走出自己的空間材料科學之路
中國科學院院士魏炳波
➤經過38年努力，特別是載人航天工程實施的32年來，在中國載人航天工程空間科學首席專家顧逸東院士的具體指導下，經過兩代人奮鬥，在我們選定的若干研究目標範圍內，取得了國際矚目的科技成果
➤我們團隊邊建設、邊研製、邊研究，從圖紙設計到零部件安裝、實驗設備調試都親自動手，所研製的實驗設備具有完全自主知識産權
➤要把在太空環境中做科研的優越性找出來，用以指導改進地面上的科研環境，這是更容易産生新質生産力的方面
文 |《瞭望》新聞周刊記者 扈永順
想讓戰鬥機的飛行性能更好，一方面是減輕飛機重量，另一方面是提高發動機性能，鈮合金能讓發動機耐更高溫，從而提升戰鬥機性能。但鈮屬於難熔金屬，熔點高達2468℃，冶煉中很難找到合適的容器，在鈮熔化前往往冶煉容器就先熔化了，以鈮合金為代表的難熔合金相關研究十分困難。
太空中擁有特殊的微重力環境，如果能在空間站中對飄浮的鈮合金進行激光加熱、熔化、冷卻、過冷和凝固等研究，就能很好地解決容器問題。
這一設想正在變為現實。西北工業大學魏炳波院士領導的空間材料科學與技術研究團隊，利用中國空間站無容器材料實驗櫃，成功獲取了難熔合金熔體的關鍵熱物理性質，在空間凝固製備方面取得了多項科學新發現，有力推動了難熔合金從地面研究向外太空研究的拓展。
中國科學院院士、中國載人航天工程空間材料科學首席科學家魏炳波向《瞭望》新聞周刊記者介紹，“跟歐美航天強國相比，我們的空間材料科學差距在於研究覆蓋面不如他們，但是我們有獨立自主的空間站，在我國選定的15到20種材料體系內，已經走到了世界空間材料科學的前沿。我們的研究要引領世界，還需要10～15年時間，剛好是我們空間站運營的10～15年內要實現的目標。”
我國空間站取得難熔合金研究重要成果
《瞭望》：研究空間材料科學的重大意義是什麼？我國空間材料科學是如何發展起來的？
魏炳波：空間材料科學是材料科學與空間技術相融合形成的一個交叉學科領域，主要研究內容是在外層空間以微重力、無容器、高真空和強輻射為特徵的超常環境中，探索各類材料的物理化學性質、相變過程規律、合成製備和加工成形原理及其最終服役性能。發展方向首先是利用外層空間的特殊環境條件進行材料科學研究，其次是為各類材料的空間應用奠定堅實的科學基礎。
載人航天在過去五十年中蓬勃發展，促進了空間材料科學的萌生和興起。縱觀世界各國研究歷程，這一材料科學分支起源於20世紀60年代的零星空間搭載實驗，經歷了七八十年代試圖建立空間材料加工廠的非理性階段，90年代進入理性而穩定的研究時期。美國通過航天飛機，在八九十年代做了大量的空間材料科學實驗。21世紀以來，美俄歐日多國聯合建立了“國際空間站”，成為繼蘇聯“和平號”空間站之後在軌運行的最大空間科學研究&&。
我國自1986年啟動863計劃以來,正式部署了空間材料科學研究。當時中國科學院物理研究所的陳熙琛先生是863計劃專家組的責任專家，負責空間材料科學研究的組織工作，研究團隊包括了中國科學院的物理所、金屬所、硅酸鹽所、半導體所、熱物理所、力學所、蘭州化物所等單位，以及我當時正攻讀博士學位的西北工業大學，還有哈爾濱工業大學、北京航空航天大學等幾所院校。同時，國家自然科學基金委也部署了空間材料科學的相關項目。
到了1992年，我國啟動載人航天工程，強力推動了空間材料科學的研究。空間材料科學研究隨着中國載人航天“三步走”戰略逐漸發展起來。
總的來看，經過38年的努力，特別是載人航天工程實施的32年來，在中國載人航天工程空間科學首席專家顧逸東院士的具體指導下，經過兩代人奮鬥，在我們選定的若干研究目標範圍內，取得了國際矚目的科技成果。例如，中國科學院硅酸鹽所劉學超研究員團隊做的多種功能晶體材料，蘭州化物所劉維民院士團隊做的摩擦潤滑材料，金屬所趙九洲研究員團隊做的相分離材料，還有西北工業大學團隊做的多元合金的空間快速凝固等。我們在這些研究方面已經走到了世界前沿，有一些起到了引領作用。但歐美等航天強國起步早、研究覆蓋面廣，相比之下，我們的空間材料科學研究還要努力做強做大。
《瞭望》：今年你帶領團隊發表了一系列在中國空間站進行的空間材料科學研究論文，這些研究有哪些突破？
魏炳波：相對固相而言，液相和氣相對空間環境條件更為敏感，因此各類材料的液態結構與性質、液相和氣相運動規律、液固和氣固相變動力學以及材料成形過程調控機理一直是空間材料科學研究的主要任務。在中國載人航天工程空間應用項目和國家自然科學基金基礎科學中心項目共同支持下，我們空間材料科學與技術研究團隊借助中國空間站，成功完成了難熔合金微重力條件下的液態性質測定與快速凝固等重要實驗，並取得了五方面成果：
第一，難熔合金液態性質的精確測定。微重力環境下，懸浮合金熔體呈現完美的球形。在此基礎上，我們精確測定了從超高溫到極端深過冷溫度範圍內液態鈮合金、鋯合金的密度、熱輻比等材料製備必不可少的關鍵物理性質。
第二，合金錶面形核控制。液態合金在小過冷條件下，表面出現多點形核，凝固呈球形。而在大過冷條件下，表面的單點形核導致凝固偏離球形。通過調控形核點數量與位置，為合金材料的形態控制提供了新的思路。
第三，微重力環境下合金錶面結構調控。在微重力條件下，利用靜電場，通過激勵合金熔體，在表面形成周期性波紋結構和特殊的渦旋組織，這為調控表面組織結構提供了新的方法。
第四，液滴表面凝固收縮。我們發現微重力凝固後的縮孔具有特定規律。通過調控凝固收縮動力學過程，可以獲得不同的縮孔分佈形態，從而減小縮孔對合金組織性能的影響。
第五，共晶合金的“解耦”生長。共晶合金的特徵在於耦合生長，然而，在中國空間站開展的難熔鈮合金凝固實驗中，我們驚奇地發現，鈮和鈮硅化合物原本共晶的兩相，可以“解耦”生長。這一發現揭示了材料調控的新路徑，預示着在太空環境中可以製備更高性能的合金材料。
“地面畫龍 太空點睛”發展空間材料科學
《瞭望》：你留學回國後是如何帶領團隊進行“地面畫龍 太空點睛”空間材料科學研究的？
魏炳波：空間材料科學研究有兩條技術路線：一是採用空間站、航天飛機和宇宙飛船等航天飛行器進行真實的空間科學實驗；二是通過自由落體、懸浮技術和高強物理場等倣真手段進行地面模擬實驗。制約這一學科領域發展的主要矛盾在於：材料科學是一門與工程技術密切結合的實驗科學，必須開展大量系統的空間科學實驗。但是空間實驗不僅受制於高昂的成本，而且飛行搭載機會有限。因此，地面模擬畫龍、空間實驗點睛，也許是空間材料科學發展的優化途徑。
1992年我回國後，用了30年時間研製了5&實驗裝備，利用這些實驗裝備我們基本上可以系統地在地面上用電磁懸浮、氣動懸浮、靜電懸浮、超聲懸浮，還有金屬熔體自由落體5種方式，創造了一些太空倣真條件。我們團隊邊建設、邊研製、邊研究，從圖紙設計到零部件安裝、實驗設備調試都親自動手，所研製的實驗設備具有完全自主知識産權。
《瞭望》：當前正在太空開展實驗的靜電懸浮實驗系統，其工作原理是什麼？
魏炳波：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，從而實現無容器狀態。它可適用的材料種類廣泛，只要樣品産生了足夠多的電荷量就可實現懸浮，而且材料可在真空環境中保持穩定懸浮狀態，避免了介質的影響。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環境中實現無容器熔化和凝固，從而使材料熔體易於獲得深過冷，便於對過冷態物理化學性質和凝固過程進行實時原位測定。
空間站靜電懸浮相較於地面靜電懸浮，不需要克服重力，僅需控制樣品位置，其原理是根據樣品位置變化，調控樣品庫侖力的大小和方向，使之動態“定位”於設定的位置。與地面實驗相比，所需要的電壓更小，對樣品的干擾遠小於地面實驗，進而提供更理想的科學實驗條件，例如微重力條件下，液態樣品更圓，樣品的振蕩更理想。
走出自己的空間材料科學之路
《瞭望》：未來我國材料科學的發展方向是什麼？
魏炳波：我國已經成為材料科學大國、材料産業大國。隨着人類對深空、深海、深地的科學探測，極大地拓展了材料的應用空間範疇和合成製備與成形加工的環境邊界。
第一，在深空方面，通過載人航天，我們在外層空間近地軌道形成了一個矩陣，如果一直沿着空間這條線下去，就是從空間站走向深空探測、月球甚至走得更遠。深空面臨高輻射等極端環境，這為空間材料科學的發展帶來新的問題。在我國空間站10～15年的運營期裏面，我們要做出更有影響力的真正原創性的材料科學與工程方面成果。
第二，在深海方面，隨着深海探測技術的進步，我們能夠在深海高壓和高腐蝕性的環境中進行科學研究和資源開發。這要求材料不僅要能承受極高的水壓，還要具備優異的耐腐蝕性能。我國在深海材料領域的研究將進一步推動海洋工程和海洋資源開發，提供更加安全可靠的材料支持。
第三，在深地方面，科學探測和資源開採使我們能夠深入地球內部，這種探測和開採活動要求材料能夠在高溫、高壓和強腐蝕性的環境中長時間穩定工作。發展適應深地極端環境的材料，不僅對地質學和礦産資源開採有重要意義，也對核能、地熱能等新型能源的開發提供了材料保障。
《瞭望》：如何發揮中國空間站最大作用，推動我國材料科學研究世界領先？
魏炳波：我國經多年努力迎來自己的空間站時代，這為空間材料科學的發展開闢了更加廣闊的前景。發揮中國空間站的最大作用，需要兩條腿走路，要在空間站做兩種科研。
第一種科研是實驗環境在地面上模擬不出來，需要到空間站內研究的空間科學問題。例如馬蘭戈尼對流、流體靜壓力消失等，這些現象在微重力條件下表現出與地面實驗完全不同的特性。這些研究有助於我們理解和控制流體行為、晶體生長過程，從而開發出在地面上無法實現的新材料和新工藝。通過在空間站上的實驗，我們可以獲得在地面上無法實現的精準數據，為新材料的開發提供寶貴的理論基礎。但要實現空間科學研究的重大突破很難，因為現在已經沒有科研無人區，我們做得更多的是在前人發現基礎上的擴展。
第二種科研是天上可以做，地上也可以做的科研，但要把在太空環境中做科研的優越性找出來，用以指導改進地面上的科研環境。例如在極端特殊的空間環境裏邊，我們找到解決材料合成、流體力學、生命科學技術的核心問題，反過來指導地面科研，這是更容易産生新質生産力的方面。在空間站未來10～15年的運營期內，我更寄希望於這種科研模式。□