「天宮二號」科普來了（三）：綜合材料實驗·材料篇
即將發射的「天宮二號」空間實驗室，是一個真正意義上的空間實驗室，將開展10餘項空間科學與應用項目，是載人航天曆次任務中應用項目最多的一次。涉及微重力流體物理、空間材料科學、空間生命科學、空間天文探測、空間環境監測、對地觀測及地球科學研究以及新技術試驗等多個領域。
中國科學院空間應用工程與技術中心代表中國科學院牽頭負責載人航天等重大科技工程空間應用系統方面的任務規劃、總體管理和技術集成工作,負責所有科學應用載荷的系統集成、地面測試和在軌運控、成果推廣等任務。
關於「天宮二號」的各項高精尖裝備，接下來的一段時間裡，科學大院將一一為大家介紹。今天我們要介紹的，是綜合材料實驗平台將要製備和測量的18種高科技材料。
即將發射的「天宮二號」太空實驗室史無前例地承載了10餘項太空實驗，其中好比科幻英雄的「綜合材料」實驗就藏在其中。
那麼這個「綜合材料實驗平台」是怎麼回事呢？我們先從這個平台將要實驗的材料聊起，花樣多多，可要做好心理準備呀~
那些未來世界的「英雄材料」
本次「綜合材料實驗平台」共配有18個樣品材料（12個實驗樣品，6個熱物性測量樣品），每次製備或測量6個樣品，分三批進行實驗。
為了方便大家記憶，這裡我們根據材料的特點和漫威人物對應了起來，雖然性能不會非常一致，但力求有相關性，希望你們喜歡~
多晶碲化鋅(ZnTe)：
這種太赫茲材料未來將幫助我們實現建造更為高效且靈敏的外太空探測器的夢想。
銀盤俠：光溜溜的衝浪板和光溜溜的我，光溜溜的我從光溜溜的衝浪板里冒出來~
在「天宮二號」空間實驗室，通過「碲溶劑法」用綜合材料實驗裝置進行微重力下ZnTe:Cu晶體生長的科學實驗。
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，提高材料質量，也為空間材料加工積累經驗。
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。
介孔基納米複合材料：
期待更加完美的光通信材料。
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，如果是納米科技的就更給力啦~
在微重力下，通過對組裝有納米顆粒的有序介孔複合材料（Au/m-SiO2）進行高溫處理，製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複合材料；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係。
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是不是很值得期待呢？
三人組：要要切克鬧，我們都穿紅色不過款式不一樣~小蟲的胸口有隻八腳怪，DD的胸口是DD，DP喜歡紅黑兩眼銀光~要要切克鬧，煎餅果子來三套~
採用合金化結合摻雜的方法，如三元體系（Bi-Te-Se和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，從而提高其熱電優值（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製能力提供技術積累。
單晶金屬合金：
更輕更硬更完美的未來合金材料。
魔形女：你喜歡什麼類型的女生？我給你變啊~
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、元素偏析以及疏鬆、雜晶和雀斑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。
X教授：顫抖吧渺小的人類，你們在我主腦裡面不過是一些亮光~
藉助「天宮二號」提供的晶體生長平台進行空間晶體生長，重點研究微重力與晶體組分分凝的關係。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係。
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於組分分凝而導致的發光等性能的不均勻性一致還沒有完全解決。
新型金屬基複合材料：
古代十八般武器中要是有了這種材料，肯定牛上天了！
金剛狼：在人體實驗的時候，把融化的艾德曼金屬注入到身體里，然後讓它凝固的時候真是痛死了！不過新爪子不錯~
在微重力下，進行SiC/Zr-基合金新型複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複合材料製備的影響機理，促進材料科學的發展和新型複合材料的實際應用。
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。
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的反光了！快看我的盾牌！噠啦~
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，為研製性能良好的非製冷紅外焦平面提供可靠的材料基礎。
紅外探測器材料：
未來戰場的「千里眼」。
獵鷹：實不相瞞，高科技偵查眼鏡幫了我很大的忙，但還是被蟻人捉弄的不輕…唉，心累…
在空間微重力條件下，採用改進的「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單晶製備；
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，為地基製備高質量的紅外探測器材料InTeSb奠定基礎。
磁性半導體：
小小自旋，翻轉天地——未來自旋電子器件。
萬磁王：有磁的地方就有我萬磁王，膜拜吧人類們！
通過本次搭載實驗，製備Mn（錳）組分均勻分布的InMnSb晶體材料，探索錳離子在InSb基質材料晶格中的佔位情況及分布規律，了解錳的組分均勻性和材料磁性質之間的關係，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。
霹靂火：我不想玩火了，我的女朋友說她喜歡來電的感覺！
本次實驗，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，這是一項具有一定的先進性和前沿性的實驗。
偏晶合金空間定向凝固：
一言不合，換個模式凍起來。
冰人：定向凝固？你找專家啊~我就是專家，一萬美元給你演示一次~
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，材料科學家致力於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。
材料製備實驗裝置分析實驗和模型研究：
上面提到的材料沒有我進行熱平衡，材料寶寶們都會夭折在搖籃里哦。
鋼鐵俠：早就說要你好好學習，看，又要麻煩我幫你分析！收費兩萬美元。
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，結合數值模擬計算，建立空間和地面材料科學實驗裝置傳熱特性分析的數值模擬計算模型。
基於已建立的空間和地面材料科學實驗裝置傳熱特性分析的模擬計算模型，通過數值計算，從實驗裝置的熱設計、樣品安瓿的熱設計、樣品製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。
要想在「天宮二號」上成功做實驗，光有材料可不行，還需要有承載實驗的設備，這就不得不說說這個「綜合材料實驗平台」的結構組成。
千錘百鍊的「爐子」
整個「綜合材料實驗平台」分為三部分，裝置主體為材料實驗爐（沒錯，是個爐子，每次可以製備或測試6個樣品），除此之外，還有電控箱（用以精確控制實驗爐工作）和樣品袋（內裝有12隻安瓿，安瓿是一種密封的樣品管，內含需要製備或測試的材料，實驗爐本身已預裝了6種樣品材料，再加上這12隻安瓿里的材料，就是我們上面提到的18種材料嘍）。
整個裝置共約27.6kg重，最大功耗不到200kW，溫控範圍500℃至950℃（真空）/720℃（非真空），溫度穩定程度為±0.5℃，能很好地滿足實驗需求。
同時，它具備人機工效學設計，將首次實現我國有人在軌參與的空間材料實驗操作。
整個裝置從設計到最後確定技術指標總共經歷了33個月（2013年10月至2016年6月），材料爐主體的前後共經歷了60次修改最終才敲定，而看似最簡單的樣品袋則經過測試-重新設計了14次（最終樣品袋中裝安瓿瓶的袋口被設計為喇叭口形，這是需要多精心設計才能注意到的細節啊…）。
為了確保實驗裝置在太空中可以正常工作，所有的單件都需要經過嚴格的測試，而對於材料爐主體和電控箱的測試更是需要經過振動、密封、熱循環（老煉）檢測以及衝擊等嚴格測試，以模擬從升天到進入太空的各種苛刻的環境（樣品袋不進行熱循環檢測）。
總之，該裝置凝聚了研究人員多年的心血才最終成功設計製作完成，是真正意義上的千錘百鍊。
如果要用一句話來總結的話，「綜合材料實驗平台」本質其實就是一個爐子，科學大院（ID：kexuedayuan）明天將會詳細介紹它，不要錯過哦~
「科學大家庭」群像
說了這麼多，其實這些英雄材料在太空中的日子少不了整體平台的支持。
什麼樣的伐木累才能hold住這麼一群有著洪荒之力的材料英雄們呢？
下面一一介紹。
中科院空間應用中心作為空間應用系統總體部，對12項太空實驗設備結構、熱控、系統設計及研發，空間電子學、空間計算機和空間信息工程方面全系統提供技術支持，保障實驗進行過程中「機、電、熱」穩穩的進行。
綜合材料實驗是由中科院物理所和中科院上海硅酸鹽所共同牽頭負責，和院內外6個研究所和大學共同承擔的材料科學實驗項目。
其中，物理所作為該項目的行政指揮與主任設計師單位，主要負責項目空間實驗的總體技術與科學研究內容實現的總體設計、任務的組織與調度、實驗裝置與科學實驗樣品的系統集成與地面試驗等工作。
上海硅酸鹽所作為行政副指揮和副主任設計師單位，主要負責空間實驗方案的技術實現、空間裝置的研製，項目的質量管理，與物理所一起共同組織實驗裝置與科學實驗樣品的系統集成和地面試驗等工作。承擔項目的裝置研製和科學實驗任務的單位還有航天科技集團510所，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、上硅所、半導體所和金屬所。
最後感謝這些單位對本文提供寶貴資料與指導~
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