中國空間站天和核心艙已在軌穩(wěn)定運(yùn)行3年，期間，我校物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院魏炳波院士團(tuán)隊(duì)制備的10余種數(shù)百個(gè)高性能難熔合金樣品先后在空間站無容器材料試驗(yàn)柜中進(jìn)行了6批次在軌實(shí)驗(yàn)，獲得了大量關(guān)鍵科學(xué)數(shù)據(jù)，有望為探索新材料提供指導(dǎo)，相關(guān)空間材料科學(xué)領(lǐng)域成果獲得央視新聞、新華社、《瞭望》新聞周刊等媒體密切關(guān)注。
央視新聞具體報(bào)道如下：
目前，在中國空間站內(nèi)，部署了科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜等具有國際領(lǐng)先水平的空間科學(xué)研究與應(yīng)用設(shè)施，能夠在軌支持空間生命科學(xué)與生物技術(shù)、空間材料科學(xué)、微重力基礎(chǔ)物理、微重力流體物理等諸多領(lǐng)域的研究與應(yīng)用，中國空間站正在成為我國當(dāng)前覆蓋學(xué)科領(lǐng)域最全、在軌支持能力最強(qiáng)，且兼?zhèn)溆腥藚⑴c和上下行運(yùn)輸?shù)泉?dú)特優(yōu)勢的“國家太空實(shí)驗(yàn)室”，各類空間科學(xué)與應(yīng)用研究有序展開。
近日，由西北工業(yè)大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)主導(dǎo)的超高溫合金材料研究取得新進(jìn)展，研究團(tuán)隊(duì)通過中國空間站提供的微重力環(huán)境獲得了材料的關(guān)鍵物理特性，實(shí)現(xiàn)了難熔合金微觀組織結(jié)構(gòu)與宏觀形態(tài)的雙調(diào)控。
據(jù)介紹，研究團(tuán)隊(duì)選取的實(shí)驗(yàn)材料為鈮合金，從2021年9月開始，樣品分三批，隨天舟三號(hào)、天舟四號(hào)、天舟五號(hào)貨運(yùn)飛船進(jìn)入中國空間站開展空間材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)。在航天員的協(xié)助下，研究團(tuán)隊(duì)成功完成了材料在微重力條件下的加熱、熔化、降溫、過冷、凝固以及熱物理性質(zhì)測定等重要實(shí)驗(yàn)。
鈮是一種難熔金屬，其熔點(diǎn)高達(dá)2400多攝氏度。鈮合金材料具有塑性好，加工和焊接性能優(yōu)良等特點(diǎn)，可用作航天和航空工業(yè)的熱防護(hù)和結(jié)構(gòu)材料，因而被認(rèn)為是下一代火箭和航空發(fā)動(dòng)機(jī)的重要備選材料。
不過，在地面環(huán)境下，要對其兩千多攝氏度的熔體開展物理特性的研究十分困難，連實(shí)驗(yàn)容器都很難找到。而中國空間站的無容器材料實(shí)驗(yàn)柜剛好能夠提供無容器和微重力環(huán)境的絕佳實(shí)驗(yàn)條件，也為研究人員獲取其物理特性提供了可能。
鋯合金在軌凝固實(shí)驗(yàn)取得科學(xué)新發(fā)現(xiàn)
除了對超高溫合金材料開展研究外，研究團(tuán)隊(duì)還在中國空間站所提供的微重力環(huán)境下，對鋯合金材料開展了在軌凝固實(shí)驗(yàn)，同樣取得了重要發(fā)現(xiàn)。
鋯合金具有耐腐蝕性和生物相容性，通常在核技術(shù)及醫(yī)學(xué)植入領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。此前，鋯合金的36個(gè)實(shí)驗(yàn)樣品，通過天舟三號(hào)貨運(yùn)飛船送入中國空間站，借助微重力環(huán)境，研究團(tuán)隊(duì)得到了不同于地面的材料內(nèi)部溫度場和流場分布，并觀察到特殊的表面組織結(jié)構(gòu)。
據(jù)介紹，鋯合金固體狀態(tài)和液體狀態(tài)間存在密度差，通常凝固后會(huì)出現(xiàn)收縮與縮孔，這也是該專業(yè)領(lǐng)域普遍受到關(guān)注的研究方向。此次在微重力環(huán)境下得到的表面渦旋組織結(jié)構(gòu)，是此前在地面條件下從未發(fā)現(xiàn)過的現(xiàn)象，將對進(jìn)一步了解材料特性，拓展材料應(yīng)用提供新的可能。
科研團(tuán)隊(duì)利用中國空間站，共對6種合金材料開展了上百次實(shí)驗(yàn)，未來還將計(jì)劃對其他材料，尤其是瞄準(zhǔn)國家重大需求的新型功能晶體、特種材料等開展相關(guān)空間研究。
同期，魏炳波院士的最新研究成果也被新華社專題報(bào)道，內(nèi)容如下：
新華社西安7月3日電 記者3日從中國科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心了解到，西北工業(yè)大學(xué)魏炳波院士團(tuán)隊(duì)在中國空間站開展的高性能難熔合金研究，近期成功獲取難熔合金熔體的關(guān)鍵熱物理性質(zhì)，在空間凝固制備方面取得多項(xiàng)科學(xué)新發(fā)現(xiàn)，為我國空間材料科學(xué)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(chǔ)，相關(guān)成果已發(fā)表于《先進(jìn)材料》等國際學(xué)術(shù)期刊。
高性能難熔合金是特種稀有金屬材料，具有“超高溫、高活性”等特征，但地面環(huán)境中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(tài)性質(zhì)的精確測定與快速凝固合成制備存在困難。
2021年4月29日，無容器材料實(shí)驗(yàn)柜隨天和核心艙發(fā)射升空。中國科學(xué)院空間應(yīng)用中心研究員、應(yīng)用發(fā)展中心主任張偉說：“實(shí)驗(yàn)柜利用靜電場所提供的電場力，使材料樣品在真空環(huán)境中保持穩(wěn)定懸浮狀態(tài)，避免與容器壁接觸的影響，可進(jìn)行金屬、非金屬等無容器深過冷凝固和熱物理性研究。”
自2021年4月以來，魏炳波院士團(tuán)隊(duì)制備的10余種數(shù)百個(gè)高性能難熔合金樣品，先后在中國空間站無容器材料實(shí)驗(yàn)柜進(jìn)行6批次在軌實(shí)驗(yàn)，成功完成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(zhì)測定等重要實(shí)驗(yàn)。
“我們發(fā)現(xiàn)了一系列新成果，主要包括發(fā)現(xiàn)了微重力液滴凝固的渦旋型特殊組織結(jié)構(gòu)，闡明了微重力凝固收縮的動(dòng)力學(xué)規(guī)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(nèi)在機(jī)理，實(shí)現(xiàn)了太空環(huán)境凝固合金的微觀組織與宏觀形態(tài)的雙調(diào)控等。”西北工業(yè)大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院教授王海鵬說。
我國空間材料科學(xué)研究始于1986年，中國空間站的全面建成為空間材料科學(xué)的發(fā)展開辟了更加廣闊的前景。中國載人航天工程空間材料科學(xué)領(lǐng)域首席科學(xué)家魏炳波院士說：“未來我們一定會(huì)取得更多的國際領(lǐng)先成果，利用空間環(huán)境的特殊性制備或合成出新材料，并轉(zhuǎn)化為新質(zhì)生產(chǎn)力，更好服務(wù)于科技強(qiáng)國建設(shè)。”
同時(shí)，作為中國載人航天工程空間材料科學(xué)首席科學(xué)家，魏炳波院士在接受《瞭望》新聞周刊專訪時(shí)對青年人才成長發(fā)表了自己的見解。
他表示，不同的學(xué)科，不同的領(lǐng)域，有不同的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，需要不同的尺子衡量各個(gè)領(lǐng)域與人才。
魏炳波建議青年科技工作者在成長過程中，首先要立志，有雄心壯志；第二，有腳踏實(shí)地的精神，愿意付出血汗；第三，把自己的志向跟國家和民族的需求結(jié)合在一起，只有把個(gè)人的事業(yè)置于國家的重大需求里，才可能通過奮斗，一步一步實(shí)現(xiàn)個(gè)人目標(biāo)，為國家的發(fā)展富強(qiáng)貢獻(xiàn)一份力量，同時(shí)自己獲得成長。
未來，魏炳波院士團(tuán)隊(duì)的空間材料科學(xué)研究將在中國空間站繼續(xù)深入推進(jìn)，西工大科研工作者們也將繼續(xù)面向國家重大戰(zhàn)略需求，昂首闊步、奮勇爭先，為實(shí)現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)貢獻(xiàn)西工大力量。
（來源：央視新聞、新華社、瞭望；整理：潘子祺；審核：翟薇、馬西平）
