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【科学大院】“天宫二号”科普来了(三):综合材料实验·材料篇
2017-02-07 08:19:58 | 编辑: | 【 【打印】【关闭】

  即将发射的“天宫二号”太空实验室史无前例地承载了10余项太空实验,其中好比科幻英雄的“综合材料”实验就藏在其中。

  那么这个“综合材料实验平台”是怎么回事呢?我们先从这个平台将要实验的材料聊起,花样多多,可要做好心理准备呀~

  那些未来世界的“英雄材料”

  本次“综合材料实验平台”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。

  为了方便大家记忆,这里我们根据材料的特点和漫威人物对应了起来,虽然性能不会非常一致,但力求有相关性,希望你们喜欢~

  多晶碲化锌(ZnTe):

  这种太赫兹材料未来将帮助我们实现建造更为高效且灵敏的外太空探测器的梦想。

银盘侠:光溜溜的冲浪板和光溜溜的我,光溜溜的我从光溜溜的冲浪板里冒出来~

  在“天宫二号”空间实验室,通过“碲溶剂法”用综合材料实验装置进行微重力下ZnTe:Cu晶体生长的科学实验。

  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,提高材料质量,也为空间材料加工积累经验。

  目标是在“天宫二号”上完成晶体生长的实验,以期获得组分更为均匀、缺陷浓度低的晶体样品。

  介孔基纳米复合材料:

  期待更加完美的光通信材料。

雷神:看我胳膊上的大小一致还闪闪发光的铠甲,是不是很有科技感,如果是纳米科技的就更给力啦~

  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。

  组元复相合金:

  1+1+1>3,更轻更小运行速度更快的电子设备是不是很值得期待呢?

  

三人组:要要切克闹,我们都穿红色不过款式不一样~小虫的胸口有只八脚怪,DD的胸口是DD,DP喜欢红黑两眼银光~要要切克闹,煎饼果子来三套~

  采用合金化结合掺杂的方法,如三元体系(Bi-Te-Se和Bi-Te-Sb)和四元体系(Bi-Te-Se-I),可以增强声子散射,降低晶格热导,优化载流子浓度,提高功率因子,从而提高其热电优值(ZT值),为较大幅度提高热电材料的性能和转换效率提供科学依据,为进一步提高我国材料科学实验水平和实验装置的研制能力提供技术积累。

  单晶金属合金:

  更轻更硬更完美的未来合金材料。

魔形女:你喜欢什么类型的女生?我给你变啊~

  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。

  闪烁材料:

  没有它,骨科医生可再也看不到X光的片子了。

  X教授:颤抖吧渺小的人类,你们在我主脑里面不过是一些亮光~

  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。

  掺杂CsI晶体很早以前便在工业中获得了大规模的应用,但是晶体生长过程中由于组分分凝而导致的发光等性能的不均匀性一致还没有完全解决。

  新型金属基复合材料:

  古代十八般武器中要是有了这种材料,肯定牛上天了!

金刚狼:在人体实验的时候,把融化的艾德曼金属注入到身体里,然后让它凝固的时候真是痛死了!不过新爪子不错~

  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。

  铁电薄膜红外焦平面列阵:

  用热成像看清世界的每一丝细节。

美国队长:自从用上了外延生长技术,我的盾牌从此也光溜溜的反光了!快看我的盾牌!哒啦~

  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:

  未来战场的“千里眼”。

猎鹰:实不相瞒,高科技侦查眼镜帮了我很大的忙,但还是被蚁人捉弄的不轻…唉,心累…

  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:

  小小自旋,翻转天地——未来自旋电子器件。

万磁王:有磁的地方就有我万磁王,膜拜吧人类们!

  通过本次搭载实验,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。

  高性能热电半导体:

  新一代的控温大师。

霹雳火:我不想玩火了,我的女朋友说她喜欢来电的感觉!

  本次实验,除了要揭示多组元(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,这是一项具有一定的先进性和前沿性的实验。

  偏晶合金空间定向凝固:

  一言不合,换个模式冻起来。

  冰人:定向凝固?你找专家啊~我就是专家,一万美元给你演示一次~

  难混溶合金所具有的特殊的力学和物理性能及其在工业上的应用前景越来越受到人们关注。

  长期以来,材料科学家致力于偏晶合金的凝固过程研究,期望能通过使用合理的凝固方法和优化的凝固过程工艺参数,获取具有理想凝固组织的偏晶合金材料,满足工业需求。

  材料制备实验装置分析实验和模型研究:

  上面提到的材料没有我进行热平衡,材料宝宝们都会夭折在摇篮里哦。

钢铁侠:早就说要你好好学习,看,又要麻烦我帮你分析!收费两万美元。

  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。

  要想在“天宫二号”上成功做实验,光有材料可不行,还需要有承载实验的设备,这就不得不说说这个“综合材料实验平台”的结构组成。

  千锤百炼的“炉子”

  整个“综合材料实验平台”分为三部分,装置主体为材料实验炉(没错,是个炉子,每次可以制备或测试6个样品),除此之外,还有电控箱(用以精确控制实验炉工作)和样品袋(内装有12只安瓿,安瓿是一种密封的样品管,内含需要制备或测试的材料,实验炉本身已预装了6种样品材料,再加上这12只安瓿里的材料,就是我们上面提到的18种材料喽)。

 

  整个装置共约27.6kg重,最大功耗不到200kW,温控范围500℃至950℃(真空)/720℃(非真空),温度稳定程度为±0.5℃,能很好地满足实验需求。

  同时,它具备人机工效学设计,将首次实现我国有人在轨参与的空间材料实验操作。

  整个装置从设计到最后确定技术指标总共经历了33个月(2013年10月至2016年6月),材料炉主体的前后共经历了60次修改最终才敲定,而看似最简单的样品袋则经过测试-重新设计了14次(最终样品袋中装安瓿瓶的袋口被设计为喇叭口形,这是需要多精心设计才能注意到的细节啊…)。

  为了确保实验装置在太空中可以正常工作,所有的单件都需要经过严格的测试,而对于材料炉主体和电控箱的测试更是需要经过振动、密封、热循环(老炼)检测以及冲击等严格测试,以模拟从升天到进入太空的各种苛刻的环境(样品袋不进行热循环检测)。

  总之,该装置凝聚了研究人员多年的心血才最终成功设计制作完成,是真正意义上的千锤百炼。

  说了这么多,其实这些英雄材料在太空中的日子少不了整体平台的支持。

  什么样的伐木累才能hold住这么一群有着洪荒之力的材料英雄们呢?

  下面一一介绍。

  中科院空间应用中心作为空间应用系统总体部,对12项太空实验设备结构、热控、系统设计及研发,空间电子学、空间计算机和空间信息工程方面全系统提供技术支持,保障实验进行过程中“机、电、热”稳稳的进行。

  综合材料实验是由中科院物理所和中科院上海硅酸盐所共同牵头负责,和院内外6个研究所和大学共同承担的材料科学实验项目。

  其中,物理所作为该项目的行政指挥与主任设计师单位,主要负责项目空间实验的总体技术与科学研究内容实现的总体设计、任务的组织与调度、实验装置与科学实验样品的系统集成与地面试验等工作。

  上海硅酸盐所作为行政副指挥和副主任设计师单位,主要负责空间实验方案的技术实现、空间装置的研制,项目的质量管理,与物理所一起共同组织实验装置与科学实验样品的系统集成和地面试验等工作。承担项目的装置研制和科学实验任务的单位还有航天科技集团510所,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、上硅所、半导体所和金属所。

  最后感谢这些单位对本文提供宝贵资料与指导。

  转自【科学大院】(中国科学院官方科普平台)

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