神十八乘組開展科學(xué)實驗用了啥設(shè)備？一文了解→

中國空間站作為國家太空實驗室，在軌部署了國際一流的科學(xué)研究與技術(shù)試驗設(shè)施，無容器材料科學(xué)實驗柜（以下簡稱“無容器材料實驗柜”）就是其中之一。神舟十八號乘組在軌期間，利用無容器材料實驗柜開展了空間材料科學(xué)領(lǐng)域的多項科學(xué)實（試）驗。

 

在“乘組周記”中可以了解到，三名航天員需定期對無容器材料實驗柜進(jìn)行實驗腔體樣品清理、實驗樣品更換、軸心機構(gòu)電極維護(hù)等工作。“無容器”究竟有何特別之處？

 

為何開展空間材料科學(xué)研究？

 

空間材料科學(xué)是材料科學(xué)與空間技術(shù)相融合形成的一個交叉學(xué)科領(lǐng)域，主要研究內(nèi)容是在外層空間以微重力、無容器、高真空和強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)用奠定堅實的科學(xué)基礎(chǔ)。

 

無容器材料實驗柜的關(guān)鍵技術(shù)是什么？

 

 

△無容器材料實驗柜示意圖

 

無容器材料實驗柜位于空間站天和核心艙，是最早安排“上天”的實驗平臺之一。顧名思義，“無容器”就是不用容器承載，使實驗樣品在懸浮的狀態(tài)下實現(xiàn)熔煉的過程。

 

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”？

 

 

△無容器材料實驗柜在核心艙內(nèi)的位置

 

靜電懸浮技術(shù)便是無容器材料實驗柜工作原理的關(guān)鍵，通過靜電場實現(xiàn)穩(wěn)定的懸浮控制，避免實驗材料樣品與整個實驗腔體內(nèi)表面的接觸。

 

 

△靜電懸浮技術(shù)

 

在地面實驗室，靜電懸浮是利用靜電場所提供的電場力來克服重力，從而實現(xiàn)無容器狀態(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、超聲懸浮和氣動懸浮相比，靜電懸浮不存在電磁攪拌、超聲空化和氣流擾動，外場對樣品的影響很小。因此材料可在近似完全靜態(tài)環(huán)境中實現(xiàn)無容器熔化和凝固，從而使材料熔體易于獲得深過冷，便于對過冷態(tài)物理化學(xué)性質(zhì)和凝固過程進(jìn)行實時原位測定。

 

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)控樣品庫侖力的大小和方向，使之動態(tài)“定位”于設(shè)定的位置。與地面實驗相比，所需要的電壓更小，對樣品的干擾遠(yuǎn)小于地面實驗，進(jìn)而提供更理想的科學(xué)實驗條件，例如微重力條件下，液態(tài)樣品更圓，樣品的振蕩更理想。

 

 

△科研人員在地面利用靜電懸浮實驗裝置開展相關(guān)實驗

 

無容器材料實驗柜是如何工作的？

 

 

△無容器材料實驗柜軸心機構(gòu)內(nèi)裝有實驗樣品

 

在實際運行中，每個樣品盒可容納29個樣品。每次實驗分為以下步驟：

 

①完成真空或者氬氣加壓的實驗環(huán)境準(zhǔn)備，確保實驗在特定的氣體環(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，對樣品進(jìn)行懸浮位置控制；

 

 

④啟動激光器加熱熔化樣品，對樣品可持續(xù)加熱到2000℃以上的高溫；

 

 

⑤周圍的物態(tài)測量相機開展比熱容、熱導(dǎo)率等熱物理性質(zhì)參數(shù)測量；

 

⑥冷凝固樣品，并進(jìn)入深過冷狀態(tài)，即高溫熔體在溫度低于其凝固點的情況下仍然保持液態(tài)狀態(tài)；

 

 

⑦位控系統(tǒng)將懸浮樣品移動到樣品回收入口處，通過前后推桿將樣品夾持住，再推送到樣品盒內(nèi)的樣品存儲位置。

 

 

在“天宮課堂”第二課中，神舟十三號乘組不僅介紹了無容器材料實驗柜的科學(xué)原理，還通過視頻演示講解了“鋯金屬熔化與凝固”實驗。

 

 

△神舟十三號乘組在軌介紹無容器材料實驗柜

 

作為實驗樣品的金屬小球懸浮在實驗腔體中，經(jīng)過懸浮控制、激光加熱、測量物性、再輝、樣品冷卻凝固、回收等環(huán)節(jié)后，實驗完成。

 

 

△神舟十三號乘組在軌介紹無容器材料實驗柜

 

值得一提的是，實驗操作是一個天地協(xié)同的過程。航天員只需要取出完成實驗的樣品盒、裝上新樣品盒，在實驗過程中不需要進(jìn)行直接操作，主要通過注入指令執(zhí)行，地面工作人員就可以實時監(jiān)控實驗開展。

 

 

△神舟十八號乘組在軌操作無容器材料實驗柜

 

 

△神舟十八號乘組在軌操作無容器材料實驗柜

 

在軌三年以來，無容器材料實驗柜已開展多項關(guān)鍵研究項目。近期，利用空間站微重力環(huán)境開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。

 

研究團隊基于前期大量的地基研究，優(yōu)化設(shè)計合金成分和凝固工藝，先后于天宮二號空間實驗室、神舟十三號、神舟十五號和神舟十六號飛行任務(wù)期間開展了空間相分離合金的凝固實驗，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。

 

 

△空間凝固合金呈現(xiàn)彌散型組織，地面凝固合金呈現(xiàn)偏析組織。(a) 初始凝固部位；(b) 試樣中部；(c) 最后凝固位置。

 

 

△空間樣品呈現(xiàn)完整的核-殼結(jié)構(gòu)；地面樣品呈現(xiàn)了偏析型凝固組織。

 

多年天地協(xié)同研究，通過地基實驗、空間實驗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)計與制備打下了基礎(chǔ)，從而滿足大型機械、核電、船舶、輸電、電子等一些領(lǐng)域?qū)μ胤N材料的需求。

 

 

△科研人員展示在空間站凝固的實驗樣品

 

無容器材料實驗柜有望實現(xiàn)對金屬和非金屬的“深過冷凝固過程與機理”研究、新型功能材料制備研究、高溫熔體的熱物性精確測量研究等，對于地面材料的制備、提高高精度材料的生產(chǎn)工藝具有非常重要的意義。

 

未來，更多材料樣品將在此開啟關(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。