图4 地面（上）与空间（下）生长的BSO单晶形貌对比
图3“神舟3号”飞船上制备并安全回收的样品
图2 多工位晶体生长炉剖视图
图1 在“神舟3号”飞船上的多工位晶体生长炉实物照片
失重，人们早就熟悉。譬如，在电梯中急速下降和从高处跌落下来，都会瞬间处于失重状态。失重是相对于重力而言的。重力是一个可直接测量或直接感受到的物理概念。在地球引力场中，重力是指地球引力和物体自身运动所产生的惯性力的向量之和。而失重是指运动着的物体在引力场中作任何运动时所出现的一种特殊状态。在人类摆脱地球引力进入太空之前，由于失重的时间极短，并未引起人们的重视。现今，无论是卫星、飞船、空间站还是航天器上的仪器设备，当它们沿轨道飞行时，由于环绕地球旋转产生的离心力和重力达到近似平衡，都可以长期处于失重状态中。
随着研究深入和计量仪器的不断发展，人们逐渐认识到所谓的“失重”、“零重力”或“无重力”的环境是无法实现的。由于某种因素的干扰，如航天器姿态的调整，仪器设备的运行，任何微小的机械扰动等等，都会造成重力加速度的变化，总是有微小的残余重力存在，不可能形成完全真正的“零重力”环境。因此，从科学和规范的角度来看，称“微重力环境”更为确切些。
多年来，人们在重力场中已经形成了许多传统的物理概念，并推导出一些公式，形成了物理规律、定理或定律，似乎已经建立起不可动摇的理论体系。但是，在微重力条件下，以往的科技知识就显得十分贫乏了。例如，在重力环境中，装有油、水和沙粒的试管中，沙粒总是下沉，而油滴总是上浮。在微重力环境中，沙粒既不下沉，油滴也不上浮，三者可以实现均匀混合。再如燃烧现象，在微重力环境下，点燃的蜡烛马上就会熄灭，不会出现持续燃烧现象等。其实，在微重力环境中，很多的物理概念，包括流体中的对流与沉淀效应、浸润现象、燃烧现象、热交换规律、摩擦及电泳等物理过程，都必须重建新的物理模型，总结新的规律，创建新的定理或定律。
在微重力环境中进行材料研究、实验和加工，其目的主要有以下几方面：
·由于出现了许多不同于重力环境的基本物理学规律，对这些物理问题的深入研究，有望解释地面上存在的疑难问题，解决材料制备过程中的共性问题，为改善材料性能和指导未来地面生产提供科学依据。
· 在空间制备少量贵重、关键的技术材料，以满足高新技术领域对特殊材料的需求；
· 获得在地面用传统方法不能制备或合成的新型材料等。经过几十年的努力，微重力材料科学领域已经取得了一批研究成果，并展现出美好而诱人的应用前景。随着微重力材料科学理论的不断完善和发展，将来一旦取得重大突破，可能产生巨大的经济效益，其价值目前还难以准确估量。
“多工位晶体生长炉”是一台适合在飞船上进行空间材料生长研究的通用设备，由中科院上海硅酸盐研究所、中科院北京空间中心和中国航天工业总公司兰州物理所三个单位共同承担该装置的联合研制并执行空间试验任务，由中科院上海硅酸盐所牵头负责。该装置先后参加了我国“神舟1号”、“神舟2号”和“神舟3号”无人飞船的空间飞行试验。在三次空间试验中多工位晶体生长炉技术状态良好，圆满完成了空间飞行试验任务。
在执行“神舟3号”飞船的空间试验任务中，按预定计划完成了全部的材料制备试验(图3)。空间材料试验(从左向右)依次为：
· Al-Mg2Si共晶合金的定向凝固和NdAlFeCo基块体亚稳材料制备(物理所)
· Pd40Ni10Cu30P20金属玻璃制备及Ag-Sn/Fe、Cu-Sn/Fe、Ag-Sn/Ni和Cu-Sn/Ni浸润性研究(物理所、金属所)
· Al-Al3Ni共晶合金及复合材料制备(金属所)
· MnGaSb磁性半导体单晶生长(半导体所)
· 掺Ce: B12SO20氧化物光信息功能单晶生长(上海硅酸盐所，见图4)
· CdZnTe半导体红外光电单晶生长试验(上海技术物理所) |
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