空间材料

空间材料科学
空间材料科学系研究空间环境条件下材料加工、生产工艺过程的物理规律，从而获得性能全新的材料。

从材料生成机理看，空间材料可分为晶体生长和金属、复合材料制备两类；按材料的性能用途分，它又可分为包括半导体、超导、磁性和光纤等在内的功能性材料，包括合金、金属、泡沫多孔和复合材料等在内的结构材料，以及陶瓷、玻璃材料等几类。

在航天器上利用空间微重力条件进行材料科学研究和实验，已取得了很大进展。

在空间失重环境中，对流、沉积、浮力、静压力等现象都消失了，另外一些物理现象却显现出来。

例如，液体的表面张力使液体在不和其他物体接触时，紧紧抱成一团，在空中悬浮；液体和其他物体接触时，液体在物体表面能无限制地自由延展。

太空毛细现象加剧了液体的浸润性，气体泡沫能均匀地分布在液体中，不同密度的液体可均匀混合。

通过大量的研究实验，不仅清楚地认识了这些在微重力环境下产生的物理现象以及产生这些物理现象的机理，而且也进一步了解了地球重力环境限制材料加工的各种因素。

利用这些在微重力环境下特殊的空间物理现象和过程，人类已试验了空间焊接、铸造、无容器悬浮冶炼等工艺，冶炼出高熔点金属，制造出了具有特殊性能的各种合金、半导体晶体、复合材料和光学玻璃等新材料。

40年来，已在各种航天器上进行了许多次空间材料实验，从而对空间晶体生长和空间材料加工过程中的特殊现象及其规律有了较深入的了解，并取得许多新的成果。

美国早在阿波罗号飞船上就开展过微重力条件下的材料科学实验。

1973年发射升空的“天空实验室”空间站上，航天员进行了28项微重力研究实验，1975年在阿波罗号-联盟号联合飞行中又开展了13项微重力实验。

自1981年航天飞机飞行以来，美国航天员利用空间微重力环境开展了晶体生长、特殊材料的工艺研究和生产，特别是把空间微重力实验室送入轨道进行材料加工，生产砷化镓晶体等材料。

苏联于1969年在联盟号飞船上首次进行了金属焊接和切割试验，研究了微重力下的熔融金属性状，在礼炮号空间站上进行了微重力材料加工，拉出了重1.5千克的均匀单晶硅，制备了碲镉汞半导体材料、陶瓷和光学材料，还生产出球体伍德合金和铝镁、钼镓、铝钨、铜铟和锑铟等多种合金材料。

在礼炮号空间站上共使用各类微重力实验设备175种，带回3500多千克的实验样品。

在和平号空间站上专门有一个叫晶体号的工艺舱，航天员利用其上的专用设备制取了纯度极高的半导体材料，生产了直径为5厘米的砷化镓晶体。

总之，利用空间微重力条件，人类已在难混合金、复合材料、功能材料的制造实验和空间加工工艺方面，取得了很大发展。

中国利用自选研制、发射的返回式卫星，多次搭载空间晶体炉，进行空间材料加工实验，研究了解砷化镓单晶、碲镉汞晶体的生长，超导材料的烧结，铝基碳化硅复合材料的制备，钯镍磷、锑化铟、锑化镓、铝铌合金的生长。

中国利用返回式卫星进行微重力条件下空间材料加工试验，主要包括单晶生长、超导材料和合金凝固等多项。

例如，在地面混合并与石英管浸润的镉铟样品，经空间熔化后分离成两个成分分别为镉和铟的球体，并且与石英管都不浸润。

通过空间进行铝锂、锌铅、铝铅、铝铌、铝锌铋等难混合金和偏晶合金凝固试验，发现空间的块状锌铅样品中实现了弥散相分布。

在空间粉末液相烧结中也能够得到定向生长的晶体结构。

所有这些实验成果表明，中国空间材料科学研究迈上了一个新的台阶。

叶培建指出，人类发展空间事业，是为了探索外层空间，扩展对地球和宇宙的认识，和平利用外层空间，促进人类文明和社会进步，造福全人类，满足经济建设、科技发展、国家安全和社会进步等方面的需求，提高全民科学素质，维护国家权益，增强综合国力。

而材料在人类社会的发展中至关重要，它同能源、信息技术共同构成了当今新技术革命的三大支柱。

金属材料、非金属材料、复合材料等通过不同分系统应用于航天器。

航天器材料的一般要求为低密度、机械性能、物理性能、空间环境稳定性、真空出气、制造工艺性、形状适应性、初次加工工艺性、二次加工工艺性、可检测性等;耐空间环境要求为真空、带电粒子辐射、辐射、高低温交变、极端高低温、原子氧、腐蚀;材料细节的精细要求为结构材料的微观组织、夹杂、含气量等，功能材料的功能参数灵敏度等，胶黏剂的强度、固化温度、固化时间等，电绝缘介质的电阻率、击穿强度、损耗、介电常数。

叶培建认为，未来航天飞行器对材料的需求为：降低重量：提高功能密度比和性能是航天器的永恒追求;高模树脂基复合材料：卫星主结构、微波和光学有效载荷结构都将大量应用树脂基高模碳纤维增强复合材料，但其国产化技术目前仍是瓶颈，与国产纤维和先进制造工艺匹配的高性能树脂的开发和优化需要同步开展，以提高材料的性能和耐空间环境的能力;金属基复合材料：高体积分数颗粒增强铝应用潜力大，但材料产业化能力不足，加工、焊接、
表面改性等工艺需进一步提高，纤维增强铝，纤维增强镁的制备工艺有待提高或突破;铝合金材料：建议推进铝-锂合金等在大型焊接密封舱段中的工程应用;防热材料：防热材料是飞行器返回过程中的关键之一;能源材料：需要突破制备工艺，提高转换效率;大口径光学材料：大口径光学相机是提高我国对地观测能力的关键，光学材料及加工技术是其中的瓶颈之一;超导材料：高温超导薄膜材料制备的微波器件插入损耗将大大减少;纳米材料：利用纳米材料的特性，可提高多种航天器材料的性能，目前成果多限于实验室研究阶段，需要突破工程应用瓶颈。

据天津工业大学复合材料研究所所长陈利教授介绍，为了适应严酷的飞行环境和减轻结构重量，“神舟八号”飞船的结构材料选用了高性能复合材料，天津工业大学研制的三维纺织增强材料成为复合材料关键部件的首选增强骨架材料。

据了解，三维纺织增强材料具有高维自由度的可设计性。

到目前为止，三维纺织增强材料被认为是提高复合材料的强度、抗烧蚀、抗热震和抗蠕变等性能的最为有效的方法，同时也是实现飞行器热结构一体化设计制造的技术关键，因而成为新一代飞行器研制的核心技术和重点发展领域。

昨天，记者从上海航天技术研究院获悉，该院在天宫一号目标飞行器任务中承担了资源舱结构与总装、电源分系统、对接机构分系统、测控与通信分系统配套单机以及总体电路分系统资源舱电缆网的研制任务。

资源舱“燃料”增多总重却减10%
作为天宫一号的能量和动力之源资源舱，要与运载火箭和实验舱相连接，除了要确保连接可靠外，舱体内外还安装了多个分系统近200台设备以及大量管路、电缆等。

这些对资源舱的结构设计、安装及测试都带来了很多难题。

研制过程中采用了大量新技术，新工艺。

从设计之初，资源舱就面临“减肥”的难题。

因为此次资源舱携带的推进剂比之前神舟飞船增加了50%以上，但工程主体还是希望能为舱段
实施减重。

这样一来，之前采用的铝合金难以满足要求，首次采用了铝锂合金作为原材料，成功为舱段减重10%。

为了维持目标飞行器长期在轨要求，整器所携带的空气和氧气远大单艘飞船的携带量，为此环控与生保分系统采用了大容量高压复合材料气瓶进行气体储存。

据悉，这个气瓶充气前后直径方向变化较大，资源舱总装设计了具有一定弹性的气瓶安装条带，解决了气瓶难以安装的问题，大大减轻了气瓶安装支架重量，为整器减重作出了贡献。

电源太阳能“翅膀”采用新工艺
对于载人航天而言，电源分系统历来是飞行器的生命线。

此次，天宫一号上的高压半刚性太阳电池翼，这种技术我国航天器电源分系统的首次应用。

外形上看，两块太阳电池翼上像一双“翅膀”，覆盖着块块黑色的太阳电池片，展翅欲飞。

面对空间站低轨环境，以前高轨卫星使用的全刚性电池板显然不能适用。

经过大量的工艺试验，上海科研人员确定了玻璃纤维网格面板的含胶量和实际操作中胶液浓度等工艺参数，确定了碳纤维框架加玻璃纤维网格的半刚性结构形式。

对接已经走过了16年研发路程
为了神八与天宫的“太空之吻”，上海航天技术研究院805所研制队伍从1995年着手对接技术原理研究、仿真探索，到1999年制造出了第一台1：1的原理样机，从2000年开始十项部件级关键技术攻关，到2002年研制面向工程应用的对接机构攻关样机和四项大型系统级地面模拟试验设备，从2005年对接机构分系统正式立项到2009年12月完成初样研制转入正样工作，到2010年11月完成正样产品研制交付，再到2011
年到基地靶场试验，16年的研制之路让产品从无到有，从有到精，对接分系统的路程还在继续。

哈飞集团领军攻关“大飞机”新材料，国家级树脂基复合材料结构制造技术研究应用中心在哈挂牌。

国家级树脂基复合材料结构制造技术研究应用中心，日前在哈尔滨飞机工业集团挂牌成立。

这标志着哈飞将以“领军者”的身份与国内多家科研、生产单位，共同担负起攻克国产复合材料研制生产难关的重任，为中国“大飞机”等航空产品研制生产自主化的先进复合材料。

此举也将进一步促进哈尔滨民用航空产业国家高技术产业基地建设，带动地方经济发展。

树脂基复合材料是复合材料的一种，国际上已将这种重量轻、强度高、耐磨损、抗疲劳的新材料大量用于航天、航空领域，国外最先进的飞行器上复合材料使用量已超过35%。

哈飞自上世纪起通过国际合作开始树脂基复合材料的加工生产，目前已建成7万平方米的复合材料生产车间，并装备了大量先进的复合材料生产设备，培养出一大批复合材料生产人才，成为国内最大的航空复合材料生产基地。

由于材料、设计、工艺一体化技术仍处于较低水平，目前国产航空复合材料自主化程度还不高，尤其在飞行器主承力结构方面的工程应用还存在问题。

随着我国航空工业的发展进入一个关键时期，性能先进的飞机、直升机，包括国产“大飞机”对复合材料的应用提出了很高的要求，国内航空复合材料的研发生产现状，已逐渐成为制约我国航空工业发展的瓶颈之一。

为此，国家决定成立国家级树脂基复合材料结构制造技术研究应用中心，整合国内复合材料科研、生产单位的力量，搭建国家级航空复合材料研发生产平台，加速提升我国复合材料生产水平。

该中心以哈飞集团和成都飞机工业集团为应用依托单位，中国航天科技集团第703研究所为技术依托单位，由国内多家企业共同组成。

中心各单位组成理事会，以哈飞集团为理事长单位，开展树脂基复合材料结构制造相关技术的研发、工程应用等工作，加速这种新材料研究成果向生产转化，满足生产国产“大飞机”等飞行器的需求。

哈市发改委有关负责人表示，哈飞牵头建设国家级复合材料研制应用中心，将推进航空高技术成果在哈尔滨市的转化，进一步加快哈尔滨民用航空产业国家高技术产业基地的建设，聚集相关项目、资金
和技术，对哈尔滨市经济发展将会有很强的促进作用。

“没有材料是做不成飞机的，材料占飞机质量的69%，发展大飞机，材料要先行，而发展飞机材料本身也会带动其他行业的发展，我们要借这次沙龙活动为支持国家大飞机的发展做一些探讨，出一些预研课题。

”早些时候两院院士师昌绪先生在《新材料产业》杂志组织召开的题为“大飞机与新材料”的高层次沙龙上大声疾呼，他还提出材料界要加快大飞机材料的开发。

我国政府正式宣布大飞机项目立项后，引起了国内外的广泛关注。

大飞机代表了科技和工业基础的制高点，所带动的产业链效益是空前的，对一个国家的国民经济发展起到积极的推动作用。

作为飞机制造关键的新材料开发和应用更是重任在肩。

在这样的背景下，《新材料产业》杂志组织召开了这次沙龙。

不少院士在分析大飞机的结构和材料的基础上，提出结构复合材料和钛合金应用量加大是大趋势，我们的大飞机如果要与波音空客的机型竞争，在复合材料方面都还需要提升；关桥院士介绍了搅拌摩擦焊在飞机制造中的应用；曹春晓院士则对飞机的选材问题做了深入分析，并提出国内在航空材料已有较好的基础，大飞机应尽可能选用国产材料。