科研人員在觀察金屬材料微重力環(huán)境下鑄造的技術(shù)實(shí)驗(yàn)樣品在地面脫模情況。(中科院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心 供圖)

作為地球上最早發(fā)明陶瓷的文明之一，中國(guó)正在研發(fā)能夠在太空制造陶瓷的技術(shù)。它最令人激動(dòng)的應(yīng)用是到月球、火星或其他星球上去建造基地，當(dāng)然你也可以利用這一技術(shù)將月塵做成茶壺茶碗，為自己泡一杯茶。

近日，中國(guó)科學(xué)院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心科研人員在瑞士杜本多夫利用歐洲失重飛機(jī)成功完成了國(guó)際首次微重力環(huán)境下陶瓷材料立體光刻成形技術(shù)試驗(yàn)。

領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的中國(guó)科學(xué)院太空制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任王功說(shuō)：“立體光刻是一種在地面上常用的3D打印工藝，但以往航天界認(rèn)為這種工藝不適用于微重力環(huán)境。”

中國(guó)科學(xué)家同時(shí)還利用3D打印的陶瓷模具完成了首次微重力環(huán)境下金屬材料鑄造技術(shù)試驗(yàn)。

王功說(shuō)，這兩項(xiàng)試驗(yàn)的目的是為了將來(lái)能夠在空間站快速制造出零部件;在太空直接組建大型望遠(yuǎn)鏡或其他科學(xué)儀器;更長(zhǎng)遠(yuǎn)的目標(biāo)是為了開(kāi)展月球、火星等深空探索。

他說(shuō)：“月塵的主要成分是納米級(jí)或亞微米級(jí)的硅酸鹽顆粒，其形態(tài)與我們平時(shí)制作陶瓷的原料形態(tài)類(lèi)似。月壤內(nèi)還含有鈦、鋁、鐵等金屬。”

“我們想探索一種工藝用月塵制造出陶瓷模具，再用這些模具將月壤中的金屬鑄造成金屬元部件。”

然而，微重力環(huán)境下粉末材料難以在制造過(guò)程中得到有效控制，國(guó)際上普遍采用絲狀材料作為太空制造的主要材料形態(tài)，但該種方式的一次成型精度和表面光潔度較低，實(shí)際應(yīng)用潛力受限。

中國(guó)科學(xué)家研發(fā)出一種技術(shù)，將精細(xì)的粉末均勻地混入一種特殊的樹(shù)脂中，制作成膏體，再通過(guò)光刻固化。

中科院實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)完成飛行任務(wù)后合影留念。(中科院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心 供圖)

“我們團(tuán)隊(duì)花了兩年多時(shí)間研究如何制造這種不會(huì)在微重力環(huán)境中四處飄散的膏體，這是我們的技術(shù)最具創(chuàng)新，最有價(jià)值的部分。這一技術(shù)可以用來(lái)加工月壤等各種精細(xì)粉末。”王功說(shuō)。

據(jù)介紹，本次試驗(yàn)于6月12日開(kāi)始，截止到6月13日下午，共進(jìn)行了28次微重力、2次月球重力和2次火星重力飛行，搭載的兩套裝置共獲得10件陶瓷樣品和8件金屬樣品。

這次制造的陶瓷樣品，包括一面半個(gè)手掌大小的具浮雕效果的陶瓷國(guó)旗，有五角星和“中國(guó)”字樣，一塊六邊形結(jié)構(gòu)件和幾個(gè)立方體。金屬樣品包括螺絲釘和一個(gè)小扳手。

微重力環(huán)境下立體光刻制造技術(shù)打印的陶瓷樣品。(中科院空間應(yīng)用工程與技術(shù)中心 供圖)

“我們想驗(yàn)證通過(guò)這一技術(shù)可以制造出平整規(guī)則的物體，我們還將測(cè)試樣品在不同重力條件下的致密度。”王功說(shuō)，“我們獲得的樣品質(zhì)量都很好，說(shuō)明這種工藝對(duì)不同重力的適應(yīng)性是非常不錯(cuò)的，驗(yàn)證了這種思路是可行的。”

他說(shuō)，這一新技術(shù)有望在未來(lái)實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體、生物支架、光學(xué)部件、微機(jī)電系統(tǒng)等產(chǎn)品在太空探索任務(wù)中的原位快速制造，也為月塵月壤等月球資源的就位利用提供了新技術(shù)途徑，將在太空制造領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

王功說(shuō)，目前試驗(yàn)所使用的設(shè)備還需要人來(lái)操作。“我們未來(lái)的目標(biāo)是希望可以在無(wú)人或機(jī)器人參與的情景下開(kāi)展地外制造工作。但那樣的智能設(shè)備會(huì)更加復(fù)雜。”

“美國(guó)的馬斯克和他的SpaceX公司目前正在解決如何讓人類(lèi)到達(dá)其他星球的問(wèn)題，而我們實(shí)驗(yàn)室要解決的是如何讓人在其他星球生存下去的問(wèn)題。”王功說(shuō)。

據(jù)介紹，中國(guó)科學(xué)院太空制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室是國(guó)際上第一個(gè)以先進(jìn)太空制造技術(shù)為研究主題的實(shí)驗(yàn)室，繼2016年?duì)款^開(kāi)展中國(guó)首次“太空3D打印”技術(shù)實(shí)驗(yàn)后，歷經(jīng)兩年多的研究和準(zhǔn)備，自主研發(fā)了本次任務(wù)所用的納米級(jí)類(lèi)固態(tài)陶瓷膏體材料、3D打印陶瓷耐高溫模具以及兩套試驗(yàn)裝備，為中國(guó)空間站、在軌服務(wù)及深空探索等任務(wù)中實(shí)現(xiàn)多種材料的高精度制造奠定了必要技術(shù)基礎(chǔ)。(記者喻菲)

關(guān)鍵詞： 中科院 微重力