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盘点“天宫二号”中的材料制备测试实验

时间:2016-09-21 12:33 点击:

      2016年9月15日晚,天宫二号已成功发射。这是一个真正意义上的空间实验室,将开展十余项空间科学与应用项目。这一次,综合材料实验成为重头戏。

      “综合材料实验”共配有18个样品材料(12个实验样品,6个热物性测量样品),每次制备或测量6个样品,分三批进行实验。

      承担实验的装置由“材料实验炉”、“材料电控箱”和“材料样品工具袋”三个单机构成。整个装置共约27.6kg重,最大功耗不到200W。

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      据介绍,材料实验炉结构类似于一把“左轮手枪”——由加热炉单元构成的“枪管”和样品管理单元构成的转轮“弹夹”。

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      加热炉单元有一个直径18毫米的炉膛,空间材料的制备和处理就是在这个高温枪管中完成的。通过控制“枪管”中的温度,可实现材料的熔化和凝固,从而在空间微重力条件下制备出地面难以合成的高质量材料,“弹夹”内一次能够完成6种材料样品的高温制备和处理。

      当其中某个材料需要进行空间生长实验时,通过材料电控箱的控制,将料舱中的样品慢慢推入“枪管”,按预定工艺高温实验,完成这个工位样品的生长。以这种形式完成一个样品的高温实验后,可以把该样品退回到它所在的“弹夹”中,然后依次完成6个料舱中的样品实验。

      材料样品工具袋主要是用于携带实验样品,并由驻守的航天员对材料实验炉进行开盖换样操作,在航天员更换样品后回收完成实验的样品。

      而在天宫二号即将实施的十二个材料制备测试实验主要是基于微重力条件下制备材料,研究其对生长、性能的影响,揭示规律。具体如下实验内容如下:

      多晶碲化锌(ZnTe)

      通过“碲溶剂法”在微重力下生长ZnTe:Cu晶体。探索微重力下生长晶体的组分分布均匀性、缺陷浓度,研究揭示微重力下“碲溶剂法”生长高质量晶体的过程和机制,用以有效地指导地面晶体生长。

      介孔基纳米复合材料

      在微重力下,通过对组装有纳米颗粒的有序介孔复合材料(Au/m-SiO2)进行高温处理,制备一类第二相纳米粒子尺寸一致且高度分散的、具有增强的非线性光学响应性能的新型纳米复合材料;通过地基与空间合成材料的实验对比及理论分析,揭示材料显微结构与非线性光学响应之间的关系。

      多元复相合金空间凝固

      采用合金化结合掺杂的方法,探索三元共晶合金的三相竞争形核和协同生长机制,揭示三元共晶快速生长过程中组织形态转变规律。

      单晶金属合金的空间凝固和缺陷控制

      在空间和地面同样工艺条件下开展Al-Cu-Mg(铝-铜-镁)单晶合金的定向凝固生长实验,对比研究重力和微重力条件下Al-Cu-Mg(铝-铜-镁)单晶合金凝固微观组织的差异,分析微重力对枝晶形态、元素偏析以及疏松、杂晶和雀斑等的影响及相关规律。

      CsI闪烁晶体的空间制备和性能研究

      借助“天宫二号”提供的晶体生长平台进行空间晶体生长,重点研究微重力与晶体组分分凝的关系。探索空间微重力条件下固熔体晶体的组分分凝的特点,研究掺杂CsI晶体中掺杂离子分布均匀性与微重力条件的关系。

      新型金属基复合材料空间制备研究

      在微重力下,进行SiC/Zr-基合金新型复合材料的形成与凝固过程研究及润湿性和液/固界面原子交互作用研究,探索重力作用对金属基复合材料制备的影响机理,促进材料科学的发展和新型复合材料的实际应用。

      铁电薄膜外延生长:

      通过地基、空间对比研究,揭示sol-gel铁电薄膜外延生长的机制,建立铁电薄膜外延生长的工艺,生长出具有优良热释电特性的铁电薄膜材料,为研制性能良好的非制冷红外焦平面提供可靠的材料基础。

      红外探测器材料:

      在空间微重力条件下,采用改进的“布里奇曼法”生长红外探测器材料InTeSb;利用微重力条件下浮力对流消失的特点,实现标准化学配比及组分均匀的高质量InTeSb单晶制备;研究空间微重力环境下特有的材料生长现象及规律,特别是探索利用非接触生长降低材料缺陷浓度的可行性;通过地面模拟空间微重力实验条件,为地基制备高质量的红外探测器材料InTeSb奠定基础。

      磁性半导体InMnSb

      制备Mn(锰)组分均匀分布的InMnSb晶体材料,探索锰离子在InSb基质材料晶格中的占位情况及分布规律,了解锰的组分均匀性和材料磁性质之间的关系,获得InMnSb材料生长的规律性技术参数。

      热电半导体晶体空间制备及性能研究

      揭示多组元(Bi2Te3-Sb2Te3-Te)晶体生长过程中溶质输运的内在规律,还要重点研究热电材料组分(如碲Te)变化对材料热电协同(电导率、载流子浓度、塞贝克和热导率等)输运关联性的影响。

      偏晶合金空间定向凝固

      研究微重力条件下偏晶合金定向凝固过程及其形成机理,探明重力及其导致熔体对流对多元偏晶合金凝固过程和组织的影响。

      材料制备实验装置热分析实验和模拟研究

      通过空间和地面材料科学实验装置在实验过程中的温度测量,结合数值仿真计算,建立空间和地面材料科学实验装置传热特性分析的数值仿真计算模型。基于已建立的空间和地面材料科学实验装置传热特性分析的仿真计算模型,通过数值计算,从实验装置的热设计、样品安瓿的热设计、样品制备加热方案的优化等方面入手,建立地面样品模拟空间样品热环境的方法。
      据介绍,综合材料实验由中科院物理所和中科院上海硅酸盐所共同牵头负责,西北工业大学,中科院国家空间科学中心、上海技术物理研究所、半导体所和金属所共同参与。