1 前言
材料是人類社會文明程度的重要指標；人類社會的發展史可用所使用的典型材料來劃分。到目前為止的人類社會發展史大體上可分為石器時代、青銅器時代、鐵器時代和當前的矽時代[1]。有人甚至把此前的人類歷史統稱為矽前時代。人類文明的進步強烈地依賴於材料的獲得和材料利用能力的提高。可以說，材料科學是一國經濟成功之保證，影響其國民生活的方方面面；目前世界上的發達國家，一定是材料科學研究的先進國家。這方面，典型的例子有美國、日本、德國等。
材料科學研究材料的特徵、過程和應用等諸多方面，註定了它是涉及數學、力學、物理學、化學和工程學諸多領域的綜合學科，如物理學研究材料的製造、表徵、測試、測量、物性的理解等，化學研究材料的製造、設計和加工等，數學和力學則提供對材料的描述、計算和理解，等等。目前，所有的有一定實力進行科學研究的國家都把材料科學研究放在首位，因而材料科學研究近年來得到迅猛的、全方位的發展。從技術角度來看， 新材料、新技術和新產品不斷湧現；從學術角度來看，近年出現了許多新的材料科學雜誌且其學術聲譽不斷得到提高。 後者典型的證據是Advanced Materials和 Nature Materials 等高品質雜誌的迅速竄高的聲譽。
40年以前， 人類所有關於材料的研究和開發利用的活動都是在地面上進行的。任何物質單元因有一定的質量，在地球表面上都會受到地球引力的影響。在某些材料體系或材料過程中，地球對材料的引力(或曰材料的重力)可能會起到不可忽視的、有時甚至是主導性的作用，這包括一些重力驅動的現象如漂浮、對流、沉澱和靜壓力變化等。很顯然，這些現象會影響任何流體相中的過程。相應地，在空間隨重力環境的變化則會表現出完全不同的行為來，會呈現出新的現象或允許揭示原來被重力掩蓋了的現象[2]。此外，人類的宇航事業是以材料科學進步為基礎的，空間飛行所用材料本身就要求系統的空間材料科學研究。而人類的空間探索活動，也會把對空間環境和空間存在的物質材料的利用作為目的之一。基於以上考慮，可以看到針對以下幾種情形空間材料科學研究是必要的：
(1)在重力的變化或存在與否對所關注的材料過程或過程實現的外部條件具有明顯影響的情形下；
(2)針對宇航業必需的材料(如防護、推進、潤滑)和空間存在的物質；
(3)尋求地面上沒有的其它條件，比如極端高真空和強輻射時。
其中，第一種情形就是所謂的微重力材料科學研究。它是空間材料科學研究的主體部分，在一些文獻中，微重力材料科學甚至和空間材料科學不刻意加以區分。本文討論的重點也是放在微重力材料科學研究上。
2 微重力材料科學
物體自由下落時不會感受到自身的重力。 這一深邃的物理洞見構成了愛因斯坦廣義相對論的思想基礎。在向地面下落的物體內，以及在廣大的遠離星體的自由空間中，重力可以降低到接近於零的水平，即構成微重力環境。材料科學在微重力下的研究當然只在重力存在與否對所關注的過程或過程實現的外部條件具有明顯影響的情形下才有意義，因此，微重力材料科學研究關注的材料一般不涉及剛體、彈性體甚至塑性體這樣的內部分子關聯較強的體系，而主要是流體*，包括蒸汽、液體、固體材料的熔液以及部分軟物質(生命物質與氣泡、泡沫材料等)、顆粒物質以及這些材料形式之間的或它們同固體的組合。微重力材料科學的這一特點決定了它的研究內容和研究手段。 其研究內容包括材料自身的物性研究，如浸潤過程、燒結過程，物質輸運過程(擴散、對流)等， 熔體的固化和結晶過程，溶液法晶體生長等。涉及的物理概念多為質量輸運過程，表現為凝聚、形核和生長，其物理驅動力為液體/熔體的表面能(張力)和界面能。 氣體和液體/熔體間的界面能主要體現在泡沫結構和泡沫材料研究中[2]。
空間材料科學是最早開展的空間科學研究領域。經過30餘年的不懈努力， 空間材料科學研究到目前為止幾乎涉及了所有方面的重要材料研究， 包括[3-5]：
(1)形核與亞穩態；(2)微結構的預測與控制；(3)界面與相分離問題；(4)輸運問題；(5)晶體生長與缺陷控制，等等。
如果以「與材料有關的」空間研究內容論， 根據歐空局的數據，則包括凝聚現象、應用指向的熔化過程、沸騰/汽化過程、毛細現象、化學斑圖的形成、燃燒、複合物、晶體生長中的對流與偏析現象、擴散、流體的動力學與穩定性、電磁學、 電泳、鐵流體、流體物理、流體臨界現象、泡沫、亞穩相與玻璃、顆粒物質、 界面現象、近臨界點研究、火焰、金屬合金、微結構與形貌穩定性、粒子凝聚和物理化學，等等*。可以說，空間材料科學研究的廣度已得到了充分的體現。
3 空間材料科學的關鍵成果
空間材料科學研究是最先開展的空間科學研究，取得了相當多的成果。 在前述的重要方向上有：在電磁懸浮爐中對金屬玻璃熱力學性質的系統研究，對大塊金屬玻璃的設計能提供指導性的知識；確立了對流對枝晶生長機理的影響；了解了液相燒結中顆粒壓模形狀改變的原因，在此基礎上地面工藝免除了研磨的步驟，具有相當的經濟效益； 對Ostwald Ripening 機理的深入研究摒除了20世紀60年代的舊理論；測定了許多種金屬、半導體等材料在高溫下的擴散係數；對提拉法和浮區法晶體生長過程的深刻理解引起了對這兩種方法生長的晶體質量的改進；獲得了對流對固液界面穩定性的影響的深刻認識，等等[3-5]。
4 對空間材料科學的評價
在對空間材料科學研究進展進行評價之前， 筆者以為有必要提請讀者注意到空間材料科學與其它空間學科不同的地方，即與空間材料科學研究相對應存在著材料科學這門學科， 且材料科學研究目前已到了令人吃驚的深度與廣度。在材料學科領域內，想成為多方面的專家其難度已超過筆者的想像力。人們在對空間材料科學研究的成果做評價時，會不可避免地拿相關的材料科學研究作為參照。
空間材料科學研究至今已進行30餘年，儘管付出了許多努力，認識到了許多新現象，但研究結果的深度、自洽性同地面類似研究相比，非常初步，有時其結論顯得匆忙，經不起推敲。其原因有兩方面：其一是受實驗條件和資源限制，只能進行簡單的實驗，且重複的機會少，缺少對實驗過程的全面觀察記錄，缺少對實驗過程的實時人為幹預調節，等等；其二是對空間條件的特殊性認識不足。在空間進行的材料過程中，總有我們在地面上意想不到的事情或現象出現。而這恰恰是空間材料科學實驗的必要性所在和迷人之處。同時應該看到，向外太空的擴展是人類心靈深處的願望而且也許很快會成為一種必要，材料在空間環境中的研究與開發利用是其關鍵環節。初期的進展緩慢和高代價是必然的。
5 空間材料科學的設備問題
我們看到，目前空間(材料)科學**發展的瓶頸體現在空間實驗設備和實驗機會上。材料科學的一個特點是多學科交叉，對設備和方法有著強烈的依賴，且設備具有極度多樣性!空間材料科學所需要的儀器五花八門，不勝枚舉。所有地面上用於材料科學研究(製備、檢測、表徵、物性測量、性能測試等等)的儀器設備都是空間材料科學研究的必備儀器，然而，由於空間條件的限制，這包括重量、功率、體積、實驗的無人操縱等方面的因素，當前材料科學的空間實驗部分所涉及的儀器設備主要是固體材料熔化設備、溶液晶體生長設備以及一些簡單的觀察和記錄設備，如帶一定溫控功能的管式爐、電磁懸浮爐、溶液混合系統、觀測溶液濃度分布的幹涉儀和CCD相機，等等。顯然，這些只能滿足一些簡單的空間材料製備和研究需求。材料研究主要還是以空間獲得材料在地面上做對比研究。
空間材料科學領域的實驗技術基於地面上的成熟研究，是有充分保障的。但是設備受空間資源的限制一直難以滿足研究的需求。資源限制是空間材料科學短期內不可能改變的現實。因此，空間材料科學設備研究在試圖將更多更複雜的設備送上空間的同時，設備的微型化、小功率化、信息自動化、模塊化和系統平臺化(提供普適型條件)是必要的趨勢。新的升空設備應儘可能實時原位地進行實驗過程操控和記錄，並且允許加載電磁場等外場。發展專門的大型實驗平臺成為當前的趨勢。空間實驗平臺可以搭載更複雜的實驗儀器，可以人工操控對實驗研究過程實時幹預，進行參數調整，從而可從根本上改變目前空間材料科學進展緩慢的局面。歐空局研製的用於有人照料空間實驗的「材料科學實驗室」代表了空間材料科學實驗模塊的方向。
6 經驗和教訓
空間(材料)科學研究在取得了相當多重要成就的同時， 因它是全新的未知領域， 也就遭遇了相當的挫折，從而積累了許多經驗和教訓。美國宇航局(NASA)、歐空局、俄羅斯聯邦空間局和日本空間局都有總結[5-7]，其中尤以日本空間局的總結較為系統[7]：
(1)空間科學實驗是對地面上科學實驗的延伸。但是，在空間中改變實驗參數、進行人為幹預非常困難， 因此應該進行大量的地基實驗或實驗準備。建議地基實驗和空間實驗的比重為95∶5；
(2)注重團隊合作。實驗相關的科學家、硬體研製人員、工程技術人員和項目管理人員應能密切配合；
(3)注重數值模擬，最好能預先模擬實驗結果；
(4)強調科學與技術的結合。 一個科學目的的達到， 需要實驗技術上、工程上的保證；
(5)從事材料科學研究的人員最好能熟悉空間環境問題。升空前的準備實驗應在與升空設備完全相同的設備內進行。對實驗系統在空間中可能出現的狀況要有充分的認識；
(6)無論此前進行過多少次準備性的實驗，空間實驗時都不可掉以輕心。即使是樣品尺寸的簡單變化，都要當作全新的體系對待；
(7)認識到經常會有「無心插柳」式的收穫。 空間實驗常常會得到意想不到的結果；
(8)要注重實驗設備的研製。原創性的結果只能來自原創性的實驗硬體。
NASA 從事空間材料科學研究時間最長，範圍最廣，最有資格總結經驗和教訓。在最近幾年的回顧和展望中， NASA都強調空間項目的科學性問題[3-4]。由於空間實驗周期長、花費大，如果項目的科學性不足無疑就是某種程度上的耽擱和浪費!在對科學與技術進步份量的衡量中， NASA堅持這樣的指導思想：「不是所有的基礎科學研究都能產生技術，但所有的現代技術絕對是基於基礎科學研究的成果」。這一點，我國在制定空間(材料)科學項目政策和遴選項目時應注意到。
NASA 積幾十年的經驗注意到的另一個空間(材料)科學關鍵教訓是，幾乎所有的空間(材料)科學項目其最終的花費都比原先預期的要多。由於經費的不足，原先遴選的項目可能最終無法完成。一方面， 此類的問題應能通過縝密的規劃儘可能地避免；另一方面，也應豁達地予以接受，畢竟它具有一定的客觀必然性。
7 中國空間材料科學研究現狀
我國的空間材料科學研究從1987年利用返回式衛星進行GaAs晶體的空間熔煉生長開始，至今已經歷十幾年，也研究開發了多種材料空間實驗裝置，積累了一定的技術基礎和研製經驗，發展態勢良好。主要研究內容包括晶體生長爐的研製，溶液法晶體生長裝置的研製，金屬合金等多種材料凝固實驗和擴散規律、結晶規律的研究，如GaSb、 GaAs、 HgCdTe、 Ce∶Bi12SiO20和?琢?螄LiIO3晶體的生長，等等。但由於資源限制，目前進行的還主要只是與固體熔化和溶液法晶體生長有關的研究。設備為多工位爐和溶液晶體生長設備。同美俄等空間大國相比， 我們在設備研究、實驗次數、開展研究的範圍和深度上都有較大的差距。其中，最明顯的差距體現在所用的設備上，其自動化程度、適用性同美、俄、歐、日相比都較差。這大大限制了我國空間材料科學研究進展的步伐。在未來的空間科學研究規劃中， 空間實驗設備應加大投入，並且要充分認識到對相應的地面研究加大投入、維持高水平研究隊伍的重要性。
應該看到， 隨著我國經濟的持續發展，國家把空間探索擺到了一個非常重要的位置。我國的空間飛行器技術也不斷取得重大突破， 因此，未來一段時間內我國進行空間材料科學研究的資源(包括資金支持和空間實驗機會)會有大幅度的增加。 空間材料科學的研究無論從認識材料還是開發材料以及促進國民經濟和航天事業本身來講， 都會被放到一個顯著重要的位置。
8 當前國際上的研究重點
8.1 主要空間研究的材料對象
(1) 新穎鑄造合金；(2) 金屬泡沫材料；
(3) 半導體晶體；(4) 高溫陶瓷；(5) 輕質金屬基材料；(6) 生物材料(包括涉及人類長時間空間旅行有關的生物過程；與生命探索有關的有機材料等)；(7) 智能與自修復材料；(8) 空間探測事業需求的飛行器空間防護材料、潤滑與推進材料；(9) 顆粒物質；(10) 電子晶體與光子晶體材料；(11) 高分子材料，等等[5-7]。
8.2 關注的材料中的核心問題
(1) 過冷液體的性質和其中的形核；(2) 固化過程中的微結構發育動力學；(3) 多相體系的形貌演化；(4) 計算材料科學；(5) 微重力下液態的熱物理性質；(6) 物質內的參數耦合輸運過程，等等。
實際上，所有的材料和材料行為都是空間材料科學研究的對象。由於空間材料科學比較成熟，近年內戰略考慮方面沒有什麼實質性的改動。但是， 基於空間材料科學研究的歷史經驗，美俄日歐在未來如何進行材料科學研究的指導思想上還是一致強調：
(1)空間材料科學研究必須立足於大量的充分的地面相關實驗。除了支持飛行實驗以外， 還支持大量的地基研究，包括任何支持，補充或未來能夠發展成飛行實驗的研究項目；
(2)考慮到空間實驗設備對空間科學研究進展的嚴重限制，以及空間環境下儀器構造及運行過程的特殊性，空間材料科學設備應由有專業化認識的隊伍參與研製， 並由專門機構統管；
(3)空間探索是全人類的事業。同其它空間科學研究一樣，空間材料研究領域內的全方位國際合作是重要的。
9 討論與建議
9.1 討論
我們注意到，從利用飛行器到其它星體表面上的探索和開發利用月球資源，甚至於目前還是科學幻想的外太空移民，空間(材料)科學研究中之微重力(材料)科學的提法顯得不是很恰當了。在月球上，引力水平約為地表上的1/6，屬於弱重力範圍；而在一些其它星球表面上則可能遠高於1.0g，屬於目前我們所說的超重力(hypergravity)範圍。另外，從近星體軌道到完成登陸的過程是一個引力不斷變化的過程。因此，建議使用「不同引力環境下」的空間(材料)科學這一適應性較廣的提法來描述與引力有關的空間材料(科學)研究。
另外，國際上在空間(材料)科學項目遴選與培育方面的經驗也值得我們借鑑。空間(材料)科學研究周期長、機會少、成本高， 因此特別要講究項目的效率和效益。講效益是要有科學或技術意義，講效率是保障珍貴實驗機會的有效利用。在項目遴選上， 我們認為備選的空間材料科學項目應當回答以下幾個問題：
(1)在所研究的材料體系中到底有哪些相關的物理過程或現象？
(2)重力的變化或有與無對過程或最終的產品有哪些影響？
(3)可能有哪些被重力掩蓋了的現象？
(4)它會增加我們關於材料科學的知識嗎？
(5)此研究所獲得的知識和數據如何能被應用到地面上的研究或工業過程？
(6)此研究所獲得的知識和數據如何有益於空間的探索和開發？
其中第(4)條有關課題的學術價值， 第(5)、(6)兩條體現的是其應用價值和經濟效益。
9.2 建議
空間材料科學研究是空間探索中的一大重要領域，美、加、俄、歐、日在空間材料科學研究方面都做了大量持久的投入； 其它空間技術相對落後的國家，如澳大利亞、印度、巴西，甚至新加坡，也都在積極參與空間(材料)科學的研究。我國的空間(材料)科學目前還只是處於起步階段, 有大量的基礎工作要做。 當前宜穩定一支知識結構全面、活躍在科研第一線的專業隊伍, 建立高水平的地基材料科學實驗室，積極在地面上進行空間指向的材料科學前沿研究和空間材料科學設備的研製，並同時進行空間材料科學的成果、政策性問題和發展歷程的調研。空間材料科學研究是一項周期長、投入大的研究領域。它強烈地依賴於空間投送能力、空間研究設備的製造水平，又反過來對空間探索具有一定的促進和保障作用。美、俄、歐在空間材料科學方面的成就都是通過長久艱苦的探索逐步取得的， 其發展戰略也是立足於長遠目標。目前限制空間材料科學研究的關鍵因素是實驗平臺的缺少和專門用於空間實驗的科學設備的滯後，而非來自材料科學本身。因此，我國的空間材料科學研究戰略重點也應放在空間實驗設備的研製上， 並應建立先進的地基材料科學實驗室以支持系統全面的、空間指向的地面材料科學研究。在發展自主研究能力的同時， 加強國際合作，加強對國際已有的空間材料科學項目的系統研究，汲取經驗，以達到少走彎路，減少失誤，迅速提升我國空間材料科學研究水平和能力的目的。另一點， 應避免政出多門的局面，有效防止急功近利的部門行為對空間科學發展的妨礙。以科學問題本身為導向，協調好研究隊伍包括其上級管理部門之間的利益關係，對空間(材料)科學項目加大評審的力度，並將評審過程做到完全透明、公開。國家對已確立的研究項目，應根據項目自身的特點給予長期穩定的支持。對於其中大部分不能升空進行的空間指向的相關研究工作，其研究成果，甚至包括一些失誤、失敗，同樣應看作是空間(材料)科學研究事業的成果。須知空間(材料)科學研究的最終目的是增加人類的知識，提高人類的生存水平，重要的是達到此一目的，而不是達到此一目的的具體時間和地點。
主要參考文獻
1 Ball P. make to measure. Princeton: Princeton
university Press, 1997.
2 Walter H U. Fluid Sciences and Materials in Space.
Berlin: Springer , 1987.
3 The Vision for space exploration. NASA, 2004.
4 Space Science: Strategic Plan.NASA, 2000.
5 New Space Program of Russian Federation and
Space Debris Problem. Federal Space Agency of
Russia, 2006.
6 Cosmic Vision. European Space Agency, 2005.
7 JAXA Vision. JAXA, 2005.
致謝 本文得到中國科學院「空間科學項目中長期發展規劃研究」軟課題資助。