的厚度，为快速、大容量计算机和信息存储系统的开发铺平了道路。通过二维纳米模板，材料可以自组装成非常紧密的重复图案，这种图案可以作为聚焦电子束的模板，电子束跟踪模板能够将相同的图案雕刻到另一个表面上，从而进行半导体的表面处理。

图3  在空间（左）和地面（右）获得的原始光纤阵列的AFM图像

用这种方法制造的材料在多个领域中得到应用，包括计算机、化学催化剂甚至是超疏水物质。得益于太空材料研究，纳米技术的前沿比以往任何时候都更加清晰。

太空中的三维生物打印

纳米技术的发展使得使用磁场管理活细胞、组织机体和合成微支架成为现实，这反过来推动了磁性生物打印机的发展。

但是，首次制造磁性生物打印机的尝试表明，重力是一个重大的限制。而在微重力环境下，磁悬浮和反磁悬浮不仅将允许对三维组织结构进行所谓的“形式上的”生物制造，而且可以在受控磁场中对组织结构进行可编程组装。可以在微重力下处理组织机体的空间磁性3D打印机是生物制造的新视角概念的体现。

基于磁力的微重力生物加工改变了3D生物打印技术，为在三维空间没有固体支架的情况进行组织机体和器官构造的可编程自组装打开了真正的机会大门。成型加工和可编程自组装是21世纪的革命性制造和生物制造技术。

可以在微重力下处理组织机体的空间磁性3D打印机是生物制造的新视角概念的体现。现有的三种主要的3D生物打印技术如挤出、喷墨和基于激光的生物打印，都存在速度慢以及无法创造具有复杂几何形状的缺点。因此使用微重力作为打印技术辅助要素的无支架、无喷嘴和无标签（不使用磁性纳米颗粒）的形成性生物制造方法，比传统的方法具有更多的优势，该项技术可用于空间辐射研究，为长期载人航天飞行如探月和火星计划提供支持。

3D生物打印解决方案团队开发了一种新型太空3D生物打印机，该打印机通过使用磁场在微重力环境下快速、无标签地对三维组织和器官构造物进行生物加工，同时已经开发出一种复杂的整体比色皿系统，用于将活体目标送至空间站进行生活制造并将构造物送回地球。

图4  磁性生物3D打印机模型

在自然空间微重力环境下，将使用组织机体（甲状腺和软骨机体）对甲状腺和软骨等器官进行快速加工，并在转移到地球后对其进行组织学检查。该3D打印机将作为国际空间站的科学设备的一部分，以便提供给科学团体和公司进行进一步的实验。

悬浮材料实验

现代材料的发现通常要基于复杂的基础研究才能实现。材料的新特性通常是在快速的加热和冷却剧烈的非平衡条件下形成的。要实现快速冷却则需要独特的悬浮装置。这项新技术可以生产出摩擦系数低、耐腐蚀、高强度和耐磨性的涂料，为磁性、结构和非晶态合金等多种材料的实际应用提供重要的信息。利用国际空间站上获得的研究数据，已经确定和发展出多种具有各种特性的功能性涂料。

在地面上，液体需要在容器中进行放置，由于没有可用的熔点高于2000℃的容器，因此高熔点材料很难进行熔化，容器会在高温下发生反应并污染其中的材料。在微重力下，液体可以悬浮而不需使用容器。这种不用容器处理材料的方法称为“无容器处理”。这种方法使我们能够仔细研究处于熔融状态的材料的状态，而这在地面上很难实现。静电悬浮法是一种无容器处理技术，它利用带电样品和电极之间的库仑力，通过使用相机图像的高速反馈控制样品位置。

图5  熔融氧化铝悬浮在日本静电悬浮炉中

利用国际空间站上的静电悬浮设施，可以发现难熔金属的很多热物理性质。此外，无容器加工可以提供深过冷状态，从而允许形成不同的晶体结构和相，从而从中产生新型材料。在前期地面实验中，在无容器设施上悬浮并熔化了钛酸钡（BaTiO3），并通过过冷使其结晶，从而成功开发出一种具有极大介电常数且不受温度变化影响的高性能材料。

此外，材料的高温热物理性质数据对液态研究和数值模拟改进非常有用，以液态为基础模型、以计算机为基础的制造过程建模铸造技术可以应用于高效涡轮机、发电系统、飞机和下一代喷气发动机上。而且可以通过创建核-壳液滴构型来测量不混溶熔体的界面能，这在地面上会因为沉降等原因无法获得。

未来空间材料科学研究的重点一方面在于材料的基础研究，另一方面依然在持续发展空间科学实验研究的平台及实验设施，特别是高微重力水平的实验及在线原位观察手段。此外，对于在空间可以制备地面难以获得的特殊结构或功能等特性的材料方面，也值得特别关注。