高山讲堂 | 魏炳波院士：从空间材料科学走向太空制造

空间材料科学是材料科学与空间技术交叉融合的重要领域，在微重力、无容器等条件下，科研人员能研发特殊的新材料，探索常规地面实验难以充分揭示的科学问题。

如何在地面模拟太空中的特殊条件？如何在材料进入空间站之前，就掌握其关键物性与演化规律？如何让在轨实验获得的数据更加可靠，并进一步服务于工程应用？这些问题构成了空间材料科学从基础研究走向应用的重要起点，也拉开了魏炳波院士团队长期不懈探索的序幕。1992年，魏炳波院士结束国外的合作研究回到西北工业大学任教，并着手创建空间材料科学实验室。

历经多年探索，魏炳波院士团队建立起面向空间极端条件高温金属材料研究的综合性实验技术体系，为我国空间材料科学研究提供了重要支撑。

从地面模拟太空环境，到在轨开展材料实验，关键技术是连接两者的基础。

在空间材料研究中，如何避免容器接触对高温材料实验的干扰，是一项重要挑战。静电悬浮技术利用高压电场产生的静电力，使材料样品脱离容器实现悬浮，并结合位置探测与反馈控制，实现对样品位置的精确调控。但对于钨、锆、铌等难熔金属而言，高熔点、悬浮稳定性控制以及液态物性测量等问题，都给实验技术带来了极大挑战。

围绕这些难题，魏炳波院士团队研发大尺度超高温静电悬浮技术，实现了最大尺寸15毫米、最高温度4006K（约3733℃）的金属材料稳定悬浮，并可开展密度、表面张力、粘度等关键热物性测量，为高温材料研究提供了新的实验手段。

地面实验解决基础问题，空间实验探索特殊环境下的新现象，两者如何形成有效衔接？

魏炳波院士团队逐步构建起天地协同的研究体系：在空间实验开展前，通过地面实验模拟相关条件，对实验方案和材料进行预演与验证；在轨实验进一步利用空间环境开展研究；与此同时，地面对比实验与返回样品分析为验证实验结果、深化科学认识提供支撑。他将这一过程形象地概括为“地面画龙，空间点睛”。

这套体系的意义，不仅在于为在轨实验提供可靠的地面基础，也在于让空间实验中的新现象能够与地面研究相互印证。通过持续积累材料热物性数据、研究凝固动力学规律，科研人员得以更深入地认识高温材料在特殊条件下的行为，为后续空间实验与工程应用提供科学依据。

随着中国空间站进入应用与发展阶段，空间材料科学迎来了新的研究机遇。依托无容器材料科学实验柜等平台，科研人员能够在微重力条件下开展高温材料实验，研究液态物性、凝固过程与微观组织演化。

通过在轨实验及返回样品分析，科研人员获取了难熔合金在宽温度范围内的液态关键物性数据，并围绕合金形态调控、微重力凝固过程及共晶合金生长行为开展研究。相关研究揭示了微重力条件下凝固表面收缩的动力学规律，并观察到微重力与无容器条件下共晶合金的特殊生长现象，为认识材料凝固过程中的组织演化机制提供了新的研究线索。

随着月球探测的推进，如何利用地外资源开展原位加工与制造，成为空间技术发展的重要研究方向。

对于未来月球基地等应用场景而言，如果能够利用地外资源制备所需材料和部件，并结合智能控制、自动化加工与资源循环利用技术，就有望为长期地外探测和基地建设提供新的技术支撑，减少部分物资对地球运输的依赖。从地面实验装置中发展起来的无容器材料制备与成形加工技术，也为探索空间环境下的材料加工和制造积累了重要经验。

展望未来，魏炳波院士提出面向天地协同的先进制造分阶段发展设想：近期聚焦关键技术攻关与实验平台建设，中期探索高价值产品的在轨试制与生产，远期构建天地协同的新型制造体系。

讲座结束后，现场科研人员与科研管理人员围绕前沿热点与发展趋势踊跃提问，现场气氛热烈，魏炳波院士也对问题作了深入解答。谈及甬江实验室的发展，魏炳波院士表示：“甬江实验室正站在材料科学的制高点上，在世界前沿奋力拼搏。”言语间，他对实验室的未来发展寄予期望。

从地面实验室的自主攻关，到中国空间站筑梦九天，再到面向未来的太空制造，空间材料科学正不断拓展材料研究与先进制造的边界。面向未来，持续推进基础研究、突破关键技术、促进科技成果转化，将为我国空间科学与先进制造发展提供新的支撑。