为材料人们点赞！这些材料技术助力“天宫”空间站建设

2021年6月17日9时22分，随着点火指令的下达，搭载了神舟十二号载人飞船的长征2F运载火箭如竖立的长剑拔地而起，刺破苍穹，将三位航天员送入了预定轨道。而这三位航天员本次太空之旅的目的地正是我国自主研发制造的空间站“天和”核心舱。神舟十二号载人飞船是我国空间站任务阶段第一艘载人飞船，代表了我国空间站的建设进入了一个全新的阶段，而美俄主导的国际空间站预计将于2024年退役，届时我国的空间站将成为人类唯一在轨运行的空间站，回想当年中国被美排除在国际空间站计划之外，到如今建成自己的空间站，真可谓当初你对我爱答不理，如今我让你高攀不起，令无数国人扬眉吐气。

而在我国空间站建设的背后，也有一批材料科学家们攻坚克难，用先进的材料技术为“神舟”飞天，“天宫”落成提供强有力的保障。下面我们就对已经报道出来的一些助力航天科技发展的材料技术进行简单盘点。

一、用于“天和”核心舱电推进系统霍尔推力器的氮化硼陶瓷基复合材料

电推进系统也称电火箭发动机，是一种先进的空间推进技术，其中的霍尔推进器可以依靠强磁场和电场，利用离子流和电场形成了霍尔效应。这种装置不需要使用燃料，仅利用电能喷出的离子流为核心舱提供动力。而霍尔推力器中等离子体的电离、加速均在由氮化硼陶瓷基复合材料做成的放电腔中完成，因此放电腔可以比喻成霍尔推力器的“心脏”。据报道，中科院金属所沈阳材料科学国家研究中心陈继新副研究员团队通过研制具备高强度、抗热震、绝缘性能好等优点的氮化硼基复合材料，攻克了普通氮化硼陶瓷材料强度低和抗离子溅射能力差等缺点，使其能够广泛应用在重大航天计划中，满足了航天器对陶瓷腔体材料的高要求。（来源：中科院金属所官网）

陈继新副研究员2001年于哈尔滨工业大学获得硕士学位、2005年于中科院金属所获得博士学位，目前在中国科学院金属研究所高性能陶瓷研究部任副研究员，主要研究方向是：可加工陶瓷及复合材料的制备、表征与应用。已发表论文200余篇，被引4000余次，h因子为36。（来源：中科院金属所官网）

下面我们通过Web of science检索选取一篇陈继新副研究员近期发表的关于氮化硼基复合材料的论文进行简单介绍。

1. h-BN/SiO₂/Yb-Si-Al-O复合材料中双玻璃相的形成和热稳定性

中科院金属所沈阳材料科学国家研究中心陈继新副研究员团队在本文中研究了 h-BN/SiO₂/Yb-Si-Al-O 复合材料中玻璃相的形成和微观结构演变。Al₂O₃的引入使得SiO₂ 可以在较低的温度（~1600°C）下转化为无定形二氧化硅。另一方面，随着温度的升高，Al³⁺逐渐溶解到硅酸镱（Yb₂Si₂O₇）中，加速了非晶Yb-Si-Al-O玻璃相的形成。在高达 1880°C 的温度下，细小的球形 Yb-Si-Al-O 玻璃颗粒和不规则的无定形二氧化硅均匀分布，使得复合材料具有优异的机械性能。热稳定性研究结果表明，更多的[AlO₄]单元可以有效抑制Yb-Si-Al-O玻璃相的结晶，但随着热处理温度的升高，复合材料的力学性能仍然缓慢下降。例如，当处理温度从 800°C 升高到 1200°C 时，含有 1.5 wt.% Al₂O₃ 的复合材料的弯曲强度从 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、用于空间站太阳翼伸展机构关键部件的高性能碳化硅颗粒增强铝基复合材料

我国的空间站有两对单翼翼展约30米的柔性太阳翼。它们与双轴对日定向机构、高效能锂离子电池等一起，构成了空间站的电源系统，能够为空间站提供可靠、充足的不间断供电。据报道，“天和”核心舱首次采用了大面积可展收柔性太阳电池翼，双翼展开面积可达134平方米。与传统刚性、半刚性的太阳电池翼相比，柔性翼体积小、展开面积大、功率重量比高，单翼即可为空间站提供9千瓦的电能，在满足舱内所有设备正常运转的同时，也完全可以保证航天员在空间站中的日常生活。据报道，中科院金属所师昌绪先进材料创新中心马宗义团队研制的高性能碳化硅颗粒增强铝基复合材料（SiC/Al）成功应用于空间站太阳翼伸展机构关键部件，为太阳翼的顺利展开保驾护航。目前该团队已为空间站电源系统提供了十余批次产品。此外，马宗义团队所制备的铝基碳化硅复合材料已多次应用于我国各项航天任务中，包括：嫦娥五号月球钻取采样机构中的关键部件—钻杆及其结构件、“天问一号”火星探测器和“祝融号”火星车的关键结构材料（来源：新华社、中科院金属所官网、金属所金属基复合材料&特种焊接与加工研究团队官网）

马宗义研究员1988年在哈尔滨工业大学获硕士学位，2000年香港城市大学获博士学位，2005年到中科院金属研究所任“百人计划”研究员，2006年获国家杰出青年科学基金。主要研究领域包括金属基复合材料、搅拌摩擦焊接与加工、超细晶材料和材料高温变形行为。已发表SCI论文320余篇，其中搅拌摩擦焊接方向SCI论文数及引用量均国际排名第一。发表论文SCI他引13000余次，H因子为51。（来源：百度百科、中科院金属所金属基复合材料&特种焊接与加工研究团队官网）

下面我们通过Web of science检索选取一篇马宗义研究员近期发表的关于铝基碳化硅复合材料的论文进行简单介绍。

2. 粒度对时效硬化 SiC/Al-Zn-Mg-Cu 复合材料力学性能和断裂行为的影响

颗粒断裂、界面脱粘和基体断裂是颗粒增强铝基复合材料的主要断裂形式。在保证界面结合良好的前提下，实验和模拟结果均表明，粒径越大，颗粒断裂越明显。颗粒断裂是典型的解理断裂。裂纹一旦形成，就会迅速扩展到基体。大量的颗粒断裂不仅会降低强度，还会严重降低 SiC/Al-Zn-Mg-Cu 复合材料的塑性。大多数Al-Zn-Mg-Cu基合金的屈服强度高于纯Al、Al-Cu-Mg和Al-Mg-Si合金，因此SiC/Al-Zn-Mg-Cu 复合材料中的颗粒断裂更为明显。为了更好地理解 SiC/Al-Zn-Mg-Cu 复合材料中粒径的影响，有必要研究粒径对复合材料断裂行为的影响。有鉴于此，中科院金属所师昌绪先进材料创新中心马宗义团队 通过粉末冶金 (PM) 技术制造了 具有不同粒径（C-3.5,、C-7.0、C-14和 C-20）的15 vol.% SiC/Al-6.5Zn-2.8 Mg-1.7Cu (wt%)复合材料，并详细揭示和分析了粒径对 T6 处理复合材料力学性能和断裂行为的影响，着重考虑了具有不同粒径的复合材料中的元素分布和析出物变化。结果表明，随着粒径的减小，T6处理的复合材料的拉伸强度和塑性均先升高后降低。 C-7.0 复合材料同时表现出 686 MPa 的最高极限拉伸强度 (UTS) 和 3.1% 的最佳伸长率 (El.)。较小尺寸的 SiC 颗粒会引入更多的氧化物杂质，这些杂质会与基体中的合金元素发生反应，导致 Mg 偏析和耗尽。根据强化机理分析，T6处理的C-3.5复合材料的析出强化减弱是拉伸强度降低的主要原因。此外，SiC 颗粒越大，越容易断裂，特别是在具有高屈服强度的复合材料中。对于经 T6 处理的 C-20 复合材料，超过 75% 的 SiC 颗粒被破碎，导致塑性最低。随着粒径的减小，T6处理的复合材料的断裂行为逐渐从颗粒断裂转变为基体合金断裂。

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”核心舱推进系统热控的多种铠装热控器件

空间站热控系统担负着控制航天器温度变化与温度分布、维持航天器上热量吸收、转化及排散平衡的重要功能，以保障航天器上各种仪器、设备的可靠工作，是维持载人航天系统乘员安全与生存的必要技术手段之一，对其进行有效的可靠性设计是保证和提高整个航天器可靠性和安全性的客观要求。据报道，中科院金属所师昌绪先进材料创新中心段德莉团队研制的多种铠装热控器件成功应用在核心舱推进系统的热控系统中。其中，平面异形（片式）加热器应用于双组元推力器喷注腔室的热控，同时实现了核心舱热控低功耗和减少推进媒质消耗。高电阻密度（条式）加热器应用于小型姿态控制推力器的头部热控，助力核心舱与后续飞船对接的精确控制。（来源：中科院金属所官网）

段德莉研究员1991年于吉林大学获得学士学位、2006年于中科院金属所获得博士学位，目前在中科院金属所师昌绪先进材料创新中心材料使役行为研究部任研究员，主要研究方向是：特殊工况材料摩擦学研究，主要包括材料的高温高速磨损、腐蚀磨损和冲蚀磨损；热控材料与技术研发，主要包括新型热控材料、元件制备，性能评价和寿命考核。在中外学术期刊及会议发表论文80篇，获得国家发明专利20项，2002年获得国家技术发明二等奖。（来源：中科院金属所官网）

下面我们选取一篇段德莉研究员近期发表的关于铠装热控器件的论文进行简单介绍。

3. 空间推力器用铠装热控器件技术研究发展述评

空间推进器是推进系统的关键部件，主要用于控制航天器的轨道和姿态。而为了保证推进器的启动温度和可靠运行，必须安装特殊的热控装置。有鉴于此，中科院金属所师昌绪先进材料创新中心段德莉研究员等人在本文中总结了各种空间推进器的不同热控要求，重点阐述了目前空间推力器用铠装热控器件关键技术以及种类、性能和应用，并介绍了铠装热控器件的试验方法和标准，提出了铠装热控器件的发展方向。

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”核心舱实验柜镁质部件的镁合金表面处理技术

空间站不仅是航天员们在太空的家，也是用于科学研究的太空实验室。在太空的极端物理条件下，物质的运动、物理化学过程等都可能与地面完全不同，从而使得重大科学突破成为可能。我国的空间站作为国家级太空实验室，目前在空间站天和、问天、梦天三个舱段舱内共安排13个科学实验柜，每个实验柜都是一个高功能密度的太空实验室，可支持一个或多个方向的空间科学与应用研究。此次随“天和”核心舱发射入轨的重大科学设施主要包括无容器材料实验柜、高微重力科学实验柜等。据报道，中科院金属所材料腐蚀与防护中心韩恩厚、宋影伟团队研制的镁合金表面处理技术已成功应用于“天和”核心舱医学样本分析与高微重力科学实验柜、无容器科学材料实验柜的主结构子系统、高微柜悬浮实验系统自动锁紧释放机构中所用的镁质部件等，满足了减重、耐蚀、导电等多功能要求。（来源：腾讯网，中科院金属所官网）

韩恩厚研究员自1990年于东北工学院机械系获得博士学位，现任中国科学院金属研究所研究员、中科院沈阳分院院长、中国科学院核用材料与安全评价重点实验室主任，中国科学院腐蚀控制工程实验室主任。韩恩厚教授先后主持三项国家“973”项目，获得两次国家技术发明二等奖、一次国家科技进步二等奖、何梁何利科技进步奖、国务院“科学技术政府特殊津贴”和“新世纪百千万人才工程”国家级人选。目前已发表论文500余篇，被他引1.8万次，国际会议大会报告和特邀报告70余次，国内会议大会报告和特邀报告60余次。授权国内发明专利120余项。主要研究领域为断裂化学与材料的环境损伤行为与机理；工程结构的安全评价、寿命预测与控制；苛刻环境中材料的腐蚀与防护（核电高温高压水、石油化工环境等等）；材料的腐蚀防护涂层；镁合金与耐腐蚀材料的制备；腐蚀防护技术寿命预测技术的工程应用。（来源：中科院金属所官网）

宋影伟研究员2000年和2003年在沈阳工业大学分别获得学士和硕士学位，2006年于中科院金属所获得博士学位，2007年开始在中科院金属所工作，现任中科院金属所研究员、中国材料研究学会镁合金分会理事。目前主要研究领域为：镁合金的腐蚀机制及表面防护、金属表面处理（化学镀，电镀，氧化等）、金属材料的耐蚀性评价以及医用生物可降解涂层。（来源：中科院金属所官网）

下面我们通过Web of science检索选取一篇韩恩厚研究员和宋影伟研究员近期发表的关于镁合金表面处理的论文进行简单介绍。

4. 在镁合金涂层中加入Na₃PO₄和2-巯基苯并噻唑协同缓蚀剂以提高其自愈性能

自修复涂层可以抑制镁合金从受损区域腐蚀。有鉴于此，中科院金属所材料腐蚀与防护中心韩恩厚、宋影伟团队报道了一种双相自修复涂层，在微弧氧化（MAO）膜的孔隙中负载相间抑制剂，并在面漆中掺杂有机抑制剂，以提高自修复性能。文中表征了两种抑制剂之间的协同作用和涂层的自修复性能，并研究了释放和愈合过程。研究结果表明，2-巯基苯并噻唑（MBT）可以吸附在形成的Mg₃(PO₄)₂和Mg(OH)₂薄膜的缺陷之上，从而借助协同作用进一步抑制腐蚀过程。当自修复涂层受损时，磷酸根离子可以从MAO膜中快速释放，而MBT从面漆中缓慢释放，它们协同抑制损坏区域的腐蚀，与单独添加每种抑制剂相比，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、用于空间站的特种功能防护涂层/薄膜材料

据报道，载人航天器环境控制与生命保障系统是保障航天员在太空环境里生存、生活和工作的基础措施，其正常运行对航天员的生命安全以及航天任务的完成至关重要。舱内构件的表面防护涂层需兼具阻燃、抗菌、防霉、耐磨和防腐功能。舱间抽气泵用于空间站节点舱与气闸舱的压控系统，可将出舱活动前舱内的空气抽送给相邻的密封舱段，以节省氧气资源，是保障空间站宇航员和货物出/进舱的核心设备。柔性太阳翼是空间站舱外结构最复杂、运动部件最多的系统，其可靠的展开/收缩/转动是空间站正常运行和任务成败的关键。“天宫”空间站太阳翼伸展机构溅射薄膜面临文昌临海发射高湿热环境和长期在轨高剂量原子氧辐照的挑战。据报道，中国科学院宁波材料技术与工程研究所海洋新材料与应用技术重点实验室王立平研究员和薛群基院士团队承担了空间站舱内环境控制和生命保障系统防腐抗菌多功能一体化涂层、舱间抽气泵高可靠与高强韧化延寿薄膜、柔性太阳翼伸展机构抗辐照损伤与低环境敏感性薄膜的研制和生产任务。（来源：中科院宁波材料技术与工程研究所官网）

薛群基院士1965年毕业于山东大学，1967年毕业于中国科学院兰州化学物理研究所获硕士学位。 1997年当选为中国工程院院士。现任中科院兰州化学物理研究所学术委员会主任委员，中科院宁波材料技术与工程研究所技术委员会主任。2002年获何梁何利技术科学奖，2009年获（中国）摩擦学最高成就奖，2012年获国际摩擦学金奖。目前已发表论文500余篇，累计被引10000余次，h因子为64。主要研究方向为：特种润滑材料及材料化学研究；以海洋条件为代表的苛刻工况条件下的润滑材料、密封材料和耐磨材料研究。（来源：百度百科、中科院宁波材料技术与工程研究所官网）

王立平研究员2007年于中科院兰州化学物理研究所获博士学位，2015年9月进入中科院宁波材料技术与工程研究所，任中科院海洋新材料与应用技术重点实验室主任。2013年获得国家自然科学基金“优秀青年基金项目”资助；2018年获得国家杰出青年基金项目支持。主要研究领域包括：海洋环境电化学-力学/高温服役耦合损伤、深海复杂环境长效防腐与延寿材料服役行为，高温高湿高盐雾海洋环境防护材料体系，先进功能防护薄膜在苛刻环境下的应用。（来源：中科院宁波材料技术与工程研究所官网）

下面我们通过Web of science检索选取一篇薛群基院士和王立平研究员近期发表的关于防腐涂层的论文进行简单介绍。

5. 仿生环氧树脂层夹层超薄石墨烯纳米片助力高性能防腐涂层

珍珠母特殊的“砖-泥”层状微纳米结构，经历了数百万年的生物进化，可承受不同环境下的海水腐蚀，兼具高强度和高韧性。受贻贝和天然珍珠母的启发，中国科学院宁波材料技术与工程研究所王立平研究员和薛群基院士团队成功设计了仿生环氧树脂-（石墨烯-多巴胺）_n-环氧树脂夹心复合涂层。其中，多巴胺不仅作为粘合剂提高了环氧树脂与石墨烯之间的界面相容性和附着力，而且由于氢键和-COO-与-NH³⁺的静电相互作用，石墨烯夹层平行于基板并排列在两个环氧树脂涂料之间。这不仅充分发挥了石墨烯的阻隔作用，而且还通过避免与基板直接接触来屏蔽电偶腐蚀。结果表明，10次扫描多巴胺功能化氧化石墨烯制备的复合涂层在3.5 wt% NaCl溶液中浸泡90天后低频阻抗为1.30×10⁹ Ω·cm²，比不经处理的涂层高三个数量级，显示出显著的长期防腐性能。本文中的策略可以很容易地扩展到各种二维纳米填料的自对准，以促进长期耐腐蚀涂层的开发。

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、用于航空发动机及燃气轮机高温部件的热障涂层材料

据报道，热障涂层是一种陶瓷涂层,常作为航空发动机及燃气轮机高温部件的热防护涂层,其能对相关部件起到隔热的作用, 可改善高温部件的服役条件、延长服役寿命、节约燃料。目前使用最多的热障涂层材料是氧化锆基材料，其在达1200摄氏度左右的高温时会发生相变，导致涂层脱落失效，使用寿命会呈指数级下降。随着航空发动机及燃气轮机的使用要求不断提高，未来航空发动机的工作温度可能达2000摄氏度。昆明理工大学金属先进凝固成形及装备技术国家地方联合工程实验室冯晶教授团队研究的超高温钽酸盐热障涂层技术取得新突破，将最高使用温度提高至1400摄氏度至1600摄氏度，将隔热降温梯度提高100摄氏度至500摄氏度，使我国的热障涂层技术在国际上达到领先水平。（来源：科技日报，光明网）

冯晶教授2006年在昆明理工大学金属材料系获工学学士学位，2009年和2012年分别于昆明理工大学和清华大学联合培养获硕士和博士学位。现任云南省高校先进涂层材料设计与应用重点实验室主任，昆明理工大学材料科学与工程学院教授。目前发表SCI论文200余篇；出版专著3部；申请国家发明专利105项，国际PCT发明专利8项；多项成果实现产业化。主要研究方向为热功能结构材料的设计与应用，主要包括超高温热障涂层材料，热电材料，隔热涂层材料，耐高温材料，材料基因工程，钙钛矿材料，轻质高强度合金材料等。（来源：昆明理工大学官网）

下面我们通过Web of science检索选取一篇冯晶教授近期发表的关于钽酸盐的论文进行简单介绍。

6. 用于高温应用的 AlMO₄ (M = Ta, Nb) 陶瓷的机械性能、热膨胀性能和本征晶格热导率

热和环境屏障涂层 (TBCs/EBCs) 的重要热-机械性能包括高硬度、低杨氏模量、与基材匹配的热膨胀系数 (TECs) 和低热导率。有鉴于此，昆明理工大学冯晶教授团队在本文中评估了晶体结构畸变程度对 AlMO₄ (M=Ta, Nb) 陶瓷热机械性能的影响。AlMO₄ 陶瓷显示出适度的 TECss，从室温到 1200°C 没有检测到相变。由于AlTaO₄ 和AlNbO₄ 的理论最小热导率分别为1.48 W·m^-1·K^-1 和1.05 W·m^-1·K^-1，因此实验热导率可以进一步降低。本文已经证实了 AlMO₄ 陶瓷的温度相关声子热扩散率，并且材料的本征晶格热导率也得到了确认。 AlMO₄ 陶瓷非凡的热机械性能清楚地表明其适用于高温应用。

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.

写在最后

从中国的第一颗卫星东方红一号发射，到第一艘载人航天飞船神舟五号升空，再到“嫦娥”绕月、“祝融”巡火，“天宫”落成，中国航天一路攻坚克难，取得了令世人瞩目的辉煌成就。这一切的背后有无数航天人的辛勤付出，也少不了无数材料工作者的默默奉献。中国的材料未来可期，中国航天也必将飞向更广阔的星辰大海！

本文由踏浪供稿。

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