天宮二號 | 那些未來世界的“英雄材料”

“天宮二號”太空實驗室史無前例地承載了10余項太空實驗，其中有一套工程人員歷經三年多攻關專門研制的綜合材料實驗裝置，將隨著“天宮二號”空間實驗室進入太空，開展科學實驗。

▲ 綜合材料實驗裝置

綜合材料實驗裝置由中科院上海硅酸鹽研究所牽頭，聯合國家空間科學中心，蘭州技術物理研究所共同承制。其中上海硅酸鹽所作為項目牽頭單位負責實驗裝置整機研制，同時承擔材料實驗爐中加熱爐單元和材料樣品工作袋的研制，國家空間科學中心承擔“材料電控箱”的研制，蘭州技術物理研究所承擔材料實驗爐中真空室和樣品管理單元的研制。

孫悟空的金箍棒、豬八戒的九齒釘耙，以及七星劍、紫金鈴等高端武器均出自八卦爐之手，如今，“天宮二號”的綜合材料實驗裝置在制備的材料種類方面更勝一籌，包括了復合材料、金屬材料、有機高分子材料和晶體材料等。

其中好比科幻英雄的“綜合材料”實驗就藏在其中。銀盤俠、雷神、魔形女、X教授、金剛狼、冰人……本文讓您了解都有哪些未來世界的“英雄材料”將會在這個平臺誕生！

多晶碲化鋅（ZnTe）

這種材料未來將幫助我們制造更高效且靈敏的外太空探測器

用綜合材料實驗裝置在“天宮二號”空間實驗室進行微重力下用碲溶劑法生長ZnTe:Cu晶體的科學實驗。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和提高材料質量，也為空間材料加工積累經驗。科學試驗目標是在“天宮二號”上完成晶體生長的實驗，以期獲得組分更為均勻、缺陷濃度低的晶體樣品。

▲ 銀盤俠：光溜溜的沖浪板和光溜溜的我，光溜溜的我從光溜溜的沖浪板里冒出來

▲ 雷神：看我胳膊上的大小一致、還閃閃發光的鎧甲，是不是很有科技感

介孔基納米復合材料

期待更加完美的光通信材料

通過在微重力下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。

多組元復相合金

1+1+1>3，更輕、更小、運行速度更快的電子設備

采用合金化結合摻雜的方法，如三元體系（Bi-Te-Se與Bi-Te-Sb）和四元體系（Bi-Te-Se-I），可以增強聲子散射、降低晶格熱導、優化載流子濃度、提高功率因子，從而提高其ZT值，為較大幅度提高熱電材料的性能和轉換效率提供科學依據，為進一步提高我國材料科學實驗水平和實驗裝置的研制能力提供技術積累。

▲ 三人組：我們都穿紅色不過款式不一樣，小蟲的胸口有只八腳怪

▲ 魔形女：你喜歡什么類型的女生？我給你變

單晶金屬合金

更輕、更硬、更完美的未來合金材料

在空間和地面同樣工藝條件下開展Al-Cu-Mg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、雜晶等的影響及相關規律。

閃爍材料

沒有它，骨科醫生可再也看不到X光的片子了

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。

摻雜CsI晶體很早以前便在工業中獲得了大規模的應用，但是晶體生長過程中，由于組分分凝而導致的發光等性能不均勻性還沒有完全解決。

▲ X教授：顫抖吧，渺小的人類，你們在我主腦里面不過是一些亮光

▲ 金剛狼：在人體試驗的時候，把融化的艾德曼金屬注入到身體里面，它凝固的時候真是痛死了

新型金屬基復合材料

古代十八般武器要是用了這種材料，真是牛上天了

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，提出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。

鐵電薄膜紅外焦平面列陣

用熱成像看清世界的每一絲細節

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。

▲ 美國隊長：自從用上了外延生長技術，我的盾牌從此也光溜溜得反光了

磁性半導體

小小自旋，翻轉天地——未來自旋電子器件

通過本次搭載實驗，制備Mn組分均勻分布的InMnSb晶體材料，探索Mn離子在InSb基質材料晶格中的占位情況及分布規律，了解Mn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。

高性能熱電半導體

新一代的控溫大師

本項目，除了要揭示多組元（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，因此本項目的研究具有一定的先進性和前沿性。

▲ 萬磁王：有磁的地方就有我萬磁王

▲ 霹靂火：我的女朋友說她喜歡來電的感覺

偏晶合金空間定向凝固

一言不合，換個模式凍起來

難混溶合金所具有的特殊的力學和物理性能及其在工業上的應用前景越來越受到人們關注。長期以來，材料科學家致力于偏晶合金的凝固過程研究，期望能通過使用合理的凝固方法和優化的凝固過程工藝參數，獲取具有理想凝固組織的偏晶合金材料，滿足工業需求。

材料制備實驗裝置熱分析實驗和模型研究

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。

▲ 冰人：定向凝固？我就是專家

▲ 鋼鐵俠：看，又要麻煩我幫你分析

本文摘編自中國科學院科學傳播局、中國科學院重大科技任務局、中國科學院空間應用科學中心編印的《“天宮二號”空間實驗室系列空間科學與應用載荷科普手冊》。

中國科學院空間應用工程與技術中心是載人航天工程空間應用系統任務的總體單位，負責應用規劃、組織管理、總體設計、集成、地面測試和在軌運控、成果推廣等任務。在保證“天宮二號”科學和應用載荷等多個系統平穩運行之外，中科院多家單位分別負責研發的實驗載荷將在空間實驗室中大顯身手，它們有的是在探索宇宙最深處的奧秘，有的是幫助人們更好地認識地球、海洋和大氣，有的是在解決將來在星際旅行時食物的問題……

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