我們的征途是星辰大海：盤點“天宮二號”中的材料制備測試實驗
2016年9月15日晚，天宮二號已成功發射。這是一個真正意義上的空間實驗室，將開展十余項空間科學與應用項目。這一次，綜合材料實驗成為重頭戲。
“綜合材料實驗”共配有18個樣品材料（12個實驗樣品，6個熱物性測量樣品），每次制備或測量6個樣品，分三批進行實驗。
承擔實驗的裝置由“材料實驗爐”、“材料電控箱”和“材料樣品工具袋”三個單機構成。整個裝置共約27.6kg重，最大功耗不到200W。
據介紹，材料實驗爐結構類似于一把“左輪手槍”——由加熱爐單元構成的“槍管”和樣品管理單元構成的轉輪“彈夾”。
加熱爐單元有一個直徑18毫米的爐膛，空間材料的制備和處理就是在這個高溫槍管中完成的。通過控制“槍管”中的溫度，可實現材料的熔化和凝固，從而在空間微重力條件下制備出地面難以合成的高質量材料，“彈夾”內一次能夠完成6種材料樣品的高溫制備和處理。
當其中某個材料需要進行空間生長實驗時，通過材料電控箱的控制，將料艙中的樣品慢慢推入“槍管”，按預定工藝高溫實驗，完成這個工位樣品的生長。以這種形式完成一個樣品的高溫實驗后，可以把該樣品退回到它所在的“彈夾”中，然后依次完成6個料艙中的樣品實驗。
材料樣品工具袋主要是用于攜帶實驗樣品，并由駐守的航天員對材料實驗爐進行開蓋換樣操作，在航天員更換樣品后回收完成實驗的樣品。
而在天宮二號即將實施的十二個材料制備測試實驗主要是基于微重力條件下制備材料，研究其對生長、性能的影響，揭示規律。具體如下實驗內容如下：
多晶碲化鋅(ZnTe)
通過“碲溶劑法”在微重力下生長ZnTe:Cu晶體。探索微重力下生長晶體的組分分布均勻性、缺陷濃度，研究揭示微重力下“碲溶劑法”生長高質量晶體的過程和機制，用以有效地指導地面晶體生長。
介孔基納米復合材料
在微重力下，通過對組裝有納米顆粒的有序介孔復合材料（Au/m-SiO2）進行高溫處理，制備一類第二相納米粒子尺寸一致且高度分散的、具有增強的非線性光學響應性能的新型納米復合材料；通過地基與空間合成材料的實驗對比及理論分析，揭示材料顯微結構與非線性光學響應之間的關系。
多元復相合金空間凝固
采用合金化結合摻雜的方法，探索三元共晶合金的三相競爭形核和協同生長機制，揭示三元共晶快速生長過程中組織形態轉變規律。
單晶金屬合金的空間凝固和缺陷控制
在空間和地面同樣工藝條件下開展Al-Cu-Mg（鋁-銅-鎂）單晶合金的定向凝固生長實驗，對比研究重力和微重力條件下Al-Cu-Mg（鋁-銅-鎂）單晶合金凝固微觀組織的差異，分析微重力對枝晶形態、元素偏析以及疏松、雜晶和雀斑等的影響及相關規律。
CsI閃爍晶體的空間制備和性能研究
借助“天宮二號”提供的晶體生長平臺進行空間晶體生長，重點研究微重力與晶體組分分凝的關系。探索空間微重力條件下固熔體晶體的組分分凝的特點，研究摻雜CsI晶體中摻雜離子分布均勻性與微重力條件的關系。
新型金屬基復合材料空間制備研究
在微重力下，進行SiC/Zr-基合金新型復合材料的形成與凝固過程研究及潤濕性和液/固界面原子交互作用研究，探索重力作用對金屬基復合材料制備的影響機理，促進材料科學的發展和新型復合材料的實際應用。
鐵電薄膜外延生長：
通過地基、空間對比研究，揭示sol-gel鐵電薄膜外延生長的機制，建立鐵電薄膜外延生長的工藝，生長出具有優良熱釋電特性的鐵電薄膜材料，為研制性能良好的非制冷紅外焦平面提供可靠的材料基礎。
紅外探測器材料：
在空間微重力條件下，采用改進的“布里奇曼法”生長紅外探測器材料InTeSb；利用微重力條件下浮力對流消失的特點，實現標準化學配比及組分均勻的高質量InTeSb單晶制備；研究空間微重力環境下特有的材料生長現象及規律，特別是探索利用非接觸生長降低材料缺陷濃度的可行性；通過地面模擬空間微重力實驗條件，為地基制備高質量的紅外探測器材料InTeSb奠定基礎。
磁性半導體InMnSb
制備Mn（錳）組分均勻分布的InMnSb晶體材料，探索錳離子在InSb基質材料晶格中的占位情況及分布規律，了解錳的組分均勻性和材料磁性質之間的關系，獲得InMnSb材料生長的規律性技術參數。
熱電半導體晶體空間制備及性能研究
揭示多組元（Bi2Te3-Sb2Te3-Te）晶體生長過程中溶質輸運的內在規律，還要重點研究熱電材料組分（如碲Te）變化對材料熱電協同（電導率、載流子濃度、塞貝克和熱導率等）輸運關聯性的影響。
偏晶合金空間定向凝固
研究微重力條件下偏晶合金定向凝固過程及其形成機理，探明重力及其導致熔體對流對多元偏晶合金凝固過程和組織的影響。
材料制備實驗裝置熱分析實驗和模擬研究
通過空間和地面材料科學實驗裝置在實驗過程中的溫度測量，結合數值仿真計算，建立空間和地面材料科學實驗裝置傳熱特性分析的數值仿真計算模型。基于已建立的空間和地面材料科學實驗裝置傳熱特性分析的仿真計算模型，通過數值計算，從實驗裝置的熱設計、樣品安瓿的熱設計、樣品制備加熱方案的優化等方面入手，建立地面樣品模擬空間樣品熱環境的方法。
據介紹，綜合材料實驗由中科院物理所和中科院上海硅酸鹽所共同牽頭負責，西北工業大學，中科院國家空間科學中心、上海技術物理研究所、半導體所和金屬所共同參與。
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材料牛編輯整理。
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