揭开“太空抽屉”专利之谜

在空间特有的环境中，微重力是极为重要的特征之一，于空间中借助微重力特性及无容器状态开展材料加工以及成型原理的探索，对新材料的研发意义重大。

我国天宫空间站所部署的无容器材料实验柜，仿若“太空抽屉”，由中国科学院空间科学与应用研究中心研发，能够实现样品在悬浮状态下的加热熔融、物性测量以及过冷凝固等操作。本文以专利技术为切入点，梳理无容器合金材料实验的核心技术，期望为无容器材料实验技术的发展提供参考。

偏晶合金，亦称难混溶合金或不混溶合金，具备出色的润滑、导电、导热和磁性能，可作为自润滑材料、超导材料、磁流体发电机材料以及永磁体材料等。然而，常规铸造技术难以制备出性能优越的偏晶合金，而太空中的微重力环境为偏晶合金的熔炼提供了良好的研究条件。

1990 年，我国科研人员对正交电磁场参数给偏晶合金比重偏析带来的影响展开了研究。2017 年，西北工业大学的一件专利申请，能够解决偏晶合金的偏析问题，同时弥补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缺陷。2019 年，北方民族大学的一件专利申请，让凝固的合金中元素偏析有了显著改善。2021 年，西北工业大学的一件专利取得了突破性进展。

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，但其低室温断裂韧性限制了其工业化应用，而微重力条件下的无容器技术则是一种新型研究手段。

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的一件专利申请，使其断裂韧性提高了约一倍。同年，哈尔滨工业大学的一件专利申请，可获取低密度、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，该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对合金相组成的控制。同年，该团队的另一件专利申请，使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。利用微重力条件下的无容器技术，可让样品处于过冷状态，快速固化形成非晶态金属。

近 15 年来，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与尝试。2012 年，北京科技大学运用雾化喷射沉积技术，实现了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，大幅降低了异质形核的可能性。2015 年，西北工业大学的一件专利申请能够使凝固过程中获得更大过冷度，实现形核率的提高。2019 年，西北工业大学采用落管无容器快速凝固制备方法，获得并筛选出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，确保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研制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方面，我国创新主体虽起步稍晚，但发展迅速。随着我国无容器合金材料技术的持续成熟，制备所得的合金材料有望实现商业化应用，创新主体应做好高价值专利培育布局，为创新技术提供保障。