天宮二號綜合材料實驗：「槍口」中實驗

綜合材料實驗裝置（「爐子」）

材料實驗爐示意圖1

材料實驗爐示意圖2

宇航員更換樣品示意圖

作為「天宮二號」即將進行的10餘項空間科學實驗之一，「綜合材料實驗」格外引人注目。綜合材料實驗是由中科院物理研究所和中科院上海硅酸鹽研究所共同牽頭負責，院內外6個研究所和西北工業大學共同承擔的材料科學實驗項目。

整套實驗裝置由「材料實驗爐」、「材料電控箱」和「材料樣品工具袋」三個單機構成，雖然最大功耗還不到200瓦、「體重」僅為27.6公斤，但是卻能實現最高950攝氏度的爐膛溫度，著實令人驚嘆。

如果把材料實驗爐拆開來看，整個結構類似於一把「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，空間材料的製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製備出地面難以合成的高質量材料，「彈夾」內一次能夠完成6種材料樣品的高溫製備和處理。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後，可以把該樣品退回到它所在的「彈夾」中，然後依次完成6個料艙中的樣品實驗。材料樣品工具袋主要是用於攜帶實驗樣品，並由駐守的航天員對材料實驗爐進行開蓋換樣操作，在航天員更換樣品後回收完成實驗的樣品。

值得一提的是，由於每個材料對實驗裝置的要求都各不相同，針對眾多材料樣品提出的關於溫場模式、合成工藝控制等方面的需求，綜合材料實驗裝置引入了多項具有自主知識產權的創新技術，重點解決了多溫區加熱技術、低功耗下的升溫保溫技術、溫度的精確控制技術等難題。而更換樣品時航天員的開蓋換樣操作，也將是我國首次實現航天員執行空間材料實驗的在軌操作任務。

沒有金剛鑽，不攬瓷器活。天宮二號綜合材料實驗不但「爐子」設計精妙，參與實驗製備的12個材料科學實驗樣品和6個熱物性測量樣品也是各顯神通，包含了複合材料、金屬合金、有機高分子材料和晶體材料等多種不同種類的材料，將在空間微重力下進行ZnTe:Cu晶體空間生長、介孔基納米複合材料製備、Al-Cu-Mg單晶金屬合金空間凝固與缺陷控制、CsI閃爍晶體空間製備與性能研究等12項空間材料實驗。

就拿磁性半導體空間科學實驗來說，該實驗將以InMnSb作為研究載體，藉助「天宮二號」的材料實驗爐，採用改進的「布里奇曼」晶體生長方法，使晶錠依次通過保溫區進而完成晶體生長。在微重力環境下，由於浮力對流消失，熔體的質量輸運過程由擴散所支配，為製備組分均勻的磁性半導體提供了難得的條件，使得InMnSb的非接觸生長成為可能，大幅降低了材料缺陷濃度。

「這解決了對於由磁性元素摻入到半導體中形成的複雜多元體系，如何使晶體組分均勻分布的難題。」中科院半導體研究所材料科學重點實驗室研究員張興旺在接受《中國科學報》記者採訪時說。

「微重力環境為深入研究被重力所掩蓋的物理現象提供了難得的機遇。」張興旺表示，通過天地對比實驗，不但可能得到地面無法獲取的優質材料，還可豐富多元半導體生長理論，有助於深刻理解熔體靜壓力與蒸氣壓力在晶體生長中的作用，從而促進地基非接觸生長工藝的進步。

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