中国空间站无容器材料实验：技术创新与科学贡献

余建定1,2，吴成铁1，马萍2，张陈晨2，杨波2，解文军3，赵九洲4，何杰4，王建忠5，吴琛6，王刚7，汤浩岚8，杨森9（1.中国科学院上海硅酸盐研究所；2.中国科学院空间应用工程与技术中心；3.西北工业大学物理科学与技术学院；4.中国科学院金属研究所；5. 西北有色金属研究院金属多孔材料全国重点实验室；6.浙江大学材料科学与工程学院；7.上海大学核电关键材料全国重点实验室；8.中国科学技术大学岩石圈演化与环境演变全国重点实验室；9.西安交通大学物理学院）

摘要:中国空间站（China Space Station，CSS）无容器材料实验柜（containerless materials rack，CMR）于2021 年成功在轨运行，是当前国际先进的空间材料实验平台。综述了CMR 的技术创新、运控体系与重要科学成果。在技术方面， CMR 采用半导体激光与CO2 激光耦合加热，静电位置控制精度±0.1 mm，真空度优于10−4 Pa，可提供最高3 个大气压的加压环境，单盒可容纳29 颗样品，材料适用范围涵盖导电金属与非导电的氧化物、玻璃、半导体等多种体系。CMR 已开展22 个科学实验项目，累计完成1005 颗样品的在轨实验，在轨实测最高加热温度达3100℃ 以上。在难熔合金、金属功能材料、生物活性玻璃和行星科学模拟物等领域，精确测定了多种合金熔体在深过冷状态下的密度、黏度、表面张力等热物性参数，揭示了表面波−涡旋复合组织、共晶解耦、液−液相分离、偏晶相选择凝固和单晶定向生长等微重力独有的凝固机制；制备了结构均匀的高活性Ca−Ti−Si 生物活性玻璃；首次实现了陨石球粒与富钙铝难熔包体（calcium−aluminum−rich inclusions，CAI）的空间凝固模拟，揭示了硅扩散受限主导的星云矿物演化机制。研究结果表明，CMR 的成功研制与高效运行使中国空间材料科学实验能力达到或超越国际先进水平，为新材料研发、地面工艺优化以及深空探测的就地资源利用（in−situ resource utilization，ISRU）奠定了坚实的科学和技术基础。

关键词:中国空间站；无容器材料加工；微重力效应；空间凝固；热物性测试