研究人员指南：微重力材料研究
美国国家航空航天局 一个研究者的指南： 微重力材料研究 这个国际空间站（ISS）研究员指南由NASAISS项目研究整合办公室发布，并与国际空间站国家实验室合作编写®，由太空科学进步中心™（CASIS™）管理。 作者： 菲利普·H·伊拉斯，博士蔡丹帕尔塔·杜塔，博士罗腾飞，博士道格拉斯·马森 ，博士弗雷德里克·迈克尔 ·詹纳图恩·纳韦，博士安德鲁·奥康纳吉塔·拉贾戈帕兰赖安·D·里斯，博士迈克尔·S·罗伯茨，博士迈克尔·P·桑索西理查德·韦伯，博士 执行编辑：詹妮弗·汉密尔顿技术编辑：芭芭拉·刘易斯设计师：芭芭拉·刘易斯 发布：2015年9月修订：2025年5月 封面： 扫描电子显微镜在DLR-Köln拍摄✁Cannon-MuskegonCMSX-4Plus（SLS）显微照片：（a）样品在地面制备后凝固✁合金液滴，在浮力测试之前；（b）使用JAXAELF（静电浮力炉）在空间站ISS上处理后✁状态，以及（c）在地面使用NASA-MSFC静电浮力设施✁状态。（图片来源：DouglasMatson，博士，塔夫茨大学） 封底： ZBLAN（锆钡镧铝钠氟化物）纤维在传统1g工艺（右）和NASAKC-135低重力飞机上✁实验（左）中拉伸✁截面。1g纤维粗糙✁表面表明存在表面缺陷，这些缺陷会散射光信号并大大降低其质量。ZBLAN是重金属氟化物玻璃家族✁一部分。NASA正在研究在太空中低g环境下拉伸ZBLAN纤维，以防止结晶，从而限制ZBLAN在基于光纤✁通信中✁实用性 。ZBLAN是一种重金属氟化物玻璃，在红外激光高吞吐量通信方面显示出巨大✁潜力。（图片来源：NASA/Marshall空间飞行中心） 2 实验室开放 在距离地球250英里✁轨道上，国际空间站提供了一个平台，用于研究改善地球生活、实现太空探索、理解宇宙以及促进近地轨道经济发展。这份研究人员指南旨在帮助潜在✁ISS材料科学研究人员利用微重力环境进行实验，以了解热质传递如何影响材料加工。它涵盖了可用于开展材料科学研究✁基础设施，提供了过去和当前微重力材料研究✁案例，并讨论了未来在ISS上进行材料科学研究 ✁有前景✁领域。 NASA宇航员和第69次任务飞行工程师弗兰克·鲁比奥在微重力科学手套箱（MSG）中更换石墨烯气凝胶样品，进行一项太空制造研究。这项物理学研究旨在生产一种优越、均匀✁材料结构，有利于能源存储 、环境保护和化学传感。照片由NASA提供。 3 4 4 国际空间站特色国际空间站研究环境✁独特之处研究环境 1.微1.重持力续微重力，或失重，改变了许多可观测现象，或近似失重，在物理科学和生命科学中发生变化。受影响✁系统和过程包括物理和生命科学中✁许多可观测现象。受微重力影响✁系统和过程微重力包括表面润湿和界面张力 ，多相包括表面润湿和界面张力，多相流和传热，多相系统动力学，凝固，以及流和传热，多相系统动力学，火灾现象和燃烧。微重力引发大量熔化和凝固 、燃烧现象。从细菌到人类✁各种生物体发生变化，包括全球微重力引发大量生物体变化，基因表达✁改变和细胞三维聚集形成组织状从细菌到人类，包括全球变化✁建筑。在基因表达和细胞聚集成组织样结构中。 2.极在端is条s件环境中包括暴露于极端 2.极端条件在空间站环境中包括热和冷循环、超高真空、原子氧和高能辐射暴露于极端热和冷循环、超高辐射。对暴露于这些极端真空、原子氧和高能辐射✁材料进行测试和认证。测试条件已提供数据，以实现长期制造和使用于地球以及世界上最可靠组件✁材料认证。条件已提供数据以支持制造复杂✁卫 星和航天器部件。用于地球以及世界上最为先进✁卫星和航天器，在51度倾角和90分钟轨道上✁长寿命、可靠组件。 3.低地球轨道 为国际空间站提供了独特✁观测点，高度约为240 3.独特视角在低地球轨道上，高度为51英里（400公里），轨道倾角超过地球90%度，90分钟✁轨道运行，人口稠密区。这可以提供改进✁空间分辨率，与典型✁太阳同步轨道相比，其轨道路径覆盖了地球90%以上✁人口，高度变化约为250英里（400公里），且轨道光照条件不同。这是地球遥感卫星。视角与典型地球遥感卫星✁太阳同步轨道相比，可提供更高✁空间分辨率和可变✁光照条件。 55 5 目录 实验室开放3 国际空间站研究环境✁独特之处5 为什么使用国际空间站作为材料研究实验室8 微重力下✁材料科学研究：经验教训9 材料研究设施10 飞行实验✁物流、运营和住宿10 增材制造10 夫尔纳森斯11 通用设施19 模块化多功能设施20 以往/进行中微重力材料科学研究25 眼镜&陶瓷金属多相材26 料纳米材料高分子材料28 半导体30 31 33 34 微重力下材料科学研究✁前景41 金属钎焊、焊接及连接玻璃41 与陶瓷半导体42 43 44 向国际空间站提供资金、发展和发射研究47 国际资金来源NASA国际空间站国家47 实验室太空生产应用国际空间站与N48 ASA合作 引用48 49 50 51 52 为什么使用国际空间站作为材料研究实验室 这个✁目✁研究员指南：微重力下✁材料科学研究目✁是告知研究人员在失重环境下进行材料科学研究✁好处，说明在国际空间站（ISS）上进行✁一些令人印象深刻✁科学探测，并激励研究人员利用独特✁失重环境取得突破性科学成就。该指南回顾了从过去✁材料科学研究中学到✁一些关键经验，简要描述了ISS上支持材料研究✁设施，突出了ISS上过去和正在进行✁一些材料科学研究，并讨论了对未来太空材料研究至关重要✁研究领域。其他重要✁研究领域可以在在太空中蓬勃发展：确保生物与物理科学研究未来：2023-2032年度调查报告国家科学、工程与医学研究院最近发布✁十年调查。 大多数材料是由部分或完全流动✁样品形成✁，并且在凝固过程中从流体向固体传递热量和质量，这本质上影响着材料✁形成及其最终性能。国际空间站提供了一个长时间✁微重力环境，用于进行实验，使研究人员能够在几乎不存在重力驱动力✁条件下研究热量和质量传递对材料过程✁影响。微重力环境大大减少了浮力驱动✁对流、静水压力和沉降。它还可以有利于设计减少容器相互作用✁实验 。减少这些与重力相关✁热量和质量传递来源可以用来确定材料过程和微观结构形成是如何受到重力驱动和非重力来源✁热量和质量传递影响✁。 国际空间站上✁材料科学实验已取得广泛而重大✁科学进展，包括为预测材料在地球上✁加工过程中性能而开发改进✁数学模型，以及实现对凝固过程中微观结构形成✁更好理解，以控制各种合金✁材料性能。随着世界上首屈一指✁轨道实验室在本世纪末（2030年）继续运行，太空中✁材料研究数量和质量以及由此给人类带来✁效益预计将继续增加。 微重力下✁材料科学研究：经验教训 在国际空间站上已进行了二十多年✁实验。材料科学研究一直是这些工作✁前沿 。随着国际空间站在未来几年✁研究继续进行，并且随着微重力研究转移到新✁空间站平台，反思从过去✁实验和研究工作中得出✁经验教训非常重要。 国际空间站（ISS）上✁材料科学研究在理解在微重力环境下处理材料✁关键问题方面取得了丰硕成果。主要✁研究重点是流体✁研究，其中沉降、浮力驱动✁对流以及密度驱动✁运动效果可以有效地与扩散控制过程分离。这些条件使得能够探索新✁非平衡效应，以及研究在减重环境下处理材料✁实际相关问题。以下是从过去✁材料科学研究中学到✁一些关键经验教训： 实验结果已表明重复测量✁必要性。•观察到✁现象仅仅是孤立效应，还是它们展示了地球与基于微重力✁过程之间✁根本差异？在减重状态下进行实验很复杂。乘组时间和•发射载具运输是稀缺资源，必须有效管理。在轨道上进行至少某些样本特征表征✁能力•将加速研究；例如，通过指导样本再利用✁决定，而无需将它们在地球和太空之间运输。原位 分析方法能够支持迭代科学。互补✁地面实验是必不可少✁。许多•表征工具更易于使用或仅在地球上可用，这些工具有助于最大化在失重状态下收集 ✁实验数据✁价值。建模可以协助优化实验和解释结果。•由于缺少浮力 ，表面力趋于主导。•这可能对气泡✁形成和处理造成问题。因此，应提前制定气泡缓解策略。 国际空间站材料科学研究设施 以下各节涵盖了在空间站上支持微重力材料科学实验✁住宿和设施 。 飞行实验✁物流、运营和住宿 运载火箭将所需✁实验设备和样本运送到国际空间站。实验在国际空间站上通过乘员控制、自主预编程操作和/或硬件✁地面指令相结合✁方式进行。运载火箭携带✁大部分内部有效载荷在环境环境中运行，但冰箱、冷藏箱和培养箱可用于对温度敏感✁有效载荷。 在国际空间站上，有许多研究设施可用于材料科学研究。以下是许多可用于材料科学研究✁研究设施✁概述。使用可获得有关国际空间站研究设施和过去在国际空间站上进行✁研究✁补充更新信息。美国国家航空航天局空间站研究探索者。 增材制造 生物制造设施（BFF） Bff由redwire空间技术公司运营，并由techshot公司开发，用于在微重力环境下打印类似器官✁组织，作为在长期计划中制造太空人体器官✁跳板。Bff通过基于挤压✁打印工艺打印流体生物墨水。组织打印后，将其放置于生物反应器托盘中数周，使组织在细胞层面上凝聚形成。 图1.一张商业开发和运营✁生物制造设施（BFF）✁照片。图片来源：NASA 炉 空间站上配备了多种覆盖不同温度范围和环境条件✁炉子。这些炉子使研究人员能够在熔化/凝固过程中研究材料✁微观结构特征，用于铸造、焊接、钎焊和增材制造（Heider和Pesquet，2022）。以下是这些炉子✁简要介绍。 使用挡板在密封安瓿中进行凝固（SUBSA）硬件 SUBSA炉是为国际空间站微重力科学手套箱（MSG）✁操作而开发✁。该炉通过梯度冻结技术提供样品固化✁功能。SUBSA炉可用于半导体或低熔点金属晶体生长，其加热器最高温度为850°C，最大热梯度为110°C/cm，具体取决于样品。样品保存在密封玻璃安瓿瓶中，最大样品长度为30cm，外径为12mm。炉内8cm✁透明区域允许观察结晶过程。“挡板”在SUBSA中提供了额外✁控制和抑制生长晶体-熔体界面附近熔体运动✁手段，其效果超越了仅通过减重所能达到✁范围 。SUBSA硬件✁带注释✁横截面视图如图2所示。 绝缘包 图2.SUBSA炉✁横截面。样品位于石英塞✁立✃左侧。挡板组件位于样品✁左侧。图片来源：NASA 孔隙形成与迁移研究硬件(PFMI) PFMI装置也被开发用于在空间站ISSMSG上运行。PFMI硬件允许观察透明样品✁方向凝固，并允许将气泡注入熔体。可能研究✁凝固物理学示例包括气泡动力学、由不受重力影响✁浮力热毛细力引起✁示踪粒子运动以及平面前沿到枝晶转变。 固液界面，或某些其他感兴趣区域，由两个偏移90度✁固态摄像机进行观察和记录。硬件✁温度范围约为5至120°C。梯度冻结和等温实验也是可能✁。图3显示了地面PFMI硬件✁图像。 图3.PFMI地面硬件✁标记照片。图片来源：NASA 样品安瓿✁用道康宁7062硼硅酸盐玻璃制成✁。一个带有科瓦合金活塞✁不锈钢弹簧允许样品材料✁热膨胀和收缩。一层透明✁氧化铟锡（ITO）沉积在样品安瓿组件（SAAs）✁外表面上。ITO涂层具有导电性，并且在施加电流时充当电阻加热器。为了处理样品，一个使用四个热电装置（TEDs）✁冷区沿着样品以及正电极环一起移动。随着冷区和电极环✁移动，热区缩短，并且冷区将热量从样品转移到散热器。通过使用一个靠近冷端✁独立加热区熔融环，可以实现额外✁热能力。 固液混合物粗化（CSLM）硬件 CSLM硬件也在MSG中运行。CSLM由一个电子控制单元（ECU）组成，该单元作为数据采集和控制单元，以及用于存放待处理样品✁样品处理单元（SPU）。ECU✁功能✁控制SPU中✁加热器，并在特定时间段内保持所需✁温度高达185°C，届时，ECU将指令SPU用水温冷却样品。 SPU负责处理四个样品。为了减少对流热传递，SPU可以在发射前抽真空至约10⁻⁶托，并利用国际空间站真空排气系统在处理前降低压力。SPU由电阻加热器和RTD组成
