“摆脱”重力，均匀受热和凝固的材料性能有多好？

出品：科普中国

作者：中国科普博览

监制：中国科普博览

随着航天技术的飞速发展，太空不再仅仅是宇航员遨游的场所，更成为科学家们进行前沿科学研究的重要平台。其中，空间材料科学实验作为一项重要的研究领域，正在为人类带来前所未有的材料革命。

太空：材料科学的新舞台

在地球上，受重力影响，材料在熔融凝固成型过程中会出现自发沉降，导致材料结构缺陷或纯度降低，从而影响其性能。然而，在太空微重力环境中，这一难题迎刃而解。科学家们发现，在太空微重力条件下，材料可以实现均匀受热和均匀凝固，有望制备出性能更加优越的材料。

从苏联和平号空间站开始，科学家就在空间站内引入了在轨熔炼载荷，并在微重力环境下获得了性能更为优异的材料样本。如今，在中国天宫空间站内，有两个材料科学领域的实验装置“无容器科学实验柜”和“高温材料科学实验柜”，正被科学家用于开展各种材料科学研究。

无容器科学实验柜

**无容器科学实验柜位于天和核心舱内，是最早进入太空的实验平台之一，部署在天和核心舱的顶部。**它通过静电悬浮技术，让实验样品在没有容器的情况下悬浮在腔体中间。这种无容器的环境，排除了外界对材料的影响，使得材料可以实现更高的温度和更大的过冷度，从而引发材料结构的一些独特性能的提升。

整个的实验过程非常神奇，激光器启动后，对样品可持续加热到2000度以上的高温，材料样本熔化后，周围的物态测量相机对其进行测量。加热结束后，小球快速冷却凝固，进入深过冷状态，之后，通过静电场控制回收。

在无容器科学实验柜中，科学家们已经开展了针对镍基高温材料和铌硅合金等关键材料的空间实验，铌硅合金还是新一代航空发动机的关键材料。这些实验成果不仅促进了高性能材料的研究和地面生产，更为未来的航空发动机等关键领域提供了有力的支撑。

高温材料科学实验柜

如果说无容器科学实验柜是研究材料物性的理想环境，那么高温材料科学实验柜则是在太空制备材料的“梦工厂”。这个实验柜的主体是高温炉，我们可以把它看作是“炼丹炉”，炉温可以高达1600摄氏度。在这里，科学家们可以开展各种新型材料的研究和制备。

科学家根据材料熔点或性质的不同，可以选装不同型号的高温炉。批量样品管理模块装载了16个样品盒，通过控制模块来完成每一个样品的实验，X射线透射成像设备可以让地面科学家实时观察实验进展情况。

高温材料科学实验柜支持研究的材料领域范围非常广泛，包括高温金属及合金材料、先进半导体材料、功能晶体材料、能源材料、生物材料、纳米材料以及地面上难以制备的新材料等。这些材料不仅与我们的日常生活息息相关，更在推动着人类社会的进步与发展。

太空实验：引领材料革命

通过天宫空间站上的空间材料科学实验，科学家们已经取得了一系列令人瞩目的成果。这些成果不仅揭示了太空微重力环境对材料制备的深远影响，更为未来的材料科学研究和应用提供了宝贵的经验和启示。

随着太空技术的不断进步和空间实验平台的不断完善，我们有理由相信，新材料领域的下一场革命正在太空时代悄然到来。未来的太空材料科学实验将更加注重多学科交叉和前沿技术的融合，推动材料科学向更高层次、更广领域发展。

太空中的空间材料科学实验是人类探索未知、追求创新的重要体现。它让我们看到了材料科学在太空这一全新环境中的无限可能，也让我们对未来充满了期待和憧憬。随着科学家们的不断努力和太空技术的不断进步，相信我们将会在未来的某一天，见证这场材料革命的到来。