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為材料人們點贊！這些材料技術助力“天宮”空間站建設

2021-06-28 10:32:07 作者：材料人來源：材料人分享至：

2021年6月17日9時22分，隨著點火指令的下達，搭載了神舟十二號載人飛船的長征2F運載火箭如豎立的長劍拔地而起，刺破蒼穹，將三位航天員送入了預定軌道。而這三位航天員本次太空之旅的目的地正是我國自主研發制造的空間站“天和”核心艙。神舟十二號載人飛船是我國空間站任務階段第一艘載人飛船，代表了我國空間站的建設進入了一個全新的階段，而美俄主導的國際空間站預計將于2024年退役，屆時我國的空間站將成為人類唯一在軌運行的空間站，回想當年中國被美排除在國際空間站計劃之外，到如今建成自己的空間站，真可謂當初你對我愛答不理，如今我讓你高攀不起，令無數國人揚眉吐氣。

而在我國空間站建設的背后，也有一批材料科學家們攻堅克難，用先進的材料技術為“神舟”飛天，“天宮”落成提供強有力的保障。下面我們就對已經報道出來的一些助力航天科技發展的材料技術進行簡單盤點。

一、用于“天和”核心艙電推進系統霍爾推力器的氮化硼陶瓷基復合材料

電推進系統也稱電火箭發動機，是一種先進的空間推進技術，其中的霍爾推進器可以依靠強磁場和電場，利用離子流和電場形成了霍爾效應。這種裝置不需要使用燃料，僅利用電能噴出的離子流為核心艙提供動力。而霍爾推力器中等離子體的電離、加速均在由氮化硼陶瓷基復合材料做成的放電腔中完成，因此放電腔可以比喻成霍爾推力器的“心臟”。據報道，中科院金屬所沈陽材料科學國家研究中心陳繼新副研究員團隊通過研制具備高強度、抗熱震、絕緣性能好等優點的氮化硼基復合材料，攻克了普通氮化硼陶瓷材料強度低和抗離子濺射能力差等缺點，使其能夠廣泛應用在重大航天計劃中，滿足了航天器對陶瓷腔體材料的高要求。（來源：中科院金屬所官網）

陳繼新副研究員2001年于哈爾濱工業大學獲得碩士學位、2005年于中科院金屬所獲得博士學位，目前在中國科學院金屬研究所高性能陶瓷研究部任副研究員，主要研究方向是：可加工陶瓷及復合材料的制備、表征與應用。已發表論文200余篇，被引4000余次，h因子為36。（來源：中科院金屬所官網）

下面我們通過Web of science檢索選取一篇陳繼新副研究員近期發表的關于氮化硼基復合材料的論文進行簡單介紹。

1. h-BN/SiO2/Yb-Si-Al-O復合材料中雙玻璃相的形成和熱穩定性

中科院金屬所沈陽材料科學國家研究中心陳繼新副研究員團隊在本文中研究了 h-BN/SiO2/Yb-Si-Al-O 復合材料中玻璃相的形成和微觀結構演變。Al2O3的引入使得SiO2 可以在較低的溫度（~1600°C）下轉化為無定形二氧化硅。另一方面，隨著溫度的升高，Al3+逐漸溶解到硅酸鐿（Yb2Si2O7）中，加速了非晶Yb-Si-Al-O玻璃相的形成。在高達 1880°C 的溫度下，細小的球形 Yb-Si-Al-O 玻璃顆粒和不規則的無定形二氧化硅均勻分布，使得復合材料具有優異的機械性能。熱穩定性研究結果表明，更多的[AlO4]單元可以有效抑制Yb-Si-Al-O玻璃相的結晶，但隨著熱處理溫度的升高，復合材料的力學性能仍然緩慢下降。例如，當處理溫度從 800°C 升高到 1200°C 時，含有 1.5 wt.% Al2O3 的復合材料的彎曲強度從 297±30 MPa 下降到 284±22MPa。

Formation and thermal stability of dual glass phases in the h-BN/SiO2/Yb-Si-Al-O composites, J. Eur. Ceram. Soc., 40, 456-462 （2020）。 https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2019.10.028.

二、用于空間站太陽翼伸展機構關鍵部件的高性能碳化硅顆粒增強鋁基復合材料

我國的空間站有兩對單翼翼展約30米的柔性太陽翼。它們與雙軸對日定向機構、高效能鋰離子電池等一起，構成了空間站的電源系統，能夠為空間站提供可靠、充足的不間斷供電。據報道，“天和”核心艙首次采用了大面積可展收柔性太陽電池翼，雙翼展開面積可達134平方米。與傳統剛性、半剛性的太陽電池翼相比，柔性翼體積小、展開面積大、功率重量比高，單翼即可為空間站提供9千瓦的電能，在滿足艙內所有設備正常運轉的同時，也完全可以保證航天員在空間站中的日常生活。據報道，中科院金屬所師昌緒先進材料創新中心馬宗義團隊研制的高性能碳化硅顆粒增強鋁基復合材料（SiC/Al）成功應用于空間站太陽翼伸展機構關鍵部件，為太陽翼的順利展開保駕護航。目前該團隊已為空間站電源系統提供了十余批次產品。此外，馬宗義團隊所制備的鋁基碳化硅復合材料已多次應用于我國各項航天任務中，包括：嫦娥五號月球鉆取采樣機構中的關鍵部件—鉆桿及其結構件、“天問一號”火星探測器和“祝融號”火星車的關鍵結構材料（來源：新華社、中科院金屬所官網、金屬所金屬基復合材料&特種焊接與加工研究團隊官網）

馬宗義研究員1988年在哈爾濱工業大學獲碩士學位，2000年香港城市大學獲博士學位，2005年到中科院金屬研究所任“百人計劃”研究員，2006年獲國家杰出青年科學基金。主要研究領域包括金屬基復合材料、攪拌摩擦焊接與加工、超細晶材料和材料高溫變形行為。已發表SCI論文320余篇，其中攪拌摩擦焊接方向SCI論文數及引用量均國際排名第一。發表論文SCI他引13000余次，H因子為51。（來源：百度百科、中科院金屬所金屬基復合材料&特種焊接與加工研究團隊官網）

下面我們通過Web of science檢索選取一篇馬宗義研究員近期發表的關于鋁基碳化硅復合材料的論文進行簡單介紹。

2. 粒度對時效硬化 SiC/Al-Zn-Mg-Cu 復合材料力學性能和斷裂行為的影響

顆粒斷裂、界面脫粘和基體斷裂是顆粒增強鋁基復合材料的主要斷裂形式。在保證界面結合良好的前提下，實驗和模擬結果均表明，粒徑越大，顆粒斷裂越明顯。顆粒斷裂是典型的解理斷裂。裂紋一旦形成，就會迅速擴展到基體。大量的顆粒斷裂不僅會降低強度，還會嚴重降低 SiC/Al-Zn-Mg-Cu 復合材料的塑性。大多數Al-Zn-Mg-Cu基合金的屈服強度高于純Al、Al-Cu-Mg和Al-Mg-Si合金，因此SiC/Al-Zn-Mg-Cu 復合材料中的顆粒斷裂更為明顯。為了更好地理解 SiC/Al-Zn-Mg-Cu 復合材料中粒徑的影響，有必要研究粒徑對復合材料斷裂行為的影響。有鑒于此，中科院金屬所師昌緒先進材料創新中心馬宗義團隊通過粉末冶金（PM）技術制造了具有不同粒徑（C-3.5,、C-7.0、C-14和 C-20）的15 vol.% SiC/Al-6.5Zn-2.8 Mg-1.7Cu （wt%）復合材料，并詳細揭示和分析了粒徑對 T6 處理復合材料力學性能和斷裂行為的影響，著重考慮了具有不同粒徑的復合材料中的元素分布和析出物變化。結果表明，隨著粒徑的減小，T6處理的復合材料的拉伸強度和塑性均先升高后降低。C-7.0 復合材料同時表現出 686 MPa 的最高極限拉伸強度（UTS）和 3.1% 的最佳伸長率（El.）。較小尺寸的 SiC 顆粒會引入更多的氧化物雜質，這些雜質會與基體中的合金元素發生反應，導致 Mg 偏析和耗盡。根據強化機理分析，T6處理的C-3.5復合材料的析出強化減弱是拉伸強度降低的主要原因。此外，SiC 顆粒越大，越容易斷裂，特別是在具有高屈服強度的復合材料中。對于經 T6 處理的 C-20 復合材料，超過 75% 的 SiC 顆粒被破碎，導致塑性最低。隨著粒徑的減小，T6處理的復合材料的斷裂行為逐漸從顆粒斷裂轉變為基體合金斷裂。

Effect of Particle Size on Mechanical Properties and Fracture Behaviors of Age-Hardening SiC/Al–Zn–Mg–Cu Composites, Acta Metall. Sin., （2021）。 https://doi.org/10.1007/s40195-021-01254-w.

三、用于“天和”核心艙推進系統熱控的多種鎧裝熱控器件

空間站熱控系統擔負著控制航天器溫度變化與溫度分布、維持航天器上熱量吸收、轉化及排散平衡的重要功能，以保障航天器上各種儀器、設備的可靠工作，是維持載人航天系統乘員安全與生存的必要技術手段之一，對其進行有效的可靠性設計是保證和提高整個航天器可靠性和安全性的客觀要求。據報道，中科院金屬所師昌緒先進材料創新中心段德莉團隊研制的多種鎧裝熱控器件成功應用在核心艙推進系統的熱控系統中。其中，平面異形（片式）加熱器應用于雙組元推力器噴注腔室的熱控，同時實現了核心艙熱控低功耗和減少推進媒質消耗。高電阻密度（條式）加熱器應用于小型姿態控制推力器的頭部熱控，助力核心艙與后續飛船對接的精確控制。（來源：中科院金屬所官網）

段德莉研究員1991年于吉林大學獲得學士學位、2006年于中科院金屬所獲得博士學位，目前在中科院金屬所師昌緒先進材料創新中心材料使役行為研究部任研究員，主要研究方向是：特殊工況材料摩擦學研究，主要包括材料的高溫高速磨損、腐蝕磨損和沖蝕磨損；熱控材料與技術研發，主要包括新型熱控材料、元件制備，性能評價和壽命考核。在中外學術期刊及會議發表論文80篇，獲得國家發明專利20項，2002年獲得國家技術發明二等獎。（來源：中科院金屬所官網）

下面我們選取一篇段德莉研究員近期發表的關于鎧裝熱控器件的論文進行簡單介紹。

3. 空間推力器用鎧裝熱控器件技術研究發展述評

空間推進器是推進系統的關鍵部件，主要用于控制航天器的軌道和姿態。而為了保證推進器的啟動溫度和可靠運行，必須安裝特殊的熱控裝置。有鑒于此，中科院金屬所師昌緒先進材料創新中心段德莉研究員等人在本文中總結了各種空間推進器的不同熱控要求，重點闡述了目前空間推力器用鎧裝熱控器件關鍵技術以及種類、性能和應用，并介紹了鎧裝熱控器件的試驗方法和標準，提出了鎧裝熱控器件的發展方向。

Review on Technology Progress for Sheathed Thermal Control Elements of Space Thruster, Journal of Propulsion Technology, 41, 28-37, （2020）。 DOI: 10.13675/j.cnki. tjjs. 190374.

四、用于“天和”核心艙實驗柜鎂質部件的鎂合金表面處理技術

空間站不僅是航天員們在太空的家，也是用于科學研究的太空實驗室。在太空的極端物理條件下，物質的運動、物理化學過程等都可能與地面完全不同，從而使得重大科學突破成為可能。我國的空間站作為國家級太空實驗室，目前在空間站天和、問天、夢天三個艙段艙內共安排13個科學實驗柜，每個實驗柜都是一個高功能密度的太空實驗室，可支持一個或多個方向的空間科學與應用研究。此次隨“天和”核心艙發射入軌的重大科學設施主要包括無容器材料實驗柜、高微重力科學實驗柜等。據報道，中科院金屬所材料腐蝕與防護中心韓恩厚、宋影偉團隊研制的鎂合金表面處理技術已成功應用于“天和”核心艙醫學樣本分析與高微重力科學實驗柜、無容器科學材料實驗柜的主結構子系統、高微柜懸浮實驗系統自動鎖緊釋放機構中所用的鎂質部件等，滿足了減重、耐蝕、導電等多功能要求。（來源：騰訊網，中科院金屬所官網）

韓恩厚研究員自1990年于東北工學院機械系獲得博士學位，現任中國科學院金屬研究所研究員、中科院沈陽分院院長、中國科學院核用材料與安全評價重點實驗室主任，中國科學院腐蝕控制工程實驗室主任。韓恩厚教授先后主持三項國家“973”項目，獲得兩次國家技術發明二等獎、一次國家科技進步二等獎、何梁何利科技進步獎、國務院“科學技術政府特殊津貼”和“新世紀百千萬人才工程”國家級人選。目前已發表論文500余篇，被他引1.8萬次，國際會議大會報告和特邀報告70余次，國內會議大會報告和特邀報告60余次。授權國內發明專利120余項。主要研究領域為斷裂化學與材料的環境損傷行為與機理；工程結構的安全評價、壽命預測與控制；苛刻環境中材料的腐蝕與防護（核電高溫高壓水、石油化工環境等等）；材料的腐蝕防護涂層；鎂合金與耐腐蝕材料的制備；腐蝕防護技術壽命預測技術的工程應用。（來源：中科院金屬所官網）

宋影偉研究員2000年和2003年在沈陽工業大學分別獲得學士和碩士學位，2006年于中科院金屬所獲得博士學位，2007年開始在中科院金屬所工作，現任中科院金屬所研究員、中國材料研究學會鎂合金分會理事。目前主要研究領域為：鎂合金的腐蝕機制及表面防護、金屬表面處理（化學鍍，電鍍，氧化等）、金屬材料的耐蝕性評價以及醫用生物可降解涂層。（來源：中科院金屬所官網）

下面我們通過Web of science檢索選取一篇韓恩厚研究員和宋影偉研究員近期發表的關于鎂合金表面處理的論文進行簡單介紹。

4. 在鎂合金涂層中加入Na3PO4和2-巰基苯并噻唑協同緩蝕劑以提高其自愈性能

自修復涂層可以抑制鎂合金從受損區域腐蝕。有鑒于此，中科院金屬所材料腐蝕與防護中心韓恩厚、宋影偉團隊報道了一種雙相自修復涂層，在微弧氧化（MAO）膜的孔隙中負載相間抑制劑，并在面漆中摻雜有機抑制劑，以提高自修復性能。文中表征了兩種抑制劑之間的協同作用和涂層的自修復性能，并研究了釋放和愈合過程。研究結果表明，2-巰基苯并噻唑（MBT）可以吸附在形成的Mg3（PO4）2和Mg（OH）2薄膜的缺陷之上，從而借助協同作用進一步抑制腐蝕過程。當自修復涂層受損時，磷酸根離子可以從MAO膜中快速釋放，而MBT從面漆中緩慢釋放，它們協同抑制損壞區域的腐蝕，與單獨添加每種抑制劑相比，大大提高了其自愈性能。

Enhancing the self-healing property by adding the synergetic corrosion inhibitors of Na3PO4 and 2-mercaptobenzothiazole into the coating of Mg alloy, Electrochim. Acta, 323, 134796, （2019）。 https://doi.org/10.1016/j.electacta.2019.134796.

五、用于空間站的特種功能防護涂層/薄膜材料

據報道，載人航天器環境控制與生命保障系統是保障航天員在太空環境里生存、生活和工作的基礎措施，其正常運行對航天員的生命安全以及航天任務的完成至關重要。艙內構件的表面防護涂層需兼具阻燃、抗菌、防霉、耐磨和防腐功能。艙間抽氣泵用于空間站節點艙與氣閘艙的壓控系統，可將出艙活動前艙內的空氣抽送給相鄰的密封艙段，以節省氧氣資源，是保障空間站宇航員和貨物出/進艙的核心設備。柔性太陽翼是空間站艙外結構最復雜、運動部件最多的系統，其可靠的展開/收縮/轉動是空間站正常運行和任務成敗的關鍵。“天宮”空間站太陽翼伸展機構濺射薄膜面臨文昌臨海發射高濕熱環境和長期在軌高劑量原子氧輻照的挑戰。據報道，中國科學院寧波材料技術與工程研究所海洋新材料與應用技術重點實驗室王立平研究員和薛群基院士團隊承擔了空間站艙內環境控制和生命保障系統防腐抗菌多功能一體化涂層、艙間抽氣泵高可靠與高強韌化延壽薄膜、柔性太陽翼伸展機構抗輻照損傷與低環境敏感性薄膜的研制和生產任務。（來源：中科院寧波材料技術與工程研究所官網）

薛群基院士1965年畢業于山東大學，1967年畢業于中國科學院蘭州化學物理研究所獲碩士學位。1997年當選為中國工程院院士。現任中科院蘭州化學物理研究所學術委員會主任委員，中科院寧波材料技術與工程研究所技術委員會主任。2002年獲何梁何利技術科學獎，2009年獲（中國）摩擦學最高成就獎，2012年獲國際摩擦學金獎。目前已發表論文500余篇，累計被引10000余次，h因子為64。主要研究方向為：特種潤滑材料及材料化學研究；以海洋條件為代表的苛刻工況條件下的潤滑材料、密封材料和耐磨材料研究。（來源：百度百科、中科院寧波材料技術與工程研究所官網）

王立平研究員2007年于中科院蘭州化學物理研究所獲博士學位，2015年9月進入中科院寧波材料技術與工程研究所，任中科院海洋新材料與應用技術重點實驗室主任。2013年獲得國家自然科學基金“優秀青年基金項目”資助；2018年獲得國家杰出青年基金項目支持。主要研究領域包括：海洋環境電化學-力學/高溫服役耦合損傷、深海復雜環境長效防腐與延壽材料服役行為，高溫高濕高鹽霧海洋環境防護材料體系，先進功能防護薄膜在苛刻環境下的應用。（來源：中科院寧波材料技術與工程研究所官網）

下面我們通過Web of science檢索選取一篇薛群基院士和王立平研究員近期發表的關于防腐涂層的論文進行簡單介紹。

5. 仿生環氧樹脂層夾層超薄石墨烯納米片助力高性能防腐涂層

珍珠母特殊的“磚-泥”層狀微納米結構，經歷了數百萬年的生物進化，可承受不同環境下的海水腐蝕，兼具高強度和高韌性。受貽貝和天然珍珠母的啟發，中國科學院寧波材料技術與工程研究所王立平研究員和薛群基院士團隊成功設計了仿生環氧樹脂-（石墨烯-多巴胺）n-環氧樹脂夾心復合涂層。其中，多巴胺不僅作為粘合劑提高了環氧樹脂與石墨烯之間的界面相容性和附著力，而且由于氫鍵和-COO-與-NH3+的靜電相互作用，石墨烯夾層平行于基板并排列在兩個環氧樹脂涂料之間。這不僅充分發揮了石墨烯的阻隔作用，而且還通過避免與基板直接接觸來屏蔽電偶腐蝕。結果表明，10次掃描多巴胺功能化氧化石墨烯制備的復合涂層在3.5 wt% NaCl溶液中浸泡90天后低頻阻抗為1.30×109 Ω·cm2，比不經處理的涂層高三個數量級，顯示出顯著的長期防腐性能。本文中的策略可以很容易地擴展到各種二維納米填料的自對準，以促進長期耐腐蝕涂層的開發。

Bioinspired ultrathin graphene nanosheets sandwiched between epoxy layers for high performance of anticorrosion coatings, Chem. Eng. J., 410, 128301, （2021）。 https://doi.org/10.1016/j.cej.2020.128301.

六、用于航空發動機及燃氣輪機高溫部件的熱障涂層材料

據報道，熱障涂層是一種陶瓷涂層，常作為航空發動機及燃氣輪機高溫部件的熱防護涂層，其能對相關部件起到隔熱的作用，可改善高溫部件的服役條件、延長服役壽命、節約燃料。目前使用最多的熱障涂層材料是氧化鋯基材料，其在達1200攝氏度左右的高溫時會發生相變，導致涂層脫落失效，使用壽命會呈指數級下降。隨著航空發動機及燃氣輪機的使用要求不斷提高，未來航空發動機的工作溫度可能達2000攝氏度。昆明理工大學金屬先進凝固成形及裝備技術國家地方聯合工程實驗室馮晶教授團隊研究的超高溫鉭酸鹽熱障涂層技術取得新突破，將最高使用溫度提高至1400攝氏度至1600攝氏度，將隔熱降溫梯度提高100攝氏度至500攝氏度，使我國的熱障涂層技術在國際上達到領先水平。（來源：科技日報，光明網）

馮晶教授2006年在昆明理工大學金屬材料系獲工學學士學位，2009年和2012年分別于昆明理工大學和清華大學聯合培養獲碩士和博士學位。現任云南省高校先進涂層材料設計與應用重點實驗室主任，昆明理工大學材料科學與工程學院教授。目前發表SCI論文200余篇；出版專著3部；申請國家發明專利105項，國際PCT發明專利8項；多項成果實現產業化。主要研究方向為熱功能結構材料的設計與應用，主要包括超高溫熱障涂層材料，熱電材料，隔熱涂層材料，耐高溫材料，材料基因工程，鈣鈦礦材料，輕質高強度合金材料等。（來源：昆明理工大學官網）

下面我們通過Web of science檢索選取一篇馮晶教授近期發表的關于鉭酸鹽的論文進行簡單介紹。

6. 用于高溫應用的 AlMO4 （M = Ta, Nb）陶瓷的機械性能、熱膨脹性能和本征晶格熱導率

熱和環境屏障涂層（TBCs/EBCs）的重要熱-機械性能包括高硬度、低楊氏模量、與基材匹配的熱膨脹系數（TECs）和低熱導率。有鑒于此，昆明理工大學馮晶教授團隊在本文中評估了晶體結構畸變程度對 AlMO4 （M=Ta, Nb）陶瓷熱機械性能的影響。AlMO4 陶瓷顯示出適度的 TECss，從室溫到 1200°C 沒有檢測到相變。由于AlTaO4 和AlNbO4 的理論最小熱導率分別為1.48 W·m-1·K-1 和1.05 W·m-1·K-1，因此實驗熱導率可以進一步降低。本文已經證實了 AlMO4 陶瓷的溫度相關聲子熱擴散率，并且材料的本征晶格熱導率也得到了確認。AlMO4 陶瓷非凡的熱機械性能清楚地表明其適用于高溫應用。

Mechanical properties, thermal expansion performance and intrinsic lattice thermal conductivity of AlMO4 （M=Ta, Nb） ceramics for high-temperature applications, Ceram. int., 45, 6616-6623, （2019）。 https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2018.12.135.

寫在最后

從中國的第一顆衛星東方紅一號發射，到第一艘載人航天飛船神舟五號升空，再到“嫦娥”繞月、“祝融”巡火，“天宮”落成，中國航天一路攻堅克難，取得了令世人矚目的輝煌成就。這一切的背后有無數航天人的辛勤付出，也少不了無數材料工作者的默默奉獻。中國的材料未來可期，中國航天也必將飛向更廣闊的星辰大海！

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