瞭望訪談丨走出自己的空間材料科學(xué)之路——專訪中國科學(xué)院院士 魏炳波

◇經(jīng)過38年努力，特別是載人航天工程實施的32年來，在中國載人航天工程空間科學(xué)首席專家顧逸東院士的具體指導(dǎo)下，經(jīng)過兩代人奮斗，在我們選定的若干研究目標范圍內(nèi)，取得了國際矚目的科技成果

◇我們團隊邊建設(shè)、邊研制、邊研究，從圖紙設(shè)計到零部件安裝、實驗設(shè)備調(diào)試都親自動手，所研制的實驗設(shè)備具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)

◇要把在太空環(huán)境中做科研的優(yōu)越性找出來，用以指導(dǎo)改進地面上的科研環(huán)境，這是更容易產(chǎn)生新質(zhì)生產(chǎn)力的方面

想讓戰(zhàn)斗機的飛行性能更好，一方面是減輕飛機重量，另一方面是提高發(fā)動機性能，鈮合金能讓發(fā)動機耐更高溫，從而提升戰(zhàn)斗機性能。但鈮屬于難熔金屬，熔點高達2468℃，冶煉中很難找到合適的容器，在鈮熔化前往往冶煉容器就先熔化了，以鈮合金為代表的難熔合金相關(guān)研究十分困難。

太空中擁有特殊的微重力環(huán)境，如果能在空間站中對飄浮的鈮合金進行激光加熱、熔化、冷卻、過冷和凝固等研究，就能很好地解決容器問題。

這一設(shè)想正在變?yōu)楝F(xiàn)實。西北工業(yè)大學(xué)魏炳波院士領(lǐng)導(dǎo)的空間材料科學(xué)與技術(shù)研究團隊，利用中國空間站無容器材料實驗柜，成功獲取了難熔合金熔體的關(guān)鍵熱物理性質(zhì)，在空間凝固制備方面取得了多項科學(xué)新發(fā)現(xiàn)，有力推動了難熔合金從地面研究向外太空研究的拓展。

中國科學(xué)院院士、中國載人航天工程空間材料科學(xué)首席科學(xué)家魏炳波向《瞭望》新聞周刊記者介紹，“跟歐美航天強國相比，我們的空間材料科學(xué)差距在于研究覆蓋面不如他們，但是我們有獨立自主的空間站，在我國選定的15到20種材料體系內(nèi)，已經(jīng)走到了世界空間材料科學(xué)的前沿。我們的研究要引領(lǐng)世界，還需要10～15年時間，剛好是我們空間站運營的10～15年內(nèi)要實現(xiàn)的目標。”

我國空間站取得難熔合金研究重要成果

《瞭望》：研究空間材料科學(xué)的重大意義是什么？我國空間材料科學(xué)是如何發(fā)展起來的？

魏炳波：空間材料科學(xué)是材料科學(xué)與空間技術(shù)相融合形成的一個交叉學(xué)科領(lǐng)域，主要研究內(nèi)容是在外層空間以微重力、無容器、高真空和強輻射為特征的超常環(huán)境中，探索各類材料的物理化學(xué)性質(zhì)、相變過程規(guī)律、合成制備和加工成形原理及其最終服役性能。發(fā)展方向首先是利用外層空間的特殊環(huán)境條件進行材料科學(xué)研究，其次是為各類材料的空間應(yīng)用奠定堅實的科學(xué)基礎(chǔ)。

載人航天在過去五十年中蓬勃發(fā)展，促進了空間材料科學(xué)的萌生和興起。縱觀世界各國研究歷程，這一材料科學(xué)分支起源于20世紀60年代的零星空間搭載實驗，經(jīng)歷了七八十年代試圖建立空間材料加工廠的非理性階段，90年代進入理性而穩(wěn)定的研究時期。美國通過航天飛機，在八九十年代做了大量的空間材料科學(xué)實驗。21世紀以來，美俄歐日多國聯(lián)合建立了“國際空間站”，成為繼蘇聯(lián)“和平號”空間站之后在軌運行的最大空間科學(xué)研究平臺。

我國自1986年啟動863計劃以來,正式部署了空間材料科學(xué)研究。當時中國科學(xué)院物理研究所的陳熙琛先生是863計劃專家組的責(zé)任專家，負責(zé)空間材料科學(xué)研究的組織工作，研究團隊包括了中國科學(xué)院的物理所、金屬所、硅酸鹽所、半導(dǎo)體所、熱物理所、力學(xué)所、蘭州化物所等單位，以及我當時正攻讀博士學(xué)位的西北工業(yè)大學(xué)，還有哈爾濱工業(yè)大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等幾所院校。同時，國家自然科學(xué)基金委也部署了空間材料科學(xué)的相關(guān)項目。

到了1992年，我國啟動載人航天工程，強力推動了空間材料科學(xué)的研究。空間材料科學(xué)研究隨著中國載人航天“三步走”戰(zhàn)略逐漸發(fā)展起來。

總的來看，經(jīng)過38年的努力，特別是載人航天工程實施的32年來，在中國載人航天工程空間科學(xué)首席專家顧逸東院士的具體指導(dǎo)下，經(jīng)過兩代人奮斗，在我們選定的若干研究目標范圍內(nèi)，取得了國際矚目的科技成果。例如，中國科學(xué)院硅酸鹽所劉學(xué)超研究員團隊做的多種功能晶體材料，蘭州化物所劉維民院士團隊做的摩擦潤滑材料，金屬所趙九洲研究員團隊做的相分離材料，還有西北工業(yè)大學(xué)團隊做的多元合金的空間快速凝固等。我們在這些研究方面已經(jīng)走到了世界前沿，有一些起到了引領(lǐng)作用。但歐美等航天強國起步早、研究覆蓋面廣，相比之下，我們的空間材料科學(xué)研究還要努力做強做大。

《瞭望》：今年你帶領(lǐng)團隊發(fā)表了一系列在中國空間站進行的空間材料科學(xué)研究論文，這些研究有哪些突破？

魏炳波：相對固相而言，液相和氣相對空間環(huán)境條件更為敏感，因此各類材料的液態(tài)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)、液相和氣相運動規(guī)律、液固和氣固相變動力學(xué)以及材料成形過程調(diào)控機理一直是空間材料科學(xué)研究的主要任務(wù)。在中國載人航天工程空間應(yīng)用項目和國家自然科學(xué)基金基礎(chǔ)科學(xué)中心項目共同支持下，我們空間材料科學(xué)與技術(shù)研究團隊借助中國空間站，成功完成了難熔合金微重力條件下的液態(tài)性質(zhì)測定與快速凝固等重要實驗，并取得了五方面成果：

第一，難熔合金液態(tài)性質(zhì)的精確測定。微重力環(huán)境下，懸浮合金熔體呈現(xiàn)完美的球形。在此基礎(chǔ)上，我們精確測定了從超高溫到極端深過冷溫度范圍內(nèi)液態(tài)鈮合金、鋯合金的密度、熱輻比等材料制備必不可少的關(guān)鍵物理性質(zhì)。

第二，合金表面形核控制。液態(tài)合金在小過冷條件下，表面出現(xiàn)多點形核，凝固呈球形。而在大過冷條件下，表面的單點形核導(dǎo)致凝固偏離球形。通過調(diào)控形核點數(shù)量與位置，為合金材料的形態(tài)控制提供了新的思路。

第三，微重力環(huán)境下合金表面結(jié)構(gòu)調(diào)控。在微重力條件下，利用靜電場，通過激勵合金熔體，在表面形成周期性波紋結(jié)構(gòu)和特殊的渦旋組織，這為調(diào)控表面組織結(jié)構(gòu)提供了新的方法。

第四，液滴表面凝固收縮。我們發(fā)現(xiàn)微重力凝固后的縮孔具有特定規(guī)律。通過調(diào)控凝固收縮動力學(xué)過程，可以獲得不同的縮孔分布形態(tài)，從而減小縮孔對合金組織性能的影響。

第五，共晶合金的“解耦”生長。共晶合金的特征在于耦合生長，然而，在中國空間站開展的難熔鈮合金凝固實驗中，我們驚奇地發(fā)現(xiàn)，鈮和鈮硅化合物原本共晶的兩相，可以“解耦”生長。這一發(fā)現(xiàn)揭示了材料調(diào)控的新路徑，預(yù)示著在太空環(huán)境中可以制備更高性能的合金材料。

“地面畫龍 太空點睛”發(fā)展空間材料科學(xué)

《瞭望》：你留學(xué)回國后是如何帶領(lǐng)團隊進行“地面畫龍 太空點睛”空間材料科學(xué)研究的？

魏炳波：空間材料科學(xué)研究有兩條技術(shù)路線：一是采用空間站、航天飛機和宇宙飛船等航天飛行器進行真實的空間科學(xué)實驗；二是通過自由落體、懸浮技術(shù)和高強物理場等仿真手段進行地面模擬實驗。制約這一學(xué)科領(lǐng)域發(fā)展的主要矛盾在于：材料科學(xué)是一門與工程技術(shù)密切結(jié)合的實驗科學(xué)，必須開展大量系統(tǒng)的空間科學(xué)實驗。但是空間實驗不僅受制于高昂的成本，而且飛行搭載機會有限。因此，地面模擬畫龍、空間實驗點睛，也許是空間材料科學(xué)發(fā)展的優(yōu)化途徑。

1992年我回國后，用了30年時間研制了5臺實驗裝備，利用這些實驗裝備我們基本上可以系統(tǒng)地在地面上用電磁懸浮、氣動懸浮、靜電懸浮、超聲懸浮，還有金屬熔體自由落體5種方式，創(chuàng)造了一些太空仿真條件。我們團隊邊建設(shè)、邊研制、邊研究，從圖紙設(shè)計到零部件安裝、實驗設(shè)備調(diào)試都親自動手，所研制的實驗設(shè)備具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)。

《瞭望》：當前正在太空開展實驗的靜電懸浮實驗系統(tǒng)，其工作原理是什么？

魏炳波：在地面實驗室，靜電懸浮是利用靜電場所提供的電場力來克服重力，從而實現(xiàn)無容器狀態(tài)。它可適用的材料種類廣泛，只要樣品產(chǎn)生了足夠多的電荷量就可實現(xiàn)懸浮，而且材料可在真空環(huán)境中保持穩(wěn)定懸浮狀態(tài)，避免了介質(zhì)的影響。與電磁懸浮、超聲懸浮和氣動懸浮相比，靜電懸浮不存在電磁攪拌、超聲空化和氣流擾動，外場對樣品的影響很小。因此材料可在近似完全靜態(tài)環(huán)境中實現(xiàn)無容器熔化和凝固，從而使材料熔體易于獲得深過冷，便于對過冷態(tài)物理化學(xué)性質(zhì)和凝固過程進行實時原位測定。

空間站靜電懸浮相較于地面靜電懸浮，不需要克服重力，僅需控制樣品位置，其原理是根據(jù)樣品位置變化，調(diào)控樣品庫侖力的大小和方向，使之動態(tài)“定位”于設(shè)定的位置。與地面實驗相比，所需要的電壓更小，對樣品的干擾遠小于地面實驗，進而提供更理想的科學(xué)實驗條件，例如微重力條件下，液態(tài)樣品更圓，樣品的振蕩更理想。

走出自己的空間材料科學(xué)之路

《瞭望》：未來我國材料科學(xué)的發(fā)展方向是什么？

魏炳波：我國已經(jīng)成為材料科學(xué)大國、材料產(chǎn)業(yè)大國。隨著人類對深空、深海、深地的科學(xué)探測，極大地拓展了材料的應(yīng)用空間范疇和合成制備與成形加工的環(huán)境邊界。

第一，在深空方面，通過載人航天，我們在外層空間近地軌道形成了一個矩陣，如果一直沿著空間這條線下去，就是從空間站走向深空探測、月球甚至走得更遠。深空面臨高輻射等極端環(huán)境，這為空間材料科學(xué)的發(fā)展帶來新的問題。在我國空間站10～15年的運營期里面，我們要做出更有影響力的真正原創(chuàng)性的材料科學(xué)與工程方面成果。

第二，在深海方面，隨著深海探測技術(shù)的進步，我們能夠在深海高壓和高腐蝕性的環(huán)境中進行科學(xué)研究和資源開發(fā)。這要求材料不僅要能承受極高的水壓，還要具備優(yōu)異的耐腐蝕性能。我國在深海材料領(lǐng)域的研究將進一步推動海洋工程和海洋資源開發(fā)，提供更加安全可靠的材料支持。

第三，在深地方面，科學(xué)探測和資源開采使我們能夠深入地球內(nèi)部，這種探測和開采活動要求材料能夠在高溫、高壓和強腐蝕性的環(huán)境中長時間穩(wěn)定工作。發(fā)展適應(yīng)深地極端環(huán)境的材料，不僅對地質(zhì)學(xué)和礦產(chǎn)資源開采有重要意義，也對核能、地?zé)崮艿刃滦湍茉吹拈_發(fā)提供了材料保障。

《瞭望》：如何發(fā)揮中國空間站最大作用，推動我國材料科學(xué)研究世界領(lǐng)先？

魏炳波：我國經(jīng)多年努力迎來自己的空間站時代，這為空間材料科學(xué)的發(fā)展開辟了更加廣闊的前景。發(fā)揮中國空間站的最大作用，需要兩條腿走路，要在空間站做兩種科研。

第一種科研是實驗環(huán)境在地面上模擬不出來，需要到空間站內(nèi)研究的空間科學(xué)問題。例如馬蘭戈尼對流、流體靜壓力消失等，這些現(xiàn)象在微重力條件下表現(xiàn)出與地面實驗完全不同的特性。這些研究有助于我們理解和控制流體行為、晶體生長過程，從而開發(fā)出在地面上無法實現(xiàn)的新材料和新工藝。通過在空間站上的實驗，我們可以獲得在地面上無法實現(xiàn)的精準數(shù)據(jù)，為新材料的開發(fā)提供寶貴的理論基礎(chǔ)。但要實現(xiàn)空間科學(xué)研究的重大突破很難，因為現(xiàn)在已經(jīng)沒有科研無人區(qū)，我們做得更多的是在前人發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)上的擴展。

第二種科研是天上可以做，地上也可以做的科研，但要把在太空環(huán)境中做科研的優(yōu)越性找出來，用以指導(dǎo)改進地面上的科研環(huán)境。例如在極端特殊的空間環(huán)境里邊，我們找到解決材料合成、流體力學(xué)、生命科學(xué)技術(shù)的核心問題，反過來指導(dǎo)地面科研，這是更容易產(chǎn)生新質(zhì)生產(chǎn)力的方面。在空間站未來10～15年的運營期內(nèi)，我更寄希望于這種科研模式。

（《瞭望》2024年第27期 ）