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中国空间站超高温合金材料研究获新进展
来源: | 作者:Emma | 发布时间: 2024-07-05 | 405 次浏览 | 分享到:



         超高温合金在当今和未来的航空、航天、化工、核能等领域有着广泛的应用,如熔点超过2000K的铌合金是航空航天飞行器超高温热端部件的关键材料,难熔锆合金是核能和化工领域的重要材料。这些材料的主要特点是能够承受高温极端环境的考验,但也正是其耐高温的特征,对其研究一直面临极大的挑战,如液态是大多数的超高温合金制备必须经历的物质状态,而如何研究液态超高温合金的性质一直是材料物理与化学领域的难题。

   目前,在中国空间站内,部署了科学实验柜等具有国际领先水平的空间科学研究与应用设施,能够在轨支持空间生命科学与生物技术、空间材料科学、微重力基础物理、微重力流体物理等诸多领域的研究与应用,中国空间站正在成为我国当前覆盖学科领域最全、在轨支持能力最强,且兼备有人参与和上下行运输等独特优势的“国家太空实验室”,各类空间科学与应用研究有序展开。

   由西北工业大学科研团队主导的超高温合金材料研究近日取得新进展,研究团队通过中国空间站提供的微重力环境获得了材料的关键物理特性,实现了难熔合金微观组织结构与宏观形态的双调控。

   据介绍,研究团队选取的实验材料为铌合金,从2021年9月开始,样品分三批,随天舟三号、天舟四号、天舟五号货运飞船进入中国空间站开展空间材料科学实验。在航天员的协助下,研究团队成功完成了材料在微重力条件下的加热、熔化、降温、过冷、凝固以及热物理性质测定等重要实验。

   铌是一种难熔金属,其熔点高达2400多摄氏度。铌合金材料具有塑性好,加工和焊接性能优良等特点,可用作航天和航空工业的热防护和结构材料,因而被认为是下一代火箭和航空发动机的重要备选材料。

  

    不过,在地面环境下,要对其两千多摄氏度的熔体开展物理特性的研究十分困难,连实验容器都很难找到。而中国空间站的无容器材料实验柜刚好能够提供无容器和微重力环境的绝佳实验条件,也为研究人员获取其物理特性提供了可能。

    锆合金在轨凝固实验取得科学新发现,除了对超高温合金材料开展研究外,研究团队还在中国空间站所提供的微重力环境下,对锆合金材料开展了在轨凝固实验,同样取得了重要发现。

    锆合金具有耐腐蚀性和生物相容性,通常在核技术及医学植入领域有着广泛的应用。此前,锆合金的36个实验样品,通过天舟三号货运飞船送入中国空间站,借助微重力环境,研究团队得到了不同于地面的材料内部温度场和流场分布,并观察到特殊的表面组织结构。

    据介绍,锆合金固体状态和液体状态间存在密度差,通常凝固后会出现收缩与缩孔,这也是该专业领域普遍受到关注的研究方向。此次在微重力环境下得到的表面涡旋组织结构,是此前在地面条件下从未发现过的现象,将对进一步了解材料特性,拓展材料应用提供新的可能。

    在中国空间站将铌合金加热到高达2338K的超高温液体状态,特别是,将液态超高温铌合金通过热辐射冷却达到了437K的深过冷亚稳态。研究发现,在微重力作用下液态铌合金和锆合金呈现出高球形度,即极为接近正球形,这是在地面实验室无法达到的,在此基础上,获取了亚稳液态超高温合金的密度、热辐比等基础且关键的物理性质。

    该项研究对于人们进一步认识太空环境中超高温合金的亚稳液态性质与凝固规律具有重要的帮助,获得的物理性质、表面流动、凝固组织对于指导地面研制难熔铌合金和锆合金具有重要的作用,为高温化学、空间材料物理与化学等领域研究提供了知识储备。