20世纪人类最伟大的创举之一就是摆脱地球束缚，冲破大气层阻拦，进入“太空”这一前人从未到达过的全新境界。1957年10月4日，前苏联成功地将第一颗人造卫星送入太空。1961年4月12日，前苏联航天员尤里·加加林乘“东方1号”宇宙飞船成功地进入环绕地球飞行的空间轨道，成为世界上第一个太空人。1969年7月20日，乘坐“阿波罗11号”登月舱的美国宇航员阿姆斯特朗在月球上踏下了人类的第一个脚印。近半个世纪以来，航天领域的每一次创举都使人类的探索精神得以升华。时至今日，组建中的国际空间站（图1）已成为世界上最具影响的空间活动。2003年10月15日，我国“神舟5号”宇宙飞船（图2）将航天英雄杨利伟送入太空，使中国成为继俄罗斯、美国之后第三个独立掌握了载人航天技术的国家，这一壮举极大地增强了中华民族的自信心和自豪感。

　　航天科技的迅猛发展，已经成为引领新科学、新技术，带动国民经济发展的重要手段。空间科技成果在地面生产和生活中的推广和应用，正在不断改善和提高着人类的生活质量，使得空间科学与应用成为当今人类最具显示度和影响力的活动。空间材料科学，作为空间科学与应用领域中的重要分支，是传统的材料科学向空间环境下的延伸，是发展材料科学新理论、探索材料制备新工艺和拓展材料应用新领域中最活跃的前沿性交叉学科之一。

　　目前的空间材料科学研究主要集中在利用空间的微重力环境。那么，什么是微重力呢？在解释微重力概念之前，首先应从失重谈起。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，还是航天器上的各种仪器设备，当它们在外层空间沿轨道飞行时，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”更为确切。

　　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，似乎已经建立起不可动摇的理论体系。但是，在空间微重力条件下，以往的科技知识就显得十分贫乏了。以司空见惯的燃烧现象为例，在地面重力环境中，点燃的蜡烛会熊熊燃烧，呈现如图 3(a)所示的火焰。而在空间微重力条件下，点燃的蜡烛会呈现出如图 3()所示的形态，这是由于在微重力条件下，重力引起的对流效应受到抑制，火焰得不到氧气的供给因而无法持续燃烧。再例如，在地面装有油、水和沙粒的试管中，沙粒总是下沉，而油滴总是上浮。而在空间微重力环境中，沙粒既不下沉，油滴也不上浮，三者可以实现均匀混合。总之，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、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。

　　空间的这种极其特殊的环境条件可以转化为人类可利用的宝贵资源，成为众多领域开展深入研究的有效工具。仅以空间材料科学研究为例，在空间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：

　　①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，丰富、完善和发展材料科学理论，为改善材料性能和指导地面生产提供科学依据。

　　②在空间环境下制备具有重要科学和应用价值的少量贵重、关键的技术材料，以满足高新技术领域对特殊材料的需求。

　　③获得在地面用传统方法不能制备或合成的新型材料等。

　　发达国家对空间材料科学研究一直给予高度重视，自1969年前苏联发射的联盟－6号飞船上首次搭载了名为“火神”的空间材料实验装置以来，经过几十年的不懈努力，国外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。

　　我国的空间材料实验装置研制始于上世纪80年代末，虽起步较晚，但已取得长足发展。在我国载人航天工程中，应用系统的多工位晶体生长炉就是一种适合在飞船上进行空间材料生长研究的通用装置，由中国科学院上海硅酸盐研究所等单位联合研制，能在一次空间飞行任务中完成半导体光电子晶体、氧化物功能晶体、金属及合金、非晶与复合材料等多种不同材料的空间实验需求。该装置参加了我国飞船的空间飞行实验。在三次空间实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实验任务。

　　在执行宇宙飞船的空间实验任务中，按预定计划完成了全部的材料制备实验（图4）。在空间开展的材料实验内容（自左向右）依次为：
① Al-Mg2Si共晶合金的定向凝固和NdAlFeCo基块体亚稳材料制备实验
② 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
③ Al-Al3Ni 共晶合金及复合材料制备实验
④ MnGaSb 磁性半导体单晶生长实验
⑤ 掺Ce:B12SiO20氧化物（简称BSO）单晶生长实验
⑥ CdZnTe 半导体红外光电单晶生长实验
　　我国在空间材料科学领域已经取得了一批有价值的研究成果，完成了一系列开创性的工作。在飞船上，中科院上海硅酸盐所成功生长出高质量的掺Ce: B12SiO20氧化物（简称BSO）全息实时信息存储功能单晶，图5是地面生长的BSO单晶（上）与空间生长的BSO单晶（下）对比照片，可见，空间微重力条件下生长的单晶表面光滑，晶体与器壁粘连的现象消失，这是在微重力条件下明显克服器壁效应的实验结果。经对比分析证实：空间生长的BSO 单晶组分均匀性、结构完整性均显著提高，光学性能明显优于地面生长的同类单晶，空间生长的BSO单晶的位错密度好于地面生长同类单晶一个数量级，展现良好的应用前景。