●高化猛 陈信波 张翔宇
请想象一下，如果将我们日常生活中的材料丢进太空，会发生什么？塑料会变得像玻璃一样脆；普通的润滑油会直接蒸发；金属会发生“冷焊”现象——两块干净的同种金属碰在一起，会像被胶水黏住一样，直接黏合成一体……
这不是科幻情节，而是会发生的真实情况。
高真空、强辐射、强温差……性能再优越的材料一旦被送入太空，都要面临严酷的极端环境考验。据统计，70%以上的航天器故障，都直接或间接由空间环境导致。
不过，从科研人员的视角来看，太空中独特的物理条件，也为材料科学研究开辟出一个全新的研究维度：这里没有重力沉降和对流干扰，有助于生长出原子、分子排列更加规整均匀的材料。聚焦这一重要领域，太空材料科学研究应运而生。
今年5月，随神舟二十二号飞船返回地面的中国空间站第十批科学实验样品中，包含了新型钛合金、高强韧钢等太空材料。通过精密分析这些材料，科研人员可以研究微重力环境对材料生长的影响，从而优化太空材料性能。
7月，美国萤火虫航天公司获得美国国家航空航天局（NASA）喷气推进实验室订单，确认将碳纤维复合材料应用于未来火星登陆器的核心防护结构。
那么，太空材料具备哪些独特的性能呢？其发展进程如何？又将为人们的生活带来哪些改变？
从零星实验到“太空工厂”
人类最早利用太空环境制备新材料，可以追溯到1969年。
那一年，苏联“联盟6号”飞船搭载了一台名为“火神”的空间炉。正是这台空间炉，完成了人类历史上首次太空焊接实验，拉开了太空材料科学的序幕。
此后，苏联依托“礼炮号”空间站开展系统研究，成功制备出铝镁、铜铟等多种合金，逐步揭开了微重力环境下材料生长的规律。
苏联的探索成果，迅速点燃了全球对太空材料的热情。
2001年，美国启动MISSE项目，把近4000种材料样品像“晒衣服”一样固定在空间站舱外，让这些材料直接经受原子氧与空间辐射的长期“烤”验，部分样品在轨暴露时间甚至长达数年，这为后续航天材料的制备与寿命评估积累了大量数据。欧空局与日本也紧随其后，分别搭建了太空材料研究设施。
我国在太空材料领域的研究实现了稳步跨越。1987年，利用返回式卫星搭载的太空材料加工炉，我国成功培育出高质量的砷化镓单晶。2016年，天宫二号在轨期间，航天员首次参与了空间材料科学实验，完成了多批次样品的管理和更换工作。搭载于天和核心舱的无容器材料实验柜，自2021年4月发射入轨后，持续开展研究，可将样品加热至3000摄氏度以上。2025年，实验柜成功把钨合金加热到3100摄氏度以上，创造了新的世界纪录。
从短期的零星实验到长期运行的“太空工厂”，目前，世界在太空材料领域的研究已迈入体系化、规模化的阶段。太空微重力环境消除了重力造成的对流和沉降干扰现象，科学家可在更纯净、更稳定的环境条件下研究物质演变规律，合成地面难以制备的高性能材料。
地面环境“炼”出的典型太空材料
理解太空材料，需从两个维度出发：一类是利用太空环境制备的新材料；另一类则纯粹来自地面，特指能够耐受太空极端环境的先进材料。
从用途看，太空材料可分为结构材料与功能材料。前者如铝合金、钛合金，主要用于承担载荷；后者如防辐射涂层、半导体晶体，主要用于发挥特定功能。
厘清了太空材料的定义，我们不妨将视线拉回当下。如今，越来越多的太空材料正逐渐走进公众视野。
——耐受太空极端环境的超高强度碳纤维材料。
3月11日，我国正式对外公布自主研发的T1200级超高强度碳纤维材料。该材料直径不到头发丝十分之一，拉伸强度却能达到8000兆帕以上，相当于普通钢材的10倍，而密度仅为钢材的四分之一。一根手指粗的T1200级碳纤维，足以吊起一架最大起飞重量约80吨的大飞机。
凭借轻量化、高强度等核心特性，碳纤维复合材料已成为卫星与火箭关键部件的首选材料。
——抗辐射的新型金属陶瓷复合材料。
宇宙辐射是航天器遇到的主要威胁之一，它像看不见的“子弹”，既威胁航天员健康，也损害航天器设备。据悉，今年1月，俄罗斯科研团队将六硼化镧粉末与铝镁合金混合，借助电脉冲等离子烧结技术，制成一种新型金属陶瓷复合材料。
研究表明，当该复合材料中六硼化镧的含量为50%时，热辐射强度可衰减一半。用该材料制作出的航天部件，可在承受机械载荷的同时具备良好的辐射防护能力。
缺什么就在天上造什么
如果说上文提到的碳纤维等材料的制备还是在地面环境中完成，那么太空3D打印技术则为制备太空材料开启了另一种可能——缺什么，就直接在天上造什么。
据欧空局官网介绍，2024年1月，首台专为微重力环境设计的金属3D打印机随货运飞船抵达国际空间站，被安装在哥伦布实验舱中。据悉，经过多次打印实验后，首个在轨打印出的完整金属部件已于2025年2月返回地球，运抵欧空局技术中心接受测试分析。
此外，除了太空3D打印技术，太空环境还有助于改进半导体材料制作工艺，提高材料性能。
在地面上培育半导体晶体材料，重力带来的对流和沉降干扰会让材料原子排列混乱，给材料制造留下大量缺陷。相比之下，近地轨道的微重力环境恰好消除了这一干扰。
2025年，英国太空锻造公司在ForgeStar-1卫星上成功演示了其半导体制造工艺。该公司称，在太空环境中制造的半导体纯度可达地面半导体纯度的4000倍。
美国瞄准了性能更高的半导体——氮化铝。2026年初，美国一研究团队已开发出一套用于微重力环境下，生产氮化铝的反应原型机。据悉，该设备可在2800至3200摄氏度的高温下工作，功耗仅为250至400瓦。目前，这项研究已进入第二阶段，研究团队正在开发可部署于国际空间站的飞行验证版反应器原型机，用以推动“太空制造氮化铝”从可行性验证走向实际应用。
材料科学助力
人类驶向更远的深空
航空界有“一代材料，一代飞机”的说法。同样，材料科学对于人类的航天之路也有着决定性影响。驶向更远的深空，太空材料的性能将向智能化、自修复等更广阔的维度发展。
——复合防护与自修复材料。未来的航天器材料将集辐射防护、电磁屏蔽等功能于一身。2025年8月，我国上海交通大学在国际上首次提出“超支化聚合物涂层一体化防护”技术路线，该技术颠覆了传统隔热片拼接技术，在航天器防护涂层领域实现了新的突破。
——AI驱动材料智能化研发。未来空间站或深空探测器上有望部署AI实验平台，借助AI算法，平台可以快速预测新型复合材料在强辐射环境下的使用寿命，推动材料研发模式从“经验试错”向“预测设计”转变。2022年，中国航空学会将“如何利用大数据和人工智能技术精确预测复合材料失效”列为前沿科学问题。今年2月，大连理工大学公布最新研究成果，他们利用机器学习，辅助预测碳纤维复合材料在高温下的使用寿命。
——太空生物制造。2025年底，沙特宇航员在国际空间站上成功制造出全球首个软骨修复纳米材料。今年初，美国某生物技术公司与Starlab商业空间站签署了预留舱位协议，计划在微重力环境下制造蛋白质人工视网膜，用于治疗色素性视网膜炎等眼部疾病。
从目前来看，太空材料也存在一些短板。
例如，部分太空材料的极端环境适配性仍有待提升，许多材料在极端温差、星体撞击下，会发生材料性能退化的现象；有些高性能材料回收困难，这容易带来环境污染问题；还有一些热防护材料，长期暴露于强辐射环境下，容易产生微小裂纹，导致材料性能衰减，使用寿命大大降低……解决上述问题，还需要科研人员在先进制造技术等方面久久为功。
太空探索永无止境。从最初的零星实验到如今的“太空工厂”，从被动适应环境到主动制备材料，微重力、超真空的太空环境为材料研究提供了独一无二的“实验室”。期待太空材料未来能有更多突破！
据《解放军报》