综合材料实验装置（“炉子”）

材料实验炉示意图1

材料实验炉示意图2

宇航员更换样品示意图

作为“天宫二号”即将进行的10余项空间科学实验之一，“综合材料实验”格外引人注目。综合材料实验是由中科院物理研究所和中科院上海硅酸盐研究所共同牵头负责，院内外6个研究所和西北工业大学共同承担的材料科学实验项目。

整套实验装置由“材料实验炉”、“材料电控箱”和“材料样品工具袋”三个单机构成，虽然最大功耗还不到200瓦、“体重”仅为27.6公斤，但是却能实现最高950摄氏度的炉膛温度，着实令人惊叹。

如果把材料实验炉拆开来看，整个结构类似于一把“左轮手枪”——由加热炉单元构成的“枪管”和样品管理单元构成的转轮“弹夹”。加热炉单元有一个直径18毫米的炉膛，空间材料的制备和处理就是在这个高温枪管中完成的。通过控制“枪管”中的温度，可实现材料的熔化和凝固，从而在空间微重力条件下制备出地面难以合成的高质量材料，“弹夹”内一次能够完成6种材料样品的高温制备和处理。当其中某个材料需要进行空间生长实验时，通过材料电控箱的控制，将料舱中的样品慢慢推入“枪管”，按预定工艺高温实验，完成这个工位样品的生长。以这种形式完成一个样品的高温实验后，可以把该样品退回到它所在的“弹夹”中，然后依次完成6个料舱中的样品实验。材料样品工具袋主要是用于携带实验样品，并由驻守的航天员对材料实验炉进行开盖换样操作，在航天员更换样品后回收完成实验的样品。

值得一提的是，由于每个材料对实验装置的要求都各不相同，针对众多材料样品提出的关于温场模式、合成工艺控制等方面的需求，综合材料实验装置引入了多项具有自主知识产权的创新技术，重点解决了多温区加热技术、低功耗下的升温保温技术、温度的精确控制技术等难题。而更换样品时航天员的开盖换样操作，也将是我国首次实现航天员执行空间材料实验的在轨操作任务。

没有金刚钻，不揽瓷器活。天宫二号综合材料实验不但“炉子”设计精妙，参与实验制备的12个材料科学实验样品和6个热物性测量样品也是各显神通，包含了复合材料、金属合金、有机高分子材料和晶体材料等多种不同种类的材料，将在空间微重力下进行ZnTe:Cu晶体空间生长、介孔基纳米复合材料制备、Al-Cu-Mg单晶金属合金空间凝固与缺陷控制、CsI闪烁晶体空间制备与性能研究等12项空间材料实验。

就拿磁性半导体空间科学实验来说，该实验将以InMnSb作为研究载体，借助“天宫二号”的材料实验炉，采用改进的“布里奇曼”晶体生长方法，使晶锭依次通过保温区进而完成晶体生长。在微重力环境下，由于浮力对流消失，熔体的质量输运过程由扩散所支配，为制备组分均匀的磁性半导体提供了难得的条件，使得InMnSb的非接触生长成为可能，大幅降低了材料缺陷浓度。

“这解决了对于由磁性元素掺入到半导体中形成的复杂多元体系，如何使晶体组分均匀分布的难题。”中科院半导体研究所材料科学重点实验室研究员张兴旺在接受《中国科学报》记者采访时说。

“微重力环境为深入研究被重力所掩盖的物理现象提供了难得的机遇。”张兴旺表示，通过天地对比实验，不但可能得到地面无法获取的优质材料，还可丰富多元半导体生长理论，有助于深刻理解熔体静压力与蒸气压力在晶体生长中的作用，从而促进地基非接触生长工艺的进步。