我國空間站難熔合金研究取得多項新發現

記者4日從中國科學院空間應用工程與技術中心獲悉，西北工業大學魏炳波院士團隊在中國空間站開展的高性能難熔合金研究近期成功取得了多項空間材料凝固制備科學新發現，獲取了難熔合金熔體的關鍵熱物理性質，有力推動了難熔合金從地面研究向外太空研究的拓展，為我國空間材料科學理論研究、新型高性能的難熔合金材料制備等提供了重要基礎。相關成果發表于《先進材料》等國際學術期刊。

高性能難熔合金是戰略性、特種稀有金屬材料，熔點通常超過2000攝氏度，具有“超高溫、高活性”等特征，在高溫下具有良好的熱學、力學服役性能，因此常被用于制造高溫、高速、高壓等關鍵部件。但在地面環境下的難熔合金研究長期受重力、容器等條件制約，難熔合金液態性質的精確測定與快速凝固合成制備存在困難，中國空間站無容器材料實驗柜提供的“無容器+長時微重力”環境，為高性能難熔合金研究另辟蹊徑。

中國科學院空間應用中心研究員、應用發展中心主任張偉介紹：“無容器材料實驗柜是天和核心艙內三大科學實驗柜之一，利用靜電場所提供的電場力，使材料樣品在真空環境中保持穩定懸浮狀態，避免了與容器壁接觸的影響，加熱溫度可達3000攝氏度，可進行金屬、非金屬等無容器深過冷凝固和熱物理性研究。”

2021年4月以來，魏炳波院士團隊制備的10余種數百個高性能難熔合金樣品，通過核心艙和天舟貨運飛船上行后，先后在中國空間站無容器材料實驗柜進行了6批次在軌實驗，成功完成了難熔合金微重力條件下的靜電懸浮、加熱熔化、降溫、過冷、凝固、熱物理性質測定等重要實驗，4批次難熔合金已搭乘神舟飛船返回地面。

“中國空間站提供了出色而穩定的微重力環境，我們通過對最早一批返回的鈮合金、鋯合金、鈦合金開展研究，獲取了超高溫狀態下難熔合金的液態密度、熱膨脹系數、熱輻比等關鍵性質，發現了一系列有重要科學價值的新成果，多個研究成果發表在材料領域重要期刊上。”團隊骨干成員、西北工業大學物理科學與技術學院教授王海鵬說。

“這些成果主要包括，發現了微重力液滴凝固的渦旋型特殊組織結構，闡明了微重力凝固收縮的動力學規律，揭示了微重力和無容器共同作用下共晶合金解耦生長的內在機理，實現了太空環境凝固合金的微觀組織與宏觀形態的雙調控等。”王海鵬說，未來團隊正在計劃開展自然界中熔點溫度最高的金屬鎢及其合金的太空環境合成研究，這將成為空間難熔合金材料研究的新高地。