从“炉”到“柜”，“太空炼丹炉”这样升级
2023年10月31日，中国空间站第五批空间科学材料类实验样品随神舟十六号载人飞船返回舱返回地面，其中有包括铝硅合金、锆基合金在内的5盒高温材料实验样品包。自2022年10月31日高温材料科学实验柜随梦天实验舱发射成功后，在轨已完成多盒材料样品的实验，并有两批次材料样品下行。为什么要在太空进行材料科学研究？空间材料科学实验设备又是怎样实现从“炉”到 “柜”的进阶的？我们来一探究竟。
一、为什么在太空进行材料科学研究？
材料科学主要研究物质结构、属性和加工过程之间的关系。在地面，这些关系受重力的强烈影响，我们很难对材料微观现象获得深入认识。而空间微重力和超高真空等环境可以为材料科学研究提供特殊的实验环境，浮力对流、沉淀、流体静力学压力等因素的影响变得很弱或者消失，可以简化对材料机理的研究。
因此，在空间微重力环境下开展高温材料科学实验研究对于认知材料物理与化学过程的本征规律、丰富和完善材料科学基础理论、指导和推动地基材料的制备工艺和生产、改善材料性能以及促进地面相关材料产业的发展都具有重要意义。
二、空间材料科学实验设备是如何进阶的？
1987年8月，中国首次利用第九颗返回式卫星搭载的空间多用途材料加工炉，在空间成功开展了半导体、金属合金及亚稳材料、复合材料、功能单晶等材料的制备实验与性能研究工作。此后，我国陆续成功研制了各种用途的空间材料科学实验装置，其中，3次作为神舟飞船的有效载荷，在天宫一号和天宫二号上搭载的材料实验炉圆满完成了一系列空间材料科学实验任务，取得一批重要的研究成果。
按照国内空间材料科学实验设备搭载航天器平台的发展历程，可以概括为搭载返回式卫星和“神舟”系列飞船的单批次材料实验炉、搭载空间实验室的多批次可人工换样操作的综合材料实验炉和空间站长期在轨的高温材料科学实验柜3个阶段。下面，向大家介绍我国各阶段具有代表性的空间材料实验设备。
01 单批次材料实验炉
神舟二号和神舟三号飞船上搭载了采用闭环控制多样品的多工位晶体生长炉。多工位晶体生长炉采用多样品设计，在一次飞行试验中可以进行6种以上材料的空间实验，最高加热温度950℃，炉体外壳温度≤40℃，采用了高效节能、精密控制、样品置换等专利技术和创新设计，具有体积小、重量轻、功耗低、多样品和高可靠性等航天产品的技术特点。
多工位晶体生长炉
02 多批次可人工换样的综合材料实验炉
2016年9月至12月，在天宫二号空间实验室中搭载的综合材料实验炉在轨成功完成了3批次18支材料样品的在轨科学实验。航天员通过开、合盖操作首次在轨参与了材料科学实验制备和多批次样品的管理和更换。
综合材料实验装置主要由材料实验炉和材料电控箱组成，样品工位数6个，工作温度最高可达950℃。该装置最大的特点在于利用最小空间设计了最多样品实验，设备密封性能良好。通过高温炉热防护技术，设备外壳温度不超过45℃，保证了航天员在轨操作的安全。
天宫二号综合材料实验炉
03 空间站高温材料科学实验柜
2022年10月，中国空间站高温材料科学实验柜搭载空间站梦天实验舱发射升空，主要用于开展微重力环境下高温材料科学实验研究，由于其加热炉最高温度可达1600℃，科研人员也亲切的将其称为“太空炼丹炉”。
空间站高温材料科学实验柜
通过充分利用中国空间站提供的舱内空间环境资源，以及航天员在轨操作、维护、更换能力，科研人员成功研发可满足未来有人参与和可长期在轨运行的、新一代具有先进性和综合性的多功能高温材料科学实验柜，形成既适应当下需求，又兼顾未来扩展的专用实验柜，满足未来10年以上科学实验需求。空间站高温材料科学实验柜将提供更广泛的制备材料体系范围、更多的主动控制技术手段、更丰富的在线反馈信息以及更加符合材料实验需求的热加工条件。
空间站高温材料科学实验柜
高温材料科学实验柜由柜体和科学实验系统两部分组成。高温材料科学实验系统安装在柜体上，主要包括高温炉模块、批量样品管理模块、X射线投射成像模块、控制模块等子系统。高温材料科学实验柜具有高温材料制备实验功能、X射线透射成像功能和对材料实验过程的实时观察功能。
高温材料科学实验柜内部
高温材料科学实验柜通过模块化设计，可依据功能需求在轨进行模块化更换。航天员通过开启批量样品管理模块密封门进行批量换样操作，单批次放置样品盒数量16个，加热炉设计最高温度1600℃，3个加热区，具有等温、梯度或区熔温场模式。同时，高温材料科学实验柜具有水冷和附加旋转磁场功能，可实现样品较快速度主动冷却和对熔体流动的主动控制。
高温材料科学实验柜内部
高温材料科学实验柜为空间材料科学研究提供了多样化的先进技术条件和功能，丰富了材料科学家在太空中进行高温金属及合金材料、半导体材料、晶体材料、复合材料、能源材料、生物材料、纳米材料和新材料研究，对研究微重力下材料科学基础科学问题，解决我国发展高端装备、大科学工程、高端芯片急需的“卡脖子”材料中的关键科学问题和技术有重要的帮助，为研发颠覆性的材料制备技术和特殊应用背景材料的研究提供了坚实的基础。
高温材料科学实验柜内部
高温材料科学实验柜综合能力较中国以往的空间材料实验设备有显著的提升，具有明显的技术先进性，主要技术指标已经达到或者优于国外水平。此外，包含X射线投射成像和光学实时观察的在轨实时观察实验系统，将极大提升材料实验过程的在轨实时检测能力。同时，高温材料科学实验柜在标准化、模块化和控制自动化方面可以进一步优化，建立可长期在轨进行综合化、集成化的空间材料实验平台。
空间材料科学实验设备作为关系到空间科学实验成败和研究内容的深度和广度的实验平台，其作用至关重要，在后期也将长期在轨应用。经过多年研究，空间材料科学实验设备已从最初功能简单、结构单一的模式，逐渐趋向于发展成为集材料制备、处理、实时观察、测试和在线分析等功能于一体的综合实验系统。后续，我们将为您介绍科研团队对高温材料实验样品取得的最新研究成果。
来源：中国载人航天微信公号