1. 宇宙环境

据说牛顿每天看着苹果从树枝上落下，发现了重力法则。如今已经证明人类在无重力世界也能生活。这里不仅苹果、任何东西都不下落。无重力是其最大特征。

无重力冶金学和地球上冶金学的不同、明显地表现在液体和气体上。在无重力的宇宙间密度不同的物质不上浮也不下降，将水和油混合起来，也始终保持二相不分离的乳浊状。水中气泡一动不动，铅球也同样不动，宇宙冶金学中不存在比重析离。因而密度不同难以熔融制造的合金不久将由宇宙冶金船制造出来。

其次，宇宙间没有热对流。热对流是因为密度受热发生变化形成的，在没有因密度不同产生沉浮的无重力世界里不会产生热对流。在地球上用坩埚熔解金属，坩埚内的金属及周围的热因对流、辐射、传导而移动，而在宇宙间则只有辐射和传导。

宇宙间的冶金厂好像真空中的热水瓶一样，要有高效散除废热的散热器。宇宙船设计中如何处理好热的平衡是一项重大课题，不能像在地球上那样使用烟突，热交换装置等。在无热对流的宇宙间，蜡烛的火焰也成球状燃烧。

第三是宇宙间没有静液压。宇宙的铸件厂不用坚固的铸型。因熔解了的金属本身重量产生的压力为零。铸型所需强度只要不负于熔解金属的表面张力即可。

在合金部件上被覆陶瓷类薄膜，在宇宙的电炉中熔解合金作结晶组织调整。因为铸型是薄膜，所以很容易作出熔解合金上的温度梯度。这种薄膜模型技术叫做薄皮工艺。

用区域精炼法制作单晶体时，在地球上需要有静液压和表面张力平衡条件，而在宇宙间则因可不考虑熔解金属的自重，所以容易制成粗大的单晶体。

第四是不用坩埚也能熔解金属。可以不用容器，与任何地方都不接触地熔融、凝固。在此情况下的熔融金属因本身的表面张力而成球状。由于不触及坩埚进行熔融，没有坩埚不纯物质侵入，所以很适于高纯度金属及易起反应的材料等的熔解。

既然可以无接触地熔解，就要能做到无接触地移动或使之固定在一定的位置上。现在正在开发使用声波或电磁波使材料定位的装置。

最后，在无重力世界中还要注意表面张力的作用。表面张力因液体的温度及浓度而发生变化。液体的局部的温度升高，表面张力失去平衡发生流动，浓度变化也同样发生流动。这叫做表面张力感应对流，液体和液体的界面上也产生同样的对流。

表面张力的平衡产生或不产生沾淘，宇宙间和地球上有所不同。放进球形容器的液体，在宇宙间液体沾润及不沾润容器壁，形状完全不同。附在棒端的液滴也因沾润或不沾润，其动作及对其处理的难度而有不同。因而对于宇宙的冶金实验室的器具，必须考虑沾润问题。

十年前，宇宙材料实验的国际会议在美国宇航局的马歇尔宇宙飞行中心召开。自那时起，无重力材料实验便成了国际话题。该中心的成员在1970年就开始了自90公尺高处自由下落的材料实验。结果是无重力状态下仅需4.2秒时间。

熔解、凝结的镓铋合金在下落实验中分散成微细粒子组织，不像在地球上那样分离成两相，其电阻 - 温度曲线也不相同。下落实验设备利用了开发土星火箭用的振动试验架，研究中心里有很多德国来的技术人员。

下降实验结果证明和无重力材料实验一样，这一成果现已用于飞机。飞机飞行在无重力状态下，机体受空气阻力等的影响而摇摇欲坠，重力为0.01 g（g为重力的加速度）。在此重力下很难作很好的材料实验，但因为可利用30秒左右的时间，可用于宇宙飞行员的训练或宇宙实验装置的开发。

阿波罗宇航船14最早从以秒为单位时间中摆脱了出来。宇航员带回的试料证明在宇宙间容易制成不同密度的成分的复合材料。在铟铋合金的母相中分散铜短纤维、钨粒子、气体等达到预期结果。实验中为了检验沾润影响，在表面处理时、比较了与母相沾润的铜短纤维和不沾润的钨粒子。

仅从宇宙实验试料的纵截面组织看，铜短纤维和钨粒子的分散状态没有什么不同。但钨粒子分散试粒中有很多大小不等的气泡，故可认为没有沾润影响。

50%的石蜡和50%的醋酸钠的混合实验也是阿波罗14的一项工作。作为掌握无相熔性金属之混合状态的模型。结果表明现在不能制成的金属间化合物也可指望在宇宙间制成。

这些实验都是将熔融的试料放入小型电炉内、由宇航员用手摇晃混合而成的。阿波罗14上的电泳实验成了后来宇宙实验中著名的脑血栓剂精制实验的先驱。在宇宙的电泳装置中没有试料密度差、热对流等成分与成分之间分线上的混乱，可以高效地获得高纯度的精制物质。电泳实验在阿波罗16及阿波罗 - 联盟上的美苏共同实验中都进行过。

在阿波罗14和17上做过无重力F的流体的对流及热流的状态的验证。结果得知：即使在无重力的宇宙间、表面张力也成为驱动力而产生流动，并且由于宇宙船及宇航员的活动也会产生对流。

宇宙实验中也不可能完全失去对流。为了控制流体的运动，纵然在宇宙间也应注意仔细设计。

阿波罗宇航船除月球着陆使命外，也对宇宙冶金学的基础问题作了孜孜不倦的实验。阿波罗宇航船用的最高加热温度140°C的小型电炉，它是后来的太空实验室实验装置的先驱。向电炉的投料采用弹药筒方式，可使实验操作简化。太空实验室的材料实验的试料也采用了这种方式。

2. 观测用小型火箭上的材料实验

马歇尔宇宙航行中心材料制造实验室的成员考虑到利用观测火箭作弹道飞行时的无重力状态作材料实验。经过充分准备后，于1971年载有金属试料的电炉的火箭起飞了10^-4 g。左右的低重力状态可以保持4 ~ 7分钟，比自由下落的实验有更多的余裕。但熔解温度高的合金在此时间内融解，难以急冷。第一次实验时，试料只有部分熔解，凝固也不充分，终以时间不够而结束。

实验清楚地看出：熔解试料在筒内时，其热传导的状态和地球上的实验不同。熔解试料在宇宙间呈自由漂浮状态，因而筒的内壁和熔解材料之间的热的接触不充分。

如前所述，若是和熔解试料沾润良好的内壁，其状态将又有所不同。

小型火箭比载人宇航船容易进行实验，因而美国宇航局现在还在继续飞行实验中。许多次的实验中也有失败的，最近一次实验因回收降落伞展开不良而坠落。

通过载在火箭上的放映机，记录界面张力感应起的流动，开发宇宙用的超薄膜模型技术等等也是西德小型火箭实验的目的。

日本在5年前就准备小型火箭的材料制造实验，1980年9月自种子岛的宇宙中心发射第一次的材料实验火箭。在宇宙开发事业团开发的全长10.5米、外径503毫米的小型火箭头部的电炉内处理复合材料和半导体试料。半导体是理化研究所准瓷的硅 - 砷 - 碲类的无定形试料。

复合材料的试料是金属材料技术研究所提供的镍、钼、碳化钛类的烧结材。碳化钛分别使用了金属须晶和粒子两种。预先将调整好的均匀分散的试料进行熔解，加压填实空隙，最后由火箭上的机械和电炉自动地以氦气急冷凝固。此项复合材料试料的分析结果，本文作者已于1982年6月在宇宙技术及科学的国际讨论会上发表过。

小型火箭在作弹道飞行时处于无重力状态。若利用小型火箭则可以较容易地制成宇宙冶金学所必要的零g状态下的研究用的试料。希望进一步改良并发展材料实验用的火箭。

3. 太空实验室

1973年5月自肯尼迪宇宙中心发射的太空实验室，三名机组人员操作。材料实验是此行的四大课题之一。此项实验的核心是马歇尔宇宙飞行中心的材料制造实验室的成员。

实验课题是美国向国内外募集的，作者的实验也被选中，1972年开始和美国宇航局的共同研究。

太空实验室实验对象是半导体单晶体、金属焊接、金属熔解和凝固、复合材料及流体等。半导体和复合材料的实验用了多用电炉，最高温度可达1000℃，按此温度选择试料。电炉温度有高温的均热部分和梯度部分，不需梯度温度的作者的试料也受了其影响。

半导体的实验有铟 · 锑化物的结晶的成长和偏析，无容器状态下的铟 · 锑化物的结晶成长，无重力对凝固时微观的偏析影响，InSb GaSb合金的单向凝固，因气体传输的结晶成长等。这些试验均表明宇宙和地球上的试料之间有明显差异。

显微镜下的加碲的铟 · 锑化物合金结晶纵截面组织，地球上结晶成长时，凝固部分前面出现热对流的不均匀地摇晃的微观线条，这是半导体特性不良的效应。而在宇宙间再度熔解、结晶成长的却没有这种不均匀的线纹。

用霍尔效应测定、离子微探针扫描等定量检验，宇宙试料的碲的分布非常均匀。不使用容器，对在地球上制作的InSb单晶体进行再熔解、凝固，结果得到了面非常平滑的、很少缺陷的结晶。

气体在无重力下也不发生热对流，使单晶体自气相成长时，扩散支配物质的移动。经气体传输成长的宇宙试料GeTe是一种具有非常密致的高度的平滑面的单晶体。而在地球上成长的试料却是歪曲的针状或板状的凸凹不平的单晶体。

4. 焊接实验

结合构件和修理机械的宇宙焊接实验也给冶金学提供了许多有趣的问题。实验包括如今虽是当然现象，但在宇宙间将是怎样的一些项目，如对熔融金属汇聚处猛射热源电子束，是否凝然不动；钎焊实验中，由于重力抑制的毛细管力增强了影响，会否增强钎焊的流动；无重力环境中金属凝固的机理等。

对不锈钢（304）、高强度铝合金（2219-T87）、钽（纯度99.5%）三种圆板状试料使用电子束，使其熔融、凝固部分成为圆形轨迹。这一实验表明焊接、熔断作业在宇宙间和地球上同样容易。

但在显微镜下，太空实验室的铝合金受热影响的范围广，柱状结晶也比地球上的试料短。这种结晶组织上的不同，目前还不能充分解释。

镍管和不锈钢钢管的钎焊方面，管与管的间隙0.5毫米，也钎焊成功，说明了比地球上钎焊的容易程度。钎焊不从隙间滴下，大概是有毛细管力产生的流动作用。此项实验方法是将银焊料和促进熔融的发热剂包围在试料周围，用电热点火。

实验中，焊料和管材的反应出现了未曾料到的迅速。为了阐明这一点，还应作无重力下的固体 - 液体的冶金反应实验。

太空实验室在金属制造实验工作有：制作无相熔性的金属之间的复合合金，硅碳化物金属须强化银复合合金，铜 - 铝共晶合金，金属球等。其中，作为利用放射性同位素的熔融锌的自扩散及熔融金属的模型，使用了水和油的模型实验等。

无相熔性的金 - 锗类合金的太空实验室试料，没出现像地球上降落实验试料镓 - 铋类合金那样均匀分散的组织。超传导性与地球上试料差别很小。

金属须晶强化复合材料方面，SiC金属须晶和母相银之间有较大的密度差。但4小时以上的熔融状态中，却分离不出2相，制成了均匀分散组织的太空实验室试料。这种材料的破裂之前的变形量比地球上试料的值明显的大得多。

为了使金属须晶和银很好地沾润，考虑到在试料熔融时加压以填塞空隙。

铝 - 铜共晶合金单向凝固实验结果，地球上和宇宙间试料的层状组织几乎没有什么不同。这说明地球上的热对流对单向凝固过程中发生的缺陷没有多大关系。

金属球制作的实验得到了极微细的结晶组织、均匀组成的试料。其中有纯镍，镍 - 锡（12wt%），镍 - 铜（30%）三种合金。球的直径约6毫米，因为是无接触状态下的凝固实验，容易过冷，这在冶金学上也是一个有趣的问题。

熔锌的自扩散系数为4.28×10^-5厘米²/s，证明可以实现无热对流的纯粹的扩散实验。

在实验材料中加上水的模型实验，也得到了有趣的结果。在区域熔融结晶成长的水模型中，区域部分稳定。水和油混合结果，始终保持乳浊液状态。

宇宙间可用水的膜作成立方形。水膜以其自重而稳定不松散。在水溶液中使酒石酸钾钠结晶成长结果，结晶的光轴方向上出现直径0.1毫米，长1厘米左右的细长孔洞缺陷，原因不明。

在宇宙间使液滴振动，通过对振动数及衰减的观测，可以测定其粘性系数及表面张力。使两颗30厘米³水滴按3.4厘米/s冲突，合体时产生很大变形和振动，但看不出有所混合。两滴有色液珠合成一体，会以各种各样的形状振动起来，在视频画面上恰似一种未尝见过的“宇宙舞蹈 ”。

冰的融解实验出现的现象是、冰在宇宙间全部融解成水所需时间比在地球上的要多。融解的水不下落，附着在冰的周围，最后形成球状。

太空实验室的第2次材料实验由阿波罗 - 联盟号宇航船承办。1975年7月通过轨道航行美苏共同实验。所用装置在太空实验室的小规模、可达1100°C的电炉等，实验期间9天。实验表明：以单向凝固制成的母相Bi中的MnBi纤维有着很高的抗磁力和能量积。50 ~ 50at%的ALSb合金比之地球上的试料有着令人惊讶的均匀性。将水溶液置于正中，并从两端使溶液扩散，非常成功地成长了优质酒石酸钙等。电泳实验很好地分离出了可以溶解血栓的非常贵重的“乌罗基那寨”。引起了后来的宇宙制药厂的热烈的话题。

5. 宇宙联络船时代的宇宙冶金

宇宙冶金有很多工作要做，例如：制作具有纯金属基础性质的、反应强而地球上难以制成的合金，成分的密度差大的合金，非相熔性合金等的金相图的制作；合金凝固时宏观、微观偏析的研究；影响铸造组织的重力的对流的作用；密度差构成障碍的特种合金及复合材料的制作等。在无容器状态下熔融 - 凝固时结晶核的生成和成长，过冷现象的研究及过冷度大的合金的急速冷却实验，利用宇宙超高真空的高纯度金属的精制及其性质的研究等。

高融点材料的表面张力、粘性系数、密度、比热、融解热等的测定值方面需要的不多。铀氧化物等方面需要有炉心部设计上的5，000 ~ 10，000°C的热力学性质的知识。在宇宙间进行测定并不简单，但无重力、无容器、无接触的条件有利于处理试料。现在正在开发利用声波的无接触地操作试料的装置。

宇宙冶金的实用目标之一是利用薄皮技术的涡轮翼的开发研究。

有人提出无重力和无重量哪个正确的问题，这是一样的。就围绕地球作圆周运动的宇航船来说，地球的真正的重力全部被离心力所取消。这就是真正的重力和坐标变换时常见的惯性力在原理上不能区别的原因。但是，这种无重力系统是存在于局部的。在实际的宇航船中，因机械的振动等为10^-4g左右。

[《金属》（日），1932年10月号]