4月29日上午，“天和”核心舱成功发射升空。“天和”是我国迄今为止最重的航天器，长16.6米、直径4.2米、重达22.5吨。而到2022年，“问天”实验舱和“梦天”实验舱将发射。届时，“天和”核心舱和“问天”“梦天”两个实验舱将组成T型的中国空间站——“天宫”空间站，特别是到2024年有望成为全世界唯一在轨运行的空间站。

也就是说，不久的将来，部分实验将只能在我们中国的空间站里做，全球独一份！

那么，为什么要去太空里做实验呢？

因为在空间站是一个微重力环境。在微重力条件下，各种流体（气体、液体、 熔体）中的浮力对流、重力沉降、液体压力梯度等现象基本消失。此外，空间站外是一个非常好的极端条件环境，包括极热和极冷循环、 高真空、原子氧侵蚀、太阳紫外辐射和宇宙高能射线辐射等。这些条件，都是地球环境下很难模拟的。

空间站示意图（来自中国载人航天工程网）

对应的，空间材料科学领域一般是两个大的研究方向：在排除重力影响下研究材料的制备过程规律及材料的结构和性能变化；二是空间应用材料在高能粒子和紫外辐照、原子氧侵蚀、高低温交变循环等空间环境下的使役行为。 

尤其通过微重力环节下的研究，有望解释重力情况下上材料科学上存在的疑难问题，为改善材料性能和指导未来地面生产提供科学依据；并且获得在地面用传统方法不能制备或合成的新型材料等。

可以做什么实验？

具体哪些实验，我们可以从《中国空间站科学实验资源手册》中对科学实验柜的介绍中了解到。

空间站的空间材料科学方向主要支持的研究内容有：生长（凝固）界面稳定性与缺陷控制，过冷、形核与晶体生长过程，相分离与聚集行为， 高性能材料空间制备及工艺研究，熔体物理性质测量与研究，材料在空间环境下的行为特性研究以及其他适于在空间站上开展的空间材料科学实验。

空间站核心舱、实验舱Ⅰ和实验舱Ⅱ的密封舱内均配备了科学实验柜，包括12 个学科方向实验柜和 4个共用支持实验柜。实验舱I和实验舱II外配备了暴露实验平台。其中，材料学科实验柜有2个：高温材料科学实验柜、无容器材料实验柜，材料暴露实验平台有1个。

高温材料科学实验柜

高温材料科学实验柜支持的研究主题有：微重力下材料制备过程机理 研究、重要应用背景材料制备与研究，及其它相关材料实验研究。 高温材料科学实验柜支持开展金属合金、半导体光电子材料、纳米和介孔材料、无机功能材料等多种类别材料的熔体生长和凝固科学实验。高温材料科学实验柜的系统组成如图所示，主要由高温炉模块、批量样品管理模块、X 射线实时观察模块和实验电控模块等组成。

无容器材料实验柜

本次随“天和”核心舱发射入轨的重大科学设施中就包括无容器材料实验柜！所以我们重点介绍一下这个“神兵利器”。

根据中科院之声微信公众号发布的推文介绍

“无容器是利用外界物理场产生的作用力来抵消物体的重力，从而使物体处于一个无接触、无容器的状态。无容器避免了坩埚等实验容器的器壁对材料表面的接触和污染，能够抑制异质形核（依附于液态金属中某些杂质质点或者某些面形核），获得深过冷（在很大过冷度下仍维持为液态）。空间的无容器还能消除地面重力引起的熔体形变和熔体密度分层，利于亚稳态材料和新型功能材料的开发制备，利于熔体材料参数测量。无容器技术对微重力环境下金属和非金属无容器深过冷凝固过程与机理研究、具有重大应用背景的新型功能材料制备研究、高温熔体的热物性精确测量研究具有重要意义。

无容器材料实验柜通过静电悬浮技术实现无容器材料科学实验，温度可达3000℃，可进行金属、非金属等无容器加工研究，揭示地面重力环境难以获知的材料结晶、玻璃化、凝固、形核机理，获得先进材料的空间制备技术和生产工艺关键条件，指导地面材料加工工艺的改进与发展。”

根据《中国空间站科学实验资源手册》，无容器材料实验柜支持的研究主题有：微重力下材料制备过程机理研究、重要应用背景材料制备与研究，及其它相关材料实验研究。无容器材料实验柜通过静电悬浮技术实现无容器加工，支持开展微重力下金属、非金属等材料无容器加工研究和材料深过冷研究、材料熔体的热物性测量等。无容器材料实验柜的系统组成如图所示，主要由无容器实验平台、真空/加压模块、实验电控模块等组成。

其中，无容器实验平台上集中布局了科学实验腔以及半导体激光器、 CO₂激光器、脉冲激光器、单波长测温仪、全景相机、高速相机等多种观 察与物性测量设备，支持空间材料样品无容器加工实验和热物性测量。真空/加压模块为科学实验腔提供实验开展需要的真空实验环境或惰性气体压力保护环境。

无容器材料实验柜主要技术指标如下表

“天和”核心舱发射后，很多科研院所很快在自家的微信公众号上公布了自己的贡献。因此，我们可以看到关于无容器科学材料实验柜的更多细节，以及其中材料科研团队的贡献。

从金属所的微信公众号上了解到，材料腐蚀与防护中心韩恩厚、宋影伟团队研制的镁合金表面处理技术应用于核心舱医学样本分析与高微重力科学实验柜（简称高微柜）、无容器科学材料实验柜的主结构子系统、高微柜悬浮实验系统自动锁紧释放机构中所用的镁质部件。　特别提到，此次随舱发射的还有金属所无容器材料实验样品。

据上海硅酸盐研究所微信公众号上披露，中国科学院上海硅酸盐研究所承担了空间站无容器材料实验柜、高温隔热屏等工作。历时五年，硅酸盐所团队攻克了无容器材料实验柜样品释放回收、样品悬浮位置控制、高温激光加热三大关键技术。

空间站无容器材料实验柜具备静电悬浮实验功能，实现了全自动样品释放回收、静电场悬浮样品位置控制、高功率高温激光加热、多功能热物性测量、高真空与加压环境等多种高技术功能，设计指标达到世界先进水平。

该装置可实现每盒29个样品的自动释放回收，可大幅度缩短宇航员操作时间，提高科学实验效率和人机工效。采用半导体激光器和二氧化碳激光器耦合激光加热技术，可将具有不同激光吸收波长的金属、非金属加热到3000℃以上，大幅度提高了科学实验的范围，可满足不同材料科学实验需求。

自主研制成功小型高速相机位置控制系统，其位置控制精度可达±0.1mm，控制频率高于1000赫兹。实验腔体具有36个实验观察、实验测试视窗，大幅度增加了科学实验内容，除可实现高温熔体的密度、表面张力和粘度等常规热物性测试外，还可进行比热、热辐射测试。同时还可以通过触发形核的方式进行无容器凝固过程中的不同过冷度下的相选择凝固，为开发亚稳相新型功能材料提供了新的实验科学手段。该装置的实验腔体的真空度可达10^-5Pa，并可承受4个大气压以上的压力，实现了在微重力条件下和高真空、高气压环境下对不同材料进行无容器材料科学实验。

如何申请？

2019年4月23日，中国载人航天工程网公布了《中国空间站科学实验和技术试验项目征集公告》，面向国内公开征集空间站在轨科学实验和技术试验项目。

不仅国内科学家可以申请，空间站也开展国际合作。2019年6月12日，联合国/中国围绕中国空间站应用开展空间科学实验第一批入选项目清单公布：

沙特的太阳能电池项目入选。

期待空间站这个“太空国家实验室”为我们带来惊艳的材料科技进展！！！

参考地址

1：http://www.cmse.gov.cn/gfgg/201904/t20190422_1967.html

2：http://www.cmse.gov.cn/gjhz/201906/t20190612_23748.html

3：https://mp.weixin.qq.com/s/SZdCxyLQ0-Cyi0Xu9oRWgA

本文系风大侠整理供稿。