淺析我國(guó)空間材料加工試驗(yàn)的發(fā)展
2012-12-31 00:00:00余興強(qiáng)
【摘要】作為人類事業(yè)最有價(jià)值的探索領(lǐng)域之一，空間材料加工試驗(yàn)研究在過去幾十年的發(fā)展過程中，取得了十分顯著的成就?？臻g材料科學(xué)研究也會(huì)隨著試驗(yàn)機(jī)會(huì)的增加，在未來取得更多的突破。本文將就我國(guó)空間材料加工試驗(yàn)的進(jìn)展情況做概括介紹。
【關(guān)鍵詞】空間材料；加工試驗(yàn)；微重力條件；發(fā)展
0.前言
空間材料科學(xué)試驗(yàn)，也稱材料加工，其目的是在空間微重力環(huán)境下，為改善與指導(dǎo)地面材料生產(chǎn)提供出科學(xué)依據(jù)，了解重力對(duì)材料加工過程以及材料性能的影響，并且制取出有特殊性能的、地面沒有辦法制取的材料。
隨著航空航天技術(shù)以極快的速度發(fā)展，一系列新的科學(xué)領(lǐng)域與空間資源不斷開拓，為空間材料試驗(yàn)的發(fā)展開辟了新的前景。目前，空間材料科學(xué)已研究出的新材料產(chǎn)品具有廣闊的發(fā)展前景，空間材料加工是空間工業(yè)中最具潛力的新技術(shù)領(lǐng)域之一，也將是新型工業(yè)中一個(gè)有著經(jīng)濟(jì)和技術(shù)效益的領(lǐng)域。作為人類最有意義的探索領(lǐng)域之一，空間材料加工試驗(yàn)研究在過去幾十年的發(fā)展過程中，取得了十分顯著的成就?？臻g材料科學(xué)研究也會(huì)隨著從研究中積累的經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)越來越多，以及試驗(yàn)機(jī)會(huì)的增加，在未來取得更多的突破。本文將就我國(guó)空間材料加工試驗(yàn)的進(jìn)展情況做概括介紹。
1.我國(guó)空間材料科學(xué)研究現(xiàn)狀
中國(guó)的空間材料科學(xué)試驗(yàn)研究從1987年開始，利用返回式衛(wèi)星進(jìn)行微重力條件下的空間材料加工試驗(yàn)，研究了GaAs晶體空間熔煉生長(zhǎng)。后多次利用我國(guó)自主研制的返回式衛(wèi)星，搭載空間晶體爐，進(jìn)行空間材料加工試驗(yàn)。研究開發(fā)出來很多空間材料的試驗(yàn)裝置，為以后良好的發(fā)展積累了許多寶貴的研制經(jīng)驗(yàn)。主要研究了解砷化鎵單晶、碲鎘汞晶體、銻化鎵、銻化銦、鋁鈮合金、鈀鎳磷的生長(zhǎng)，燒結(jié)超導(dǎo)材料，制備鋁基碳化硅復(fù)合材料等。如，與在地面混合再與石英管浸潤(rùn)的鎘銦樣品，通過空間熔化后分離成兩種成分，它們分別是鎘與銦的球體，而且和石英管都不用浸潤(rùn)。經(jīng)過空間對(duì)鋁鋰、鋅鉛、鋁鉛、鋁鈮、鋁鋅鉍等難混合金與偏晶合金進(jìn)行凝固試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)塊狀鋅鉛樣品在空間中實(shí)現(xiàn)了彌散相分布。經(jīng)過這些實(shí)驗(yàn)成果表明，中國(guó)的空間材料科學(xué)研究正穩(wěn)步向前，不斷邁進(jìn)。
但是到目前為止，因?yàn)槿狈Y源，我國(guó)的設(shè)備大部分還是溶液晶體和多工位爐的生長(zhǎng)設(shè)備，主要進(jìn)行的還是與溶液法晶體和固體熔化的生長(zhǎng)相關(guān)的試驗(yàn)研究。在實(shí)驗(yàn)次數(shù)、設(shè)備的研究、以及開展研究的范圍和深度上，我國(guó)與美國(guó)、俄國(guó)等空間大國(guó)之間還落后較大的一段差距。差距最明顯的體現(xiàn)在我們所用的設(shè)備的適用性以及自動(dòng)化程度上，這減緩了我國(guó)空間材料的科學(xué)研究向前邁進(jìn)的步伐。
2.我國(guó)空間微重力下的材料加工試驗(yàn)
中國(guó)利用返回式衛(wèi)星進(jìn)行的第一次空間微重力下的材料加工試驗(yàn)是在1987年8月5日至10日，這是一次取得卓越成就的在空間微重力條件下的材料加工試驗(yàn)。這次試驗(yàn)一共有12個(gè)項(xiàng)目，其中包括砷化稼單晶的生長(zhǎng)達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)的水平，世界第一次的Y-Ba-Cu高溫超導(dǎo)材料試驗(yàn)，還有HgCdTe紅外材料，Insb半導(dǎo)體材料和難混合金等也都取得地面上不能得到的結(jié)果。此次試臉的多用途加工爐吸收國(guó)外空間加工技術(shù)特點(diǎn)，構(gòu)思巧妙、效果明顯，開辟了空間搭載的新道路。這次試驗(yàn)也標(biāo)志我國(guó)進(jìn)入了開發(fā)、利用空間的微重力資源條件的新階段。
微重力條件下的材料科學(xué)研究試驗(yàn)在國(guó)外是從60年代末到70年代初這段時(shí)間才發(fā)展起來的高新技術(shù)，美國(guó)、蘇聯(lián)、歐空局等幾個(gè)發(fā)展較快的國(guó)家和組織也只是處于研究與探索的階段。我國(guó)微重力條件下的科學(xué)加工試驗(yàn)開始于生物，然后用落塔進(jìn)行流體力學(xué)方面的研究，材料科學(xué)方面的試驗(yàn)在1987年還是第一次。首次的試驗(yàn)結(jié)果出乎了人們的意料，一些項(xiàng)目甚至達(dá)到了世界先進(jìn)的水平，如半導(dǎo)體所的空間砷化嫁單晶生長(zhǎng)等，發(fā)展了空間微重力條件下的加工技術(shù)。這些成績(jī)與各個(gè)方面的齊心協(xié)力、共同攻克難關(guān)是分不開的。
2.1空間晶體加工爐物理設(shè)計(jì)
砷化稼晶體空間加工具有很大難度。衛(wèi)星總體的要求是，加工爐的平均功率是170W，而爐殼的溫度為40℃，重量為11.5kg，工作時(shí)間是90min，晶體的生長(zhǎng)速度為1-1.5cnl/h，冷卻的速度為0.2-0.3℃/min，熔區(qū)長(zhǎng)為3～4cm，砷化嫁晶體的生長(zhǎng)要求熔化區(qū)溫度是1250℃，在地面上完成這樣的條件是十分困難的。我國(guó)研究解決了以下幾方面的問題以完成這個(gè)首次的空間試驗(yàn)任務(wù)：（1）晶體生長(zhǎng)方式的確定；（2）晶體加工爐多用途的開發(fā)；（3）爐體的熱控方法。
2.2空間晶體加工爐技術(shù)保障
順利完成空間搭載任務(wù)，要求要有全面的質(zhì)量技術(shù)保障。其中包括：（1）加熱技術(shù)保障；（2）熱控技術(shù)保障；（3）減震和防震技術(shù)保障；（4）整星相容性和可靠性技術(shù)保障；（5）地面模擬和技術(shù)試驗(yàn)保障；（6）嚴(yán)格質(zhì)量管理保障。克服各種技術(shù)障礙與技術(shù)難關(guān)，對(duì)于能夠保證質(zhì)量地按時(shí)完成任務(wù)是十分重要的。
3.搭載空間材料試驗(yàn)結(jié)果
3.1微重力下的晶體生長(zhǎng)
經(jīng)初步分析，空間首次搭載的三個(gè)晶體生長(zhǎng)試樣（砷化嫁、碲鎘汞晶體和銻化錮）都生長(zhǎng)出了所希望的單晶體。說明這次試驗(yàn)是成功的。
3.2微重力下的難混，偏晶合金加工
在空間制造出秘-嫁、鋁-妮、鋁-鉛、鋅-鉛、鋁-銼等地面上難以混和的偏晶合金，合金重熔預(yù)想的目的已經(jīng)達(dá)到了，多數(shù)合金都形成了均勻混合的彌散合金。但是，因?yàn)榇嬖跍囟忍荻?，爐內(nèi)有Marallgoni對(duì)流的現(xiàn)象。
3.3微重力下高溫超導(dǎo)熱處理試驗(yàn)
測(cè)試與分析的結(jié)果表明： 地面熱處理和空間熱處理的對(duì)比樣品，無論在形貌上還是在成份比例上均有較大的差異，空間樣品晶粒較均勻。這還是世界上首次進(jìn)行該項(xiàng)試驗(yàn)。
3.4微霞力下液/固，液/液界面研究
空間試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)錮的反常潤(rùn)濕行為，錮在空間不浸潤(rùn)，在地面則是和石英管浸潤(rùn)的。據(jù)國(guó)外統(tǒng)計(jì)，空間試驗(yàn)的失敗項(xiàng)目通常占總項(xiàng)目的25%。但據(jù)初步分析，我國(guó)首次試驗(yàn)項(xiàng)目的成功率就達(dá)到了90%，這表明我國(guó)在空間微重力下的材料加工試驗(yàn)取得了鼓舞人心的成績(jī)。
4.我國(guó)空間材料加工試驗(yàn)的發(fā)展展望
對(duì)于材料制備，空間環(huán)境的作用十分重大。尤其是對(duì)于必須經(jīng)過凝固和熔化才能夠制出的半導(dǎo)體材料、金屬、合金等，在空間環(huán)境可以制出地面不可能制造出來的新材料。因此，空間材料加工這個(gè)新的技術(shù)領(lǐng)域的廣闊前景不可估量?？臻g材料科學(xué)研究也是一項(xiàng)投入量大、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的研究領(lǐng)域，它對(duì)空間研究設(shè)備以及空間的投送能力的制造水平十分依賴，反過來，它對(duì)空間探索的促進(jìn)與保障作用也是十分巨大的。
雖然我國(guó)空間材料加工的研究起步較晚，但是，已經(jīng)在難混偏晶合金、潤(rùn)濕行為與晶體生長(zhǎng)等研究方面取得了較多成果，而且今后空間材料加工將著重于新型材料與有關(guān)物理現(xiàn)象的基礎(chǔ)研究。在今后，我國(guó)的空間科學(xué)研究要充分認(rèn)識(shí)到對(duì)相應(yīng)的地面研究加大投入、維持高水平研究隊(duì)伍的重要性，并且應(yīng)該加大對(duì)空間實(shí)驗(yàn)設(shè)備的投入。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，我國(guó)的空間探索的地位將越來越重要，我國(guó)的空間飛行器技術(shù)也會(huì)不斷取得重大突破。在未來一段時(shí)間內(nèi)，無論從認(rèn)識(shí)材料還是開發(fā)新型材料、促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和航天事業(yè)這些方面來說，空間材料科學(xué)研究對(duì)于我國(guó)都將是不可或缺的。
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