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我国空间站难熔合金研究取得多项新发现

来源:中国科学报 甘晓 访问:164 时间:2024-07-05

日前,记者从中国科学院空间应用工程与技术中心了解到,西北工业大学教授、中国科学院院士魏炳波团队在中国空间站开展的高性能难熔合金研究,近期成功取得了多项空间材料凝固制备科学新发现,获取了难熔合金熔体的关键热物理性质,有力推动了难熔合金从地面研究向外太空研究的拓展,为我国空间材料科学理论研究、新型高性能的难熔合金材料制备等提供了重要基础。

高性能难熔合金是战略性、特种稀有金属材料,熔点通常超过2000摄氏度,具有超高温、高活性等特征,在高温下具有良好的热学、力学服役性能,因此常被用于制造高温、高速、高压等关键部件。但在地面环境下的难熔合金研究长期受重力、容器等条件制约,难熔合金液态性质的精确测定与快速凝固合成制备存在困难,中国空间站无容器材料实验柜提供的无容器+长时微重力环境,为高性能难熔合金研究另辟蹊径。

2021429日,无容器材料实验柜随中国空间站天和核心舱发射升空。中国科学院空间应用中心研究员、应用发展中心主任张伟表示:无容器材料实验柜是天和核心舱内三大科学实验柜之一,利用静电场所提供的电场力,使材料样品在真空环境中保持稳定悬浮状态,避免了与容器壁接触的影响,加热温度可达3000摄氏度,可进行金属、非金属等无容器深过冷凝固和热物理性研究。

20214月以来,魏炳波院士团队制备的10余种数百个高性能难熔合金样品,通过核心舱和天舟货运飞船上行后,先后在中国空间站无容器材料实验柜进行了6批次在轨实验,成功完成了难熔合金微重力条件下的静电悬浮、加热熔化、降温、过冷、凝固、热物理性质测定等重要实验,4批次难熔合金已搭乘神舟飞船返回地面。

“中国空间站提供了出色而稳定的微重力环境,我们通过对最早一批返回的铌合金、锆合金、钛合金开展研究,获取了超高温状态下难熔合金的液态密度、热膨胀系数、热辐比等关键性质,发现了一系列有重要科学价值的新成果,多个研究成果发表在材料领域重要期刊上。”团队骨干成员、西北工业大学物理科学与技术学院教授王海鹏表示,这些成果主要包括:发现了微重力液滴凝固的涡旋型特殊组织结构,阐明了微重力凝固收缩的动力学规律,揭示了微重力和无容器共同作用下共晶合金解耦生长的内在机理,实现了太空环境凝固合金的微观组织与宏观形态的双调控等。未来团队正在计划开展自然界中熔点温度最高的金属钨及其合金的太空环境合成研究,这将成为空间难熔合金材料研究的新高地。

我国空间材料科学研究始于1986年的国家高技术研究发展计划(863计划),但长期面临空间实验条件匮乏的难题。中国空间站的全面建成,为空间材料科学的发展开辟了更加广阔的前景。中国载人航天工程空间材料科学领域首席科学家魏炳波院士告诉记者,未来我们一定会取得更多的国际领先成果,利用空间环境的特殊性,制备或合成出一些在地面上难以获得的新材料,并转化为新质生产力,更好地服务于科技强国建设。

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