一文揭开“太空抽屉”的专利奥秘

空间特有的环境中，微重力是最重要的特征之一，在空间中利用微重力特性和无容器状态进行材料加工以及成型原理的探索对新材料的研发具有重要意义。

无容器材料实验柜仿若“太空抽屉”，我国天宫空间站部署的无容器材料实验柜由中国科学院空间科学与应用研究中心研发，可实现样品悬浮状态下的加热熔融、物性测量以及过冷凝固等步骤。本文以专利技术为出发点，梳理无容器合金材料实验的核心技术，以期对无容器材料实验技术发展提供参考。

偏晶合金又称难混溶合金或不混溶合金，具有优异的润滑、导电、导热和磁性能，可用作自润滑材料、超导材料、磁流体发电机材料和永磁体材料等。然而，常规铸造技术难以制备性能优异的偏晶合金，而太空中的微重力环境则为偏晶合金的熔炼创造了良好的研究条件。

1990年，我国科研人员研究了正交电磁场参数对偏晶合金比重偏析的影响。2017年，西北工业大学提交的一件专利申请，可解决偏晶合金的偏析问题，同时克服现有微重力快速凝固技术中落管长度与合金液滴尺寸成反比的不足。2019年，北方民族大学提交的一件专利申请，使凝固的合金中元素偏析有明显改善。2021年，西北工业大学的一件专利也取得了突破性的进展。

复相合金中极具代表性的NbSi合金（铌硅合金）是下一代航空发动机热端部件的候选材料之一，但NbSi合金的低室温断裂韧性限制了其工业化的应用，而微重力条件下的无容器技术则是一种新型的研究手段。

2008年，北京航空航天大学较早提交了一件相关专利申请。2012年，中航商用航空发动机有限责任公司提交的一件专利申请使得其断裂韧性提高约一倍。2012年，哈尔滨工业大学提交的一件专利申请，可获得低密度、高弹性模量、优异的高温强度和抗氧化性的NbSi合金。西北工业大学教授王海鹏团队长期从事静电悬浮无容器技术研究，2022年提交的一件专利申请解决了NbSi合金在空间站静电悬浮试验中难以快速准确调节单色红外发射率的问题。同年，王海鹏团队成功开发了静电悬浮触发凝固方法。2023年，该团队提交的一件专利申请实现了控制合金的相组成。同年，该团队提交的一件专利申请，使得所得的复相合金硬度和断裂韧性显著提升。

非晶合金是优良的软磁、催化、耐磨、耐腐蚀材料。采用微重力条件下的无容器技术，可以使样品处于过冷状态，快速固化形成非晶态金属。

近15年以来，我国创新主体针对多种无容器技术制备非晶合金进行了探索和尝试。2012年，北京科技大学采用雾化喷射沉积技术，实现了在液态技术雾化过程中过冷度的增大，以及喷射沉积时近似无容器凝固的极快冷却，大大减少了异质形核的可能性。2015年，西北工业大学提交的一件专利申请可以使得凝固过程中获得更大过冷度，实现形核率增大。2019年，西北工业大学采用落管无容器快速凝固制备方法，获得并筛选具有优异性能的非晶微球。2020年，中国空间技术研究院以非晶合金丝材为原材料，利用脉冲电流作为非晶合金太空增材制造的热源，从而保证了在微重力条件下太空增材制造非晶合金的稳定性。此外，我国创新主体还利用无容器技术制备出了新型的非晶材料。

值得一提的是，在无容器合金材料技术上，我国创新主体虽起步较晚，但后来居上，随着我国无容器合金材料技术的不断成熟，制备得到的合金材料有望获得商业化应用，创新主体应做好高价值专利培育布局，为创新技术保驾护航。