哺育空间新材料成长_航天技术
空间站所处的空间环境，是一种客观存在，它包括真空、冷黑背景、电子、质子、电离层、微流星、太阳风、宇宙射线、弱磁场以及失重等特定环境。由于航天技术的发展，人们正逐步认识到这些都是空间资源，可以加以开发和利用，使空间这一特殊环境，如高真空、高洁净、失重等环境变成社会财富，为人类所共享。
失重这一词，人们并不陌生，比如，在跳越障碍或从高处跌落下来，人们就在瞬间处于失重状态。然而，只是因为失重的时间极短，以致感觉不到失重而已。现如今，无论是空间站或是航天员本身，都处于失重状态。所谓失重，它是相对于重力而言的，重力是一个直接测量或直接感受到的物理概念。通常一个航天器沿着轨道运动时，由环绕地球旋转时产生的离心力和重力达到平衡而出现的状态称为失重状态。根据理论分析与空间飞行实践，空间站在空间并不能形成完全真正的零重力环境，实际上总有某种干扰因素存在，如太阳光的压力、反作用力矩、稀薄气体阻力、地球磁场的作用力与重力梯度影响等而形成的所谓微小重力。更可能产生干扰的是空间站内的人员走动、机器运转时的振动、定向系统发动机工作、零部件更换、陨石的撞击等等。因此，确切地说，空间站是处在微重力的环境下。
多年来，在重力场中已经形成的许多物理概念，似乎是不可动摇的。例如，早已被透彻研究了的液体现象、热交换、摩擦、混合物分层、电泳等物理过程，并推导出这些过程的一些公式，从而取得了定量性数据。但是，空间站却是处在微重力条件下，以往的科技知识就显得十分贫乏了，必须重新建立物理模型。在微重力情况下，出现了许多与地球上截然不同的物理现象，这就导致了许多新的概念与定律的产生。
大家都比较熟悉的阿基米德定律：浸在液体中的物体受到浮力的作用，浮力的大小等于排开液体的重量。作用于浸在液体中的物体上部和下部的压力是不同的。如果物体的密度小于液体的密度，则该物体上浮，反之则下沉。在通常条件下，在装有油、水和沙粒的试管中，当我们抖动试管时，沙粒、油就在整个试管中分散开来，如果让试管静止不动，则沙粒沉到底部、油滴漂浮在上面。而在微重力环境中却是另一回事，因表面张力而产生的微弱压缩力各处都是相同的，它是均衡地分布在所有的面上，放在液体中的物体既不上浮，也不下沉。试管中的沙粒、油滴始终悬浮在液体中，油水混合可保持乳浊状，水中的气泡不会自动上浮逸出，即使是铅球也不会自动下沉。又如燃烧问题，在重力场中，当我们用一只玻璃罩罩到点燃的蜡烛上时，火焰呈舌状，这时可以看到蜡烛逐渐熄灭的过程。随罩子体积的大小不同，熄灭时间就会不一样，是一个渐变的过程。而在微重力场中做同样的实验，则是另一番景象，火焰呈圆球状，并不与罩的体积大小相关，瞬时熄灭。这一小实验，足以说明在空间微重力状况下，火焰周围的空气中的氧消耗掉以后，由于无对流产生，不可能使罩中其它部分的残留的氧对流至火焰四周，以致火焰立即熄灭。而在地面上时，对流可以将残余的氧输送到火焰的周围，使火焰维持到全部氧被耗尽为止，才逐渐熄灭。微重力环境，是一个基 本上摆脱了重力约束和影响的环境，可以说是一个新的奇异的世界。
在微重力条件下，无浮力存在，液滴较之地面更易悬浮，因而冶炼金属时可以不使用容器，而是采用悬浮冶炼法，其优点是，冶金温度不受容器耐温能力的限制，因此，悬浮冶炼不仅能进行高熔点金属冶炼，而且可避免被冶炼物与器壁的污染和非均匀成核结晶的出现，除改善合金金相组织外，还使金属纯度大为提高。
在微重力条件下，不同比重的物质之间的分层和沉淀消失了。如果用含有多种元素的熔融态金属制造合金，不论它们的密度相差多大，由于在凝固结晶过程中不存在热扰动，因此，可制造出成分极其均匀的合金，或金属基复合材料。
在微重力条件下，内聚力和表面张力仍然存在，不产生地面上常见的自重变形，能制造出椭圆度极小的球体，且可控制产品形状，如制造极薄的金属膜和极细的金属丝。
在微重力条件下，因没有浮力，液体内的气泡排不出去，在各种粘度的液体中均可保留气泡，利用这一特性可制造出质量轻、强度大、刚性好的泡沫金属。
在空间站，人们为了开发利用微重力资源而配置了各种各样的空间材料加工专用装置，比如材料的熔化与固化装置、分离装置、连续电泳装置、有机金属晶体生长装置、球晶生长装置、温度梯度型电炉、声悬浮炉等等。可以制备在地面上无法制造的难混合金、偏晶合金和复合材料，生长掺杂分布更为均匀、化学配比更加精确以及晶体结构更加完善的单晶材料，制取地面无法生长的大尺寸蛋白质晶体和高效率地提纯高纯度生物制品等。
半导体材料是信息产业的基石之一，在计算机、光通信、非绕性光学器件以及能量转换方面获得广泛的应用。半导体器件对半导体材料的要求很高，并且是多方面的。目前地面已生产的半导体材料，由于微观缺陷、杂质及其不均匀分布、沉淀物以及杂质和缺陷络合物的存在，已成为半导体器件发展的主要障碍。而在空间微重力条件下，晶体生长的潜在效益显著提高。主要因为结晶物质的传递不受对流的影响，晶体生长时其晶格趋向理想状态的排列，晶体结构完善，位错密度大为降低，掺杂均一性提高，组分偏析减少等，这些得天独厚的优越性是地面无法与之相比的。
在空间站生长的硒化锗和碲化锗晶体比地面生长的大 6～8 倍，生长速度亦大大加快。在空间站，用镓、硼、锑掺在熔化的锗中，均匀度可提高 4 倍。磷化铟在空间生长的速率比地面快 5 倍，且无杂质条纹。半导体器件早已进入微米尺寸甚至量子尺寸阶段，这就对半导体材料提出了更高的要求。最近，人们普遍把注意力集中到具有广泛应用价值的砷化镓上。地面生长的砷化镓，存在着清晰的、高密度的杂质条纹，而在空间生长的没有杂质条纹。由于砷化镓中的镓比重为 5.904，砷的比重为1.97，两者比重相差甚大，因而在地面熔体中生长砷化镓单晶时不可避免地存在着组分对流，由于固? 液界面的热不稳定性，必将导致砷化镓中化学配比的偏离。这是化合物半导体区别于单质半导体所特有的、长期没有能够解决的严重问题。在空间站设置的砷化镓单晶生长炉中，采 用移动加热法进行单晶生长，因组分的重力驱动对流消失了，从而获得具有比较精确的化学配比的砷化镓单晶，所得产品的缺陷及其络合物大为减少，这对从根本上改进砷化镓材料质量具有十分重大的意义。其结果表明化合物半导体的空间产业前景十分诱人。它将使计算机实现集成化、高速化、多功能化，并有可能具备接近人脑功能的智能化。高智能化的微小电路快实现时，传统的电子机器、机械设备、医疗器械等的体积大为缩小与简化，给传统的机械产品的形状、性能、用途等带来了革命性的变化。
泡沫金属，是具有奇特性能的金属，这种材料轻如木材，坚如钢铁，能象木块那样漂浮在水中，又能有效地抵抗压缩力。泡沫金属在地面上是无法制造的，假如向钢水中充气，因气体不会停留更不会均匀分布在钢水中，绝大部分气体将冒到钢水的表面而逃逸掉。可是在微重力条件下，气泡既不上浮，也不下沉，而是均匀地分布在钢水中。至于如何将气泡注入到熔融物质中，在空间有几种可供选择的方法：一是将液态金属物质和气体同时送入真空室中；二是在强大的压力下，将气体送入熔炼室的熔体中，然后再将充满气体的熔体送入真空室，当液体压力急剧下降时，液体中出现大量气泡，再使之急速冷却，这些气泡就能均匀地分布和固定在金属中；三是在金属粉末中加入易熔物质颗粒，这些易熔物质在加热时释放出大量的气体，但在加热前，必须仔细搅拌混合物，因这将是决定气泡分布均匀性的关键所在。例如泡沫金属钢条，按它的体积计算，可充入 88％的气体。根据同样的原理，还可生产更轻的泡沫铝、泡沫钛等。泡沫金属，除了具有一切多孔物质固有的一般机械性能外，还随着气泡在固体物质内部分散程度的不同，而具有特殊的电、磁、过滤等特性。除此之外，还可制造气孔体积大小相等，且具有一定几何形状的泡沫陶瓷。
在地球上，制造金属纤维和丝、薄膜、薄片都比较困难，常常由于重力的作用而断裂。在空间微重力条件下，其生产工艺十分简便，只要将金属熔体不断地送入喷管或喷丝头，喷出后经冷却、拉伸就可制成纤维、长丝、薄膜和薄片。至于金属球，在远古时代，人们的制造方法是从高塔上用筛子过滤熔融的铅，使铅滴在下落时处于失重状态下冷却成形，制成的铅球近似于理想的球体形状。现代工业需要使用大量的轴承，其内装的滚珠通常在地面经铸造、轧机、冲模、切削和研磨等加工工序，一般难以保证球体具有更高的质量，因而影响使用寿命。然而，在空间微重力环境下，可以生产出高质量的实心和空心滚珠，这是因为处于微重力状态下的熔化金属，表面张力很大，能自动地收缩成理想的球体。如果需要空心球，则在加压下把气体注入自由蒸发的液滴中，就象吹肥皂泡那样将其吹胀，等液体冷凝后就成了空心球体。空心球体比实心球体更紧固耐用，经测试，带空心球体的轴承比实心的寿命长 4～7 倍。如果在空心球上，再浇上一层、两层的同一金属熔体，或者其它金属熔体，由于润湿性能所起的作用，新浇的熔体能均匀地蒙在整个球体上，即可制得轴承上用的无缝多层的空心滚珠，从而综合体现了理想球体、内腔壳体、多层材料所具有的各种优良性能。 在空间微重力及高真空条件下生产的金属材料，在强度、刚度、抗 磨损、切削等机械性能、耐热性能、磁性能、超导性能均得到改善，如在空间生产的记忆合金性能优越，而在地面因钛镍比重相差一倍很难获得均匀样品。此外，空间生产的铅锌锑合金，具有更高的熔化温度。锗合金在地面生产只能获得一般超导性，而到空间生产的制品可获得超导性能。
近代科学技术的发展，需要一系列的新型玻璃材料。它们被应用于量子电子、计算机、通信、能源和空间等技术领域。这些材料不仅应具有一定的光、电、磁、机械特性，而且应具有高纯的化学组成和高的化学结构以及均匀度。地面环境在一定程度上限制了许多新型玻璃材料的制备，而在微重力条件下，可生产出均匀度高的玻璃、耐高温玻璃、金属玻璃、微晶玻璃、氟化物玻璃、无气泡玻璃、彩色照相玻璃、光学纤维等。如一条Æ 1μ×1km的光导纤维，容纳的信息是普通话线的1000倍。