瞭望访谈丨走出自己的空间材料科学之路——专访中国科学院院士 魏炳波

◇经过38年努力，特别是载人航天工程实施的32年来，在中国载人航天工程空间科学首席专家顾逸东院士的具体指导下，经过两代人奋斗，在我们选定的若干研究目标范围内，取得了国际瞩目的科技成果

◇我们团队边建设、边研制、边研究，从图纸设计到零部件安装、实验设备调试都亲自动手，所研制的实验设备具有完全自主知识产权

◇要把在太空环境中做科研的优越性找出来，用以指导改进地面上的科研环境，这是更容易产生新质生产力的方面

想让战斗机的飞行性能更好，一方面是减轻飞机重量，另一方面是提高发动机性能，铌合金能让发动机耐更高温，从而提升战斗机性能。但铌属于难熔金属，熔点高达2468℃，冶炼中很难找到合适的容器，在铌熔化前往往冶炼容器就先熔化了，以铌合金为代表的难熔合金相关研究十分困难。

太空中拥有特殊的微重力环境，如果能在空间站中对飘浮的铌合金进行激光加热、熔化、冷却、过冷和凝固等研究，就能很好地解决容器问题。

这一设想正在变为现实。西北工业大学魏炳波院士领导的空间材料科学与技术研究团队，利用中国空间站无容器材料实验柜，成功获取了难熔合金熔体的关键热物理性质，在空间凝固制备方面取得了多项科学新发现，有力推动了难熔合金从地面研究向外太空研究的拓展。

中国科学院院士、中国载人航天工程空间材料科学首席科学家魏炳波向《瞭望》新闻周刊记者介绍，“跟欧美航天强国相比，我们的空间材料科学差距在于研究覆盖面不如他们，但是我们有独立自主的空间站，在我国选定的15到20种材料体系内，已经走到了世界空间材料科学的前沿。我们的研究要引领世界，还需要10～15年时间，刚好是我们空间站运营的10～15年内要实现的目标。”

我国空间站取得难熔合金研究重要成果

《瞭望》：研究空间材料科学的重大意义是什么？我国空间材料科学是如何发展起来的？

魏炳波：空间材料科学是材料科学与空间技术相融合形成的一个交叉学科领域，主要研究内容是在外层空间以微重力、无容器、高真空和强辐射为特征的超常环境中，探索各类材料的物理化学性质、相变过程规律、合成制备和加工成形原理及其最终服役性能。发展方向首先是利用外层空间的特殊环境条件进行材料科学研究，其次是为各类材料的空间应用奠定坚实的科学基础。

载人航天在过去五十年中蓬勃发展，促进了空间材料科学的萌生和兴起。纵观世界各国研究历程，这一材料科学分支起源于20世纪60年代的零星空间搭载实验，经历了七八十年代试图建立空间材料加工厂的非理性阶段，90年代进入理性而稳定的研究时期。美国通过航天飞机，在八九十年代做了大量的空间材料科学实验。21世纪以来，美俄欧日多国联合建立了“国际空间站”，成为继苏联“和平号”空间站之后在轨运行的最大空间科学研究平台。

我国自1986年启动863计划以来,正式部署了空间材料科学研究。当时中国科学院物理研究所的陈熙琛先生是863计划专家组的责任专家，负责空间材料科学研究的组织工作，研究团队包括了中国科学院的物理所、金属所、硅酸盐所、半导体所、热物理所、力学所、兰州化物所等单位，以及我当时正攻读博士学位的西北工业大学，还有哈尔滨工业大学、北京航空航天大学等几所院校。同时，国家自然科学基金委也部署了空间材料科学的相关项目。

到了1992年，我国启动载人航天工程，强力推动了空间材料科学的研究。空间材料科学研究随着中国载人航天“三步走”战略逐渐发展起来。

总的来看，经过38年的努力，特别是载人航天工程实施的32年来，在中国载人航天工程空间科学首席专家顾逸东院士的具体指导下，经过两代人奋斗，在我们选定的若干研究目标范围内，取得了国际瞩目的科技成果。例如，中国科学院硅酸盐所刘学超研究员团队做的多种功能晶体材料，兰州化物所刘维民院士团队做的摩擦润滑材料，金属所赵九洲研究员团队做的相分离材料，还有西北工业大学团队做的多元合金的空间快速凝固等。我们在这些研究方面已经走到了世界前沿，有一些起到了引领作用。但欧美等航天强国起步早、研究覆盖面广，相比之下，我们的空间材料科学研究还要努力做强做大。

《瞭望》：今年你带领团队发表了一系列在中国空间站进行的空间材料科学研究论文，这些研究有哪些突破？

魏炳波：相对固相而言，液相和气相对空间环境条件更为敏感，因此各类材料的液态结构与性质、液相和气相运动规律、液固和气固相变动力学以及材料成形过程调控机理一直是空间材料科学研究的主要任务。在中国载人航天工程空间应用项目和国家自然科学基金基础科学中心项目共同支持下，我们空间材料科学与技术研究团队借助中国空间站，成功完成了难熔合金微重力条件下的液态性质测定与快速凝固等重要实验，并取得了五方面成果：

第一，难熔合金液态性质的精确测定。微重力环境下，悬浮合金熔体呈现完美的球形。在此基础上，我们精确测定了从超高温到极端深过冷温度范围内液态铌合金、锆合金的密度、热辐比等材料制备必不可少的关键物理性质。

第二，合金表面形核控制。液态合金在小过冷条件下，表面出现多点形核，凝固呈球形。而在大过冷条件下，表面的单点形核导致凝固偏离球形。通过调控形核点数量与位置，为合金材料的形态控制提供了新的思路。

第三，微重力环境下合金表面结构调控。在微重力条件下，利用静电场，通过激励合金熔体，在表面形成周期性波纹结构和特殊的涡旋组织，这为调控表面组织结构提供了新的方法。

第四，液滴表面凝固收缩。我们发现微重力凝固后的缩孔具有特定规律。通过调控凝固收缩动力学过程，可以获得不同的缩孔分布形态，从而减小缩孔对合金组织性能的影响。

第五，共晶合金的“解耦”生长。共晶合金的特征在于耦合生长，然而，在中国空间站开展的难熔铌合金凝固实验中，我们惊奇地发现，铌和铌硅化合物原本共晶的两相，可以“解耦”生长。这一发现揭示了材料调控的新路径，预示着在太空环境中可以制备更高性能的合金材料。

“地面画龙 太空点睛”发展空间材料科学

《瞭望》：你留学回国后是如何带领团队进行“地面画龙 太空点睛”空间材料科学研究的？

魏炳波：空间材料科学研究有两条技术路线：一是采用空间站、航天飞机和宇宙飞船等航天飞行器进行真实的空间科学实验；二是通过自由落体、悬浮技术和高强物理场等仿真手段进行地面模拟实验。制约这一学科领域发展的主要矛盾在于：材料科学是一门与工程技术密切结合的实验科学，必须开展大量系统的空间科学实验。但是空间实验不仅受制于高昂的成本，而且飞行搭载机会有限。因此，地面模拟画龙、空间实验点睛，也许是空间材料科学发展的优化途径。

1992年我回国后，用了30年时间研制了5台实验装备，利用这些实验装备我们基本上可以系统地在地面上用电磁悬浮、气动悬浮、静电悬浮、超声悬浮，还有金属熔体自由落体5种方式，创造了一些太空仿真条件。我们团队边建设、边研制、边研究，从图纸设计到零部件安装、实验设备调试都亲自动手，所研制的实验设备具有完全自主知识产权。

《瞭望》：当前正在太空开展实验的静电悬浮实验系统，其工作原理是什么？

魏炳波：在地面实验室，静电悬浮是利用静电场所提供的电场力来克服重力，从而实现无容器状态。它可适用的材料种类广泛，只要样品产生了足够多的电荷量就可实现悬浮，而且材料可在真空环境中保持稳定悬浮状态，避免了介质的影响。与电磁悬浮、超声悬浮和气动悬浮相比，静电悬浮不存在电磁搅拌、超声空化和气流扰动，外场对样品的影响很小。因此材料可在近似完全静态环境中实现无容器熔化和凝固，从而使材料熔体易于获得深过冷，便于对过冷态物理化学性质和凝固过程进行实时原位测定。

空间站静电悬浮相较于地面静电悬浮，不需要克服重力，仅需控制样品位置，其原理是根据样品位置变化，调控样品库仑力的大小和方向，使之动态“定位”于设定的位置。与地面实验相比，所需要的电压更小，对样品的干扰远小于地面实验，进而提供更理想的科学实验条件，例如微重力条件下，液态样品更圆，样品的振荡更理想。

走出自己的空间材料科学之路

《瞭望》：未来我国材料科学的发展方向是什么？

魏炳波：我国已经成为材料科学大国、材料产业大国。随着人类对深空、深海、深地的科学探测，极大地拓展了材料的应用空间范畴和合成制备与成形加工的环境边界。

第一，在深空方面，通过载人航天，我们在外层空间近地轨道形成了一个矩阵，如果一直沿着空间这条线下去，就是从空间站走向深空探测、月球甚至走得更远。深空面临高辐射等极端环境，这为空间材料科学的发展带来新的问题。在我国空间站10～15年的运营期里面，我们要做出更有影响力的真正原创性的材料科学与工程方面成果。

第二，在深海方面，随着深海探测技术的进步，我们能够在深海高压和高腐蚀性的环境中进行科学研究和资源开发。这要求材料不仅要能承受极高的水压，还要具备优异的耐腐蚀性能。我国在深海材料领域的研究将进一步推动海洋工程和海洋资源开发，提供更加安全可靠的材料支持。

第三，在深地方面，科学探测和资源开采使我们能够深入地球内部，这种探测和开采活动要求材料能够在高温、高压和强腐蚀性的环境中长时间稳定工作。发展适应深地极端环境的材料，不仅对地质学和矿产资源开采有重要意义，也对核能、地热能等新型能源的开发提供了材料保障。

《瞭望》：如何发挥中国空间站最大作用，推动我国材料科学研究世界领先？

魏炳波：我国经多年努力迎来自己的空间站时代，这为空间材料科学的发展开辟了更加广阔的前景。发挥中国空间站的最大作用，需要两条腿走路，要在空间站做两种科研。

第一种科研是实验环境在地面上模拟不出来，需要到空间站内研究的空间科学问题。例如马兰戈尼对流、流体静压力消失等，这些现象在微重力条件下表现出与地面实验完全不同的特性。这些研究有助于我们理解和控制流体行为、晶体生长过程，从而开发出在地面上无法实现的新材料和新工艺。通过在空间站上的实验，我们可以获得在地面上无法实现的精准数据，为新材料的开发提供宝贵的理论基础。但要实现空间科学研究的重大突破很难，因为现在已经没有科研无人区，我们做得更多的是在前人发现基础上的扩展。

第二种科研是天上可以做，地上也可以做的科研，但要把在太空环境中做科研的优越性找出来，用以指导改进地面上的科研环境。例如在极端特殊的空间环境里边，我们找到解决材料合成、流体力学、生命科学技术的核心问题，反过来指导地面科研，这是更容易产生新质生产力的方面。在空间站未来10～15年的运营期内，我更寄希望于这种科研模式。

（《瞭望》2024年第27期 ）