“太激動了！還是有一種期待的心情，有開‘盲盒’的感覺，打開之后你才能看見樣品。”空間站高溫材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師、中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所研究員劉學(xué)超手持太空返回的實(shí)驗(yàn)樣品激動地說，“實(shí)際上，我們之前做了大量的地面匹配實(shí)驗(yàn)，我們有信心在太空中的實(shí)驗(yàn)會非常好，并期待會有很好的科研成果。”

(相關(guān)資料圖)

劉學(xué)超（右）

日前，中國空間站第四批空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)樣品隨神舟十五號飛船返回艙安全降落，并交付給中國科學(xué)院空間應(yīng)用系統(tǒng)。6月21日，包括高溫合金材料樣品在內(nèi)的實(shí)驗(yàn)樣品運(yùn)至中國科學(xué)院上海硅酸鹽所，舉行交接儀式。

太空“盲盒”一次拆出五件套

2022年10月31日，空間站高溫材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜（高溫材料柜）隨夢天艙成功發(fā)射入軌，在軌穩(wěn)定運(yùn)行200余天。乘坐火箭升空的“貨包”里都裝了些什么？一起來看看。

記者看到，存放著太空實(shí)驗(yàn)樣品的貨包呈米黃色，與普通公文包大小類似，采用了抗震防震的設(shè)計(jì)。貨包內(nèi)整齊擺放著金屬陶瓷管，里面存放的便是空間站高溫材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)下行（返回地面）的首批科學(xué)實(shí)驗(yàn)樣品。據(jù)介紹，所有實(shí)驗(yàn)樣品都需要在1000℃以上的高溫中進(jìn)行，為此實(shí)驗(yàn)材料會在金屬陶瓷管內(nèi)進(jìn)行二次封裝。

此次，神十五航天員帶回的實(shí)驗(yàn)樣品共有5件，總重量約6公斤，這批樣品包括高溫合金材料、功能晶體、新型金屬以及特種玻璃材料。

以高溫合金材料為例，我們國家正在發(fā)展的國產(chǎn)大飛機(jī)項(xiàng)目中，飛機(jī)發(fā)動機(jī)的核心材料就是高溫合金。

“我們在地面上生產(chǎn)高溫合金的時(shí)候，很難得到一些性能非常好的高溫合金，非常想知道這其中的原因。所以，我們把材料送上太空，在微重力的情況下開展實(shí)驗(yàn)，以探究高溫合金在微重力環(huán)境下的生長過程、成分分布、結(jié)構(gòu)形態(tài)，為我們在地面生產(chǎn)更好的高溫合金提供理論指導(dǎo)。”中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所副研究員張明輝介紹。

張明輝告訴記者，在地面上，研究團(tuán)隊(duì)往往采用自由落體的方法模擬微重力實(shí)驗(yàn)，這種方式得到的微重力時(shí)間只有幾秒。而在空間站，可以獲得幾天甚至一周的微重力時(shí)間。“一直在微重力狀態(tài)下開展實(shí)驗(yàn)，這就是空間站環(huán)境一個(gè)非常強(qiáng)的優(yōu)勢。”張明輝說。

這些樣品身份不凡，能為科學(xué)研究打開一扇窗

神十五航天員帶回的實(shí)驗(yàn)樣品移交后，科學(xué)家們將進(jìn)行更深一步的分析研究。

作為高溫材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師，劉學(xué)超最關(guān)心的是一款新型柔性半導(dǎo)體材料：“這個(gè)材料不像傳統(tǒng)的半導(dǎo)體是脆性材料，它可以彎折，有可塑性，而且具有非常好的半導(dǎo)體特性，非常有研究意義和價(jià)值。未來，可能會為研制新一代半導(dǎo)體器件打開一扇‘窗戶’。”

研究團(tuán)隊(duì)首先會對下行的樣品進(jìn)行外觀檢查，觀察樣品是否有破損，是否能扛住太空飛船發(fā)射時(shí)上行和下行的力學(xué)環(huán)境。然后深入分析樣品，進(jìn)一步鑒定它的結(jié)構(gòu)、物像、性能等，再通過和地面的匹配實(shí)驗(yàn)作鏡像對比，研究樣品在太空微重力下是否有顯著變化，有無新的機(jī)理或相關(guān)的生長機(jī)制等。“這對研究微重力下材料的制備和生長過程，以及后續(xù)地面上的材料制備，有很大的指導(dǎo)意義和幫助。”劉學(xué)超介紹。

目前，空間站上還有19個(gè)高溫材料樣品在軌實(shí)驗(yàn)。此外，研究團(tuán)隊(duì)還計(jì)劃上行（由地面發(fā)往太空）20個(gè)樣品，這些樣品上行之前，都需要在地面上進(jìn)行充分、大量的匹配實(shí)驗(yàn)。

“中國空間站全面建成轉(zhuǎn)入運(yùn)營階段后，會有大量的材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)在太空中進(jìn)行，助力我國實(shí)現(xiàn)高水平科技自立自強(qiáng)。”劉學(xué)超說。

據(jù)介紹，高溫材料柜在軌期間，中國科學(xué)院金屬研究所、上海硅酸鹽所、西北工業(yè)大學(xué)等項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)密切合作，成功完成了一系列空間科學(xué)實(shí)驗(yàn)。此次返回的上海硅酸鹽所在軌空間樣品，其相關(guān)科學(xué)實(shí)驗(yàn)得到上海市科委和中國科學(xué)院空間總體部大力支持，為我國航天科研的發(fā)展貢獻(xiàn)了重要成果。

開展鏡像實(shí)驗(yàn)，天上地下“一體雙生”

雖然我們看不見空間站里高溫材料柜的實(shí)驗(yàn)過程，但記者在上海硅酸鹽所的實(shí)驗(yàn)室里找到空間站高溫材料柜的雙胞胎“兄弟”，一套完整的鏡像系統(tǒng)。

高溫材料柜是由我國自主研制的重大空間微重力材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置，是開展太空微重力材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)的重要平臺，可在微重力下支持材料的高溫加熱、定向凝固、梯度生長、快速冷卻、磁場攪拌、參數(shù)實(shí)時(shí)測量、實(shí)時(shí)觀察等功能，是我國最新一代的空間材料實(shí)驗(yàn)裝置之一。

這套先進(jìn)裝置可有不少“第一”在手。

“這套設(shè)備與在軌的高溫材料科學(xué)實(shí)驗(yàn)柜具有完全相同的功能和模塊，具有批量樣品管理等功能，一次性可以放16個(gè)材料樣品，這也是國際上最多的一個(gè)批次樣品數(shù)量，另外該裝置最高的實(shí)驗(yàn)溫度可以達(dá)到1600℃。”中科院上海硅酸鹽所項(xiàng)目正高工潘秀紅介紹，“有了這套設(shè)備，我們一個(gè)樣品最短的在軌實(shí)驗(yàn)時(shí)間是20小時(shí)，最長的目前達(dá)到74小時(shí)。”

據(jù)介紹，高溫材料柜主要由高溫爐模塊、批量樣品管理模塊、X射線透射成像模塊、控制模塊組成。其中，高溫爐模塊是整個(gè)裝置的核心，X射線透射成像模塊可開展樣品加熱和凝固過程的實(shí)時(shí)觀察，控制模塊負(fù)責(zé)整個(gè)裝置的供電、控制等的管理。高溫材料柜的加熱溫度和單批次樣品數(shù)量都處于國際領(lǐng)先水平，而X射線透射成像功能是在國際上首次上行至空間站。

高溫材料柜

與我國以往的空間材料實(shí)驗(yàn)裝置相比，高溫材料柜在加熱溫度、樣品尺寸、溫場模式、外部調(diào)控、精密生長、實(shí)時(shí)觀察等功能方面都有了較大發(fā)展和提高，有效拓展了空間微重力材料研究的范圍和深度，將長期在空間站為材料的微重力研究提供支持。

“后續(xù)，地面裝置除了為這五個(gè)返回樣品做鏡像對比實(shí)驗(yàn)。我們還要為之后發(fā)射升空的材料作前期的匹配實(shí)驗(yàn)。所以，它的工作量還是十分大的，會越來越忙。”中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所項(xiàng)目正高級工程師潘秀紅介紹。

由于功能的升級和拓展，高溫材料柜能夠支持的材料研究涵蓋功能晶體、高溫合金、新型金屬合金、半導(dǎo)體材料、特種玻璃、納米材料、生物材料等眾多領(lǐng)域，將促進(jìn)微重力下材料的成分、結(jié)構(gòu)、性能的調(diào)控及其機(jī)理的研究，對我國突破關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問題具有重要意義。（來自“上海嘉定”微信公眾號）

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