赵九洲（左一）与团队成员江鸿翔、张丽丽、何杰讨论实验结果。中国网记者 谢露莹 摄
赵九洲（中）与团队成员何杰（左一）、江鸿翔（右一）讨论空间站实验结果并进一步论证。中国网记者 谢露莹 摄
中国网8月22日讯（记者 谢露莹）近日，记者从中国科学院空间应用工程与技术中心了解到，中国科学院金属研究所赵九洲研究员项目团队利用中国空间站微重力环境，成功破解相分离合金凝固一系列难题，为高性能材料制备开辟了新道路，取得了重要的空间应用阶段性成果。
从“偏析组织”到“复合组织”：合金凝固的奥秘
合金凝固过程，就像“炼金术”神秘而复杂。赵九洲告诉中国网记者：“很多合金在凝固过程中首先自熔体析出第二相液滴或颗粒，发生液-液分相或液-固分相。这类合金可统称为相分离合金。”在地面重力条件下，相分离合金在凝固过程中容易形成析出相粗大、乃至偏析严重的组织，致使相分离合金的凝固过程研究与制备极为困难，其应用受到严重限制。中国空间站提供的长时间微重力环境，为该类合金凝固研究提供了优越良好的条件。
赵九洲研究员项目团队利用空间站开展相分离合金凝固实验，成功制备出第二相均匀弥散分布的“原位粒子复合材料”样品和“具有壳-核结构”的球形样品，而相同凝固条件下的地面凝固样品则呈现了偏析型组织。实验结果验证了团队的理论预测。
天地协同相分离合金凝固实验样品组织特性对比图。
“我们利用空间环境的微重力条件，破解了地面重力对相分离合金凝固理论研究的制约”，赵九洲介绍，“通过地基实验、空间实验和建模与模拟研究相结合，我们深入理解了相分离合金凝固组织形成过程和关键影响因素，发展了多种相分离合金凝固组织调控方法，为高性能相分离合金材料设计与制备打下了基础”。
高性能材料制备的新希望
中国科学院金属研究所副研究员江鸿翔（左一）、助理研究员郭快快（左二）在地面利用静电悬浮实验装置开展相关实验。中国网记者 谢露莹 摄
科研人员展示在空间站凝固的实验样品。中国网记者 谢露莹 摄
相分离合金凝固理论和相分离合金原位复合材料制备技术是材料科学领域的前沿研究方向之一，具有重要的理论意义和应用价值。美国很早就在空间开展液-液相分离合金凝固实验，但未能得到理想的结果，空间凝固样品亦呈现了偏析型凝固组织。近年来，赵九洲研究员项目团队在该方面研究取得了“突破”进展。他们基于大量的地基研究，优化设计合金成份和凝固工艺，在空间制备了原位复合样品。
中国科学院金属研究所赵九洲研究员项目团队，长期致力于相分离合金凝固理论研究与原位复合材料制备技术研发，取得了丰硕的成果。自2004年开始地基预研以来，赵九洲研究员项目团队就相关研究，在National Science Review、Acta Materialia等国际顶级期刊上发表论文200余篇，获授权发明专利40余项，撰写并发表了学术专著《金属基复合材料原位形成理论基础》。赵九洲研究员项目团队的研究成果获得了国内外学者的高度评价，认为他们团队在利用航天飞行器研究二元和三元相分离合金凝固行为方面开展了开拓性的研究，有助于澄清相分离合金凝固组织演变的动力学细节。
赵九洲研究员项目团队学术专著《金属基复合材料原位形成理论基础》。中国科学院供图 中国网 发
研究成果应用前景广阔
图1 空间凝固的Al-Bi-Sn合金呈现弥散型组织，地面凝固合金呈现偏析组织。(a) 初始凝固部位；(b) 试样中部；(c) 最后凝固位置。 中国科学院供图 中国网发
图2空间Gd-Ti-Co合金样品呈现完整的核-壳结构；地面样品呈现了偏析型凝固组织。 中国科学院供图 中国网发
近年来，在中国载人空间站工程等项目的支持下，中国科学院金属研究所赵九洲研究员项目团队围绕相分离合金原位复合凝固组织形成机理，开展了长期深入系统的地基预研，建立了相分离合金凝固过程模型，探索了用电场、磁场和微合金化调控合金凝固过程，促进原位复合凝固组织形成的可行性；进而，基于大量的地基研究，优化设计合金成份和凝固工艺，在天宫二号以及中国空间站SZ13、SZ15和SZ16飞行期间开展了相分离合金的凝固实验，获得了原位粒子均匀分布的复合材料样品(见图1)和具有壳-核结构的球形样品(见图2)。通过天地协同，相关研究揭示了相分离合金凝固过程和重力/微重力的影响，发展了该类合金的凝固理论，提出了相分离合金凝固组织调控方法。
赵九洲在接受中国网记者采访时介绍：“相分离合金凝固组织调控极为重要，通过控制合金凝固过程中的相分离行为，可实现组织结构的均匀化和细化，从而，显著提升材料的力学性能、耐磨性能、耐腐蚀性能等。”
记者了解到，赵九洲研究员项目团队高度重视理论研究成果在工业生产中应用，以相关理论为指导，研发出多种关键材料的制备技术，在核电、电子通讯、装备制造等领域获得应用。
未来，中国科学院金属研究所将继续利用空间站开展更多相关研究，探索更多高性能材料的制备方法，为推动我国航天事业和材料科学的发展做出贡献。相信，随着研究的不断深入，空间应用将得到更快发展，为人类科技进步贡献更多力量。
编审：唐佳蕾 王月博
【责任编辑：谢露莹】