即將發(fā)射的“天宮二號(hào)”空間實(shí)驗(yàn)室，是一個(gè)真正意義上的空間實(shí)驗(yàn)室，將開展10余項(xiàng)空間科學(xué)與應(yīng)用項(xiàng)目，是載人航天歷次任務(wù)中應(yīng)用項(xiàng)目最多的一次。涉及微重力流體物理、空間材料科學(xué)、空間生命科學(xué)、空間天文探測(cè)、空間環(huán)境監(jiān)測(cè)、對(duì)地觀測(cè)及地球科學(xué)研究以及新技術(shù)試驗(yàn)等多個(gè)領(lǐng)域。中國(guó)科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心代表中國(guó)科學(xué)院牽頭負(fù)責(zé)載人航天等重大科技工程空間應(yīng)用系統(tǒng)方面的任務(wù)規(guī)劃、總體管理和技術(shù)集成工作,負(fù)責(zé)所有科學(xué)應(yīng)用載荷的系統(tǒng)集成、地面測(cè)試和在軌運(yùn)控、成果推廣等任務(wù)。關(guān)于“天宮二號(hào)”的各項(xiàng)高精尖裝備，接下來(lái)的一段時(shí)間里，科學(xué)大院將一一為大家介紹。今天我們要介紹的，是綜合材料實(shí)驗(yàn)平臺(tái)將要制備和測(cè)量的18種高科技材料。

即將發(fā)射的“天宮二號(hào)”太空實(shí)驗(yàn)室史無(wú)前例地承載了10余項(xiàng)太空實(shí)驗(yàn)，其中好比科幻英雄的“綜合材料”實(shí)驗(yàn)就藏在其中。

那么這個(gè)“綜合材料實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”是怎么回事呢？我們先從這個(gè)平臺(tái)將要實(shí)驗(yàn)的材料聊起，花樣多多，可要做好心理準(zhǔn)備呀~

那些未來(lái)世界的“英雄材料”

本次“綜合材料實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”共配有18個(gè)樣品材料（12個(gè)實(shí)驗(yàn)樣品，6個(gè)熱物性測(cè)量樣品），每次制備或測(cè)量6個(gè)樣品，分三批進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

為了方便大家記憶，這里我們根據(jù)材料的特點(diǎn)和漫威人物對(duì)應(yīng)了起來(lái)，雖然性能不會(huì)非常一致，但力求有相關(guān)性，希望你們喜歡~

多晶碲化鋅(ZnTe)：

這種太赫茲材料未來(lái)將幫助我們實(shí)現(xiàn)建造更為高效且靈敏的外太空探測(cè)器的夢(mèng)想。

銀盤俠：光溜溜的沖浪板和光溜溜的我，光溜溜的我從光溜溜的沖浪板里冒出來(lái)~

在“天宮二號(hào)”空間實(shí)驗(yàn)室，通過(guò)“碲溶劑法”用綜合材料實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行微重力下ZnTe:Cu晶體生長(zhǎng)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)。

探索微重力下生長(zhǎng)晶體的組分分布均勻性、缺陷濃度，研究揭示微重力下“碲溶劑法”生長(zhǎng)高質(zhì)量晶體的過(guò)程和機(jī)制，用以有效地指導(dǎo)地面晶體生長(zhǎng)，提高材料質(zhì)量，也為空間材料加工積累經(jīng)驗(yàn)。

目標(biāo)是在“天宮二號(hào)”上完成晶體生長(zhǎng)的實(shí)驗(yàn)，以期獲得組分更為均勻、缺陷濃度低的晶體樣品。

介孔基納米復(fù)合材料：

期待更加完美的光通信材料。

雷神：看我胳膊上的大小一致還閃閃發(fā)光的鎧甲，是不是很有科技感，如果是納米科技的就更給力啦~

在微重力下，通過(guò)對(duì)組裝有納米顆粒的有序介孔復(fù)合材料（Au/m-SiO2）進(jìn)行高溫處理，制備一類第二相納米粒子尺寸一致且高度分散的、具有增強(qiáng)的非線性光學(xué)響應(yīng)性能的新型納米復(fù)合材料；通過(guò)地基與空間合成材料的實(shí)驗(yàn)對(duì)比及理論分析，揭示材料顯微結(jié)構(gòu)與非線性光學(xué)響應(yīng)之間的關(guān)系。

組元復(fù)相合金：

1+1+1>3，更輕更小運(yùn)行速度更快的電子設(shè)備是不是很值得期待呢？

三人組：要要切克鬧，我們都穿紅色不過(guò)款式不一樣~小蟲的胸口有只八腳怪，DD的胸口是DD，DP喜歡紅黑兩眼銀光~要要切克鬧，煎餅果子來(lái)三套~

采用合金化結(jié)合摻雜的方法，如三元體系（Bi-Te-Se和Bi-Te-Sb）和四元體系（Bi-Te-Se-I），可以增強(qiáng)聲子散射，降低晶格熱導(dǎo)，優(yōu)化載流子濃度，提高功率因子，從而提高其熱電優(yōu)值（ZT值），為較大幅度提高熱電材料的性能和轉(zhuǎn)換效率提供科學(xué)依據(jù)，為進(jìn)一步提高我國(guó)材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)水平和實(shí)驗(yàn)裝置的研制能力提供技術(shù)積累。

單晶金屬合金：

更輕更硬更完美的未來(lái)合金材料。

魔形女：你喜歡什么類型的女生？我給你變啊~

在空間和地面同樣工藝條件下開展Al-Cu-Mg（鋁-銅-鎂）單晶合金的定向凝固生長(zhǎng)實(shí)驗(yàn)，對(duì)比研究重力和微重力條件下Al-Cu-Mg（鋁-銅-鎂）單晶合金凝固微觀組織的差異，分析微重力對(duì)枝晶形態(tài)、元素偏析以及疏松、雜晶和雀斑等的影響及相關(guān)規(guī)律。

閃爍材料：

沒(méi)有它，骨科醫(yī)生可再也看不到X光的片子了。

X教授：顫抖吧渺小的人類，你們?cè)谖抑髂X里面不過(guò)是一些亮光~

借助“天宮二號(hào)”提供的晶體生長(zhǎng)平臺(tái)進(jìn)行空間晶體生長(zhǎng)，重點(diǎn)研究微重力與晶體組分分凝的關(guān)系。探索空間微重力條件下固熔體晶體的組分分凝的特點(diǎn)，研究摻雜CsI晶體中摻雜離子分布均勻性與微重力條件的關(guān)系。

摻雜CsI晶體很早以前便在工業(yè)中獲得了大規(guī)模的應(yīng)用，但是晶體生長(zhǎng)過(guò)程中由于組分分凝而導(dǎo)致的發(fā)光等性能的不均勻性一致還沒(méi)有完全解決。

新型金屬基復(fù)合材料：

古代十八般武器中要是有了這種材料，肯定牛上天了！

金剛狼：在人體實(shí)驗(yàn)的時(shí)候，把融化的艾德曼金屬注入到身體里，然后讓它凝固的時(shí)候真是痛死了！不過(guò)新爪子不錯(cuò)~

在微重力下，進(jìn)行SiC/Zr-基合金新型復(fù)合材料的形成與凝固過(guò)程研究及潤(rùn)濕性和液/固界面原子交互作用研究，探索重力作用對(duì)金屬基復(fù)合材料制備的影響機(jī)理，促進(jìn)材料科學(xué)的發(fā)展和新型復(fù)合材料的實(shí)際應(yīng)用。

鐵電薄膜紅外焦平面列陣：

用熱成像看清世界的每一絲細(xì)節(jié)。

美國(guó)隊(duì)長(zhǎng)：自從用上了外延生長(zhǎng)技術(shù)，我的盾牌從此也光溜溜的反光了！快看我的盾牌！噠啦~

通過(guò)地基、空間對(duì)比研究，揭示sol-gel鐵電薄膜外延生長(zhǎng)的機(jī)制，建立鐵電薄膜外延生長(zhǎng)的工藝，生長(zhǎng)出具有優(yōu)良熱釋電特性的鐵電薄膜材料，為研制性能良好的非制冷紅外焦平面提供可靠的材料基礎(chǔ)。

紅外探測(cè)器材料：

未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)的“千里眼”。

獵鷹：實(shí)不相瞞，高科技偵查眼鏡幫了我很大的忙，但還是被蟻人捉弄的不輕…唉，心累…

在空間微重力條件下，采用改進(jìn)的“布里奇曼法”生長(zhǎng)紅外探測(cè)器材料InTeSb；

利用微重力條件下浮力對(duì)流消失的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)配比及組分均勻的高質(zhì)量InTeSb單晶制備；

研究空間微重力環(huán)境下特有的材料生長(zhǎng)現(xiàn)象及規(guī)律，特別是探索利用非接觸生長(zhǎng)降低材料缺陷濃度的可行性；

通過(guò)地面模擬空間微重力實(shí)驗(yàn)條件，為地基制備高質(zhì)量的紅外探測(cè)器材料InTeSb奠定基礎(chǔ)。

磁性半導(dǎo)體：

小小自旋，翻轉(zhuǎn)天地——未來(lái)自旋電子器件。

萬(wàn)磁王：有磁的地方就有我萬(wàn)磁王，膜拜吧人類們！

通過(guò)本次搭載實(shí)驗(yàn)，制備Mn（錳）組分均勻分布的InMnSb晶體材料，探索錳離子在InSb基質(zhì)材料晶格中的占位情況及分布規(guī)律，了解錳的組分均勻性和材料磁性質(zhì)之間的關(guān)系，獲得InMnSb材料生長(zhǎng)的規(guī)律性技術(shù)參數(shù)。

高性能熱電半導(dǎo)體：

新一代的控溫大師。

霹靂火：我不想玩火了，我的女朋友說(shuō)她喜歡來(lái)電的感覺(jué)！

本次實(shí)驗(yàn)，除了要揭示多組元（Bi2Te3-Sb2Te3-Te）晶體生長(zhǎng)過(guò)程中溶質(zhì)輸運(yùn)的內(nèi)在規(guī)律，還要重點(diǎn)研究熱電材料組分（如碲Te）變化對(duì)材料熱電協(xié)同（電導(dǎo)率、載流子濃度、塞貝克和熱導(dǎo)率等）輸運(yùn)關(guān)聯(lián)性的影響，這是一項(xiàng)具有一定的先進(jìn)性和前沿性的實(shí)驗(yàn)。

偏晶合金空間定向凝固：

一言不合，換個(gè)模式凍起來(lái)。

冰人：定向凝固？你找專家啊~我就是專家，一萬(wàn)美元給你演示一次~

難混溶合金所具有的特殊的力學(xué)和物理性能及其在工業(yè)上的應(yīng)用前景越來(lái)越受到人們關(guān)注。

長(zhǎng)期以來(lái)，材料科學(xué)家致力于偏晶合金的凝固過(guò)程研究，期望能通過(guò)使用合理的凝固方法和優(yōu)化的凝固過(guò)程工藝參數(shù)，獲取具有理想凝固組織的偏晶合金材料，滿足工業(yè)需求。

材料制備實(shí)驗(yàn)裝置分析實(shí)驗(yàn)和模型研究：

上面提到的材料沒(méi)有我進(jìn)行熱平衡，材料寶寶們都會(huì)夭折在搖籃里哦。

鋼鐵俠：早就說(shuō)要你好好學(xué)習(xí)，看，又要麻煩我?guī)湍惴治�！收費(fèi)兩萬(wàn)美元。

通過(guò)空間和地面材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的溫度測(cè)量，結(jié)合數(shù)值仿真計(jì)算，建立空間和地面材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置傳熱特性分析的數(shù)值仿真計(jì)算模型。

基于已建立的空間和地面材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置傳熱特性分析的仿真計(jì)算模型，通過(guò)數(shù)值計(jì)算，從實(shí)驗(yàn)裝置的熱設(shè)計(jì)、樣品安瓿的熱設(shè)計(jì)、樣品制備加熱方案的優(yōu)化等方面入手，建立地面樣品模擬空間樣品熱環(huán)境的方法。

要想在“天宮二號(hào)”上成功做實(shí)驗(yàn)，光有材料可不行，還需要有承載實(shí)驗(yàn)的設(shè)備，這就不得不說(shuō)說(shuō)這個(gè)“綜合材料實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”的結(jié)構(gòu)組成。

千錘百煉的“爐子”

整個(gè)“綜合材料實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”分為三部分，裝置主體為材料實(shí)驗(yàn)爐（沒(méi)錯(cuò)，是個(gè)爐子，每次可以制備或測(cè)試6個(gè)樣品），除此之外，還有電控箱（用以精確控制實(shí)驗(yàn)爐工作）和樣品袋（內(nèi)裝有12只安瓿，安瓿是一種密封的樣品管，內(nèi)含需要制備或測(cè)試的材料，實(shí)驗(yàn)爐本身已預(yù)裝了6種樣品材料，再加上這12只安瓿里的材料，就是我們上面提到的18種材料嘍）。

整個(gè)裝置共約27.6kg重，最大功耗不到200kW，溫控范圍500℃至950℃（真空）/720℃（非真空），溫度穩(wěn)定程度為±0.5℃，能很好地滿足實(shí)驗(yàn)需求。

同時(shí)，它具備人機(jī)工效學(xué)設(shè)計(jì)，將首次實(shí)現(xiàn)我國(guó)有人在軌參與的空間材料實(shí)驗(yàn)操作。

整個(gè)裝置從設(shè)計(jì)到最后確定技術(shù)指標(biāo)總共經(jīng)歷了33個(gè)月（2013年10月至2016年6月），材料爐主體的前后共經(jīng)歷了60次修改最終才敲定，而看似最簡(jiǎn)單的樣品袋則經(jīng)過(guò)測(cè)試-重新設(shè)計(jì)了14次（最終樣品袋中裝安瓿瓶的袋口被設(shè)計(jì)為喇叭口形，這是需要多精心設(shè)計(jì)才能注意到的細(xì)節(jié)啊…）。

為了確保實(shí)驗(yàn)裝置在太空中可以正常工作，所有的單件都需要經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的測(cè)試，而對(duì)于材料爐主體和電控箱的測(cè)試更是需要經(jīng)過(guò)振動(dòng)、密封、熱循環(huán)（老煉）檢測(cè)以及沖擊等嚴(yán)格測(cè)試，以模擬從升天到進(jìn)入太空的各種苛刻的環(huán)境（樣品袋不進(jìn)行熱循環(huán)檢測(cè)）。

總之，該裝置凝聚了研究人員多年的心血才最終成功設(shè)計(jì)制作完成，是真正意義上的千錘百煉。

如果要用一句話來(lái)總結(jié)的話，“綜合材料實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”本質(zhì)其實(shí)就是一個(gè)爐子，科學(xué)大院（ID：kexuedayuan）明天將會(huì)詳細(xì)介紹它，不要錯(cuò)過(guò)哦~

“科學(xué)大家庭”群像

說(shuō)了這么多，其實(shí)這些英雄材料在太空中的日子少不了整體平臺(tái)的支持。

什么樣的伐木累才能hold住這么一群有著洪荒之力的材料英雄們呢？

下面一一介紹。

中科院空間應(yīng)用中心作為空間應(yīng)用系統(tǒng)總體部，對(duì)12項(xiàng)太空實(shí)驗(yàn)設(shè)備結(jié)構(gòu)、熱控、系統(tǒng)設(shè)計(jì)及研發(fā)，空間電子學(xué)、空間計(jì)算機(jī)和空間信息工程方面全系統(tǒng)提供技術(shù)支持，保障實(shí)驗(yàn)進(jìn)行過(guò)程中“機(jī)、電、熱”穩(wěn)穩(wěn)的進(jìn)行。

綜合材料實(shí)驗(yàn)是由中科院物理所和中科院上海硅酸鹽所共同牽頭負(fù)責(zé)，和院內(nèi)外6個(gè)研究所和大學(xué)共同承擔(dān)的材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。

其中，物理所作為該項(xiàng)目的行政指揮與主任設(shè)計(jì)師單位，主要負(fù)責(zé)項(xiàng)目空間實(shí)驗(yàn)的總體技術(shù)與科學(xué)研究?jī)?nèi)容實(shí)現(xiàn)的總體設(shè)計(jì)、任務(wù)的組織與調(diào)度、實(shí)驗(yàn)裝置與科學(xué)實(shí)驗(yàn)樣品的系統(tǒng)集成與地面試驗(yàn)等工作。

上海硅酸鹽所作為行政副指揮和副主任設(shè)計(jì)師單位，主要負(fù)責(zé)空間實(shí)驗(yàn)方案的技術(shù)實(shí)現(xiàn)、空間裝置的研制，項(xiàng)目的質(zhì)量管理，與物理所一起共同組織實(shí)驗(yàn)裝置與科學(xué)實(shí)驗(yàn)樣品的系統(tǒng)集成和地面試驗(yàn)等工作。承擔(dān)項(xiàng)目的裝置研制和科學(xué)實(shí)驗(yàn)任務(wù)的單位還有航天科技集團(tuán)510所，西北工業(yè)大學(xué)，中科院國(guó)家空間科學(xué)中心、上海技術(shù)物理研究所、上硅所、半導(dǎo)體所和金屬所。

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