张明辉

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。空间具有微重力、超真空、无容器和强辐射等特殊效应，是研究材料熔融、凝固等的理想实验条件，但是，人们迄今所能利用的空间资源仍然十分有限。因此，模拟空间环境中各种效应的地面方法应运而生。悬浮技术就是其中之一，它可以模拟空间环境中的无容器状态。悬浮无容器技术就是利用外界物理场产生的作用力来抵消物体的重力，从而使物体处于一个无接触、无容器的状态。它避免了坩埚对材料表面的接触与污染，能够抑制异质形核，获得深过冷，是制备高纯亚稳态新型功能材料的有效手段。图1是有容器和无容器技术凝固过程示意图。悬浮无容器技术主要有声悬浮、静电悬浮、磁悬浮、光悬浮、电磁悬浮和气悬浮等方式，下面简单介绍下几种常用的悬浮技术。

图1 有容器和无容器凝固过程示意图

声悬浮是利用高强声波产生的作用力来抵抗重力从而实现物体悬浮的，声波产生的这种力称为声辐射压力。在线性声学中，声压随时间呈周期性变化，声压在一个周期的时间平均值为零。但是，在高声强条件下，声波的非线性效应变得越来越显著，会在声压中引起一个“直流”项，这一项的时间平均值具有固定的方向和大小，从而产生声辐射压力。

静电悬浮是利用静电场中带有静电的样品受到的库仑力来抵消重力，实现无容器状态。根据Earnshaw定理，静电场不存在三维最小静电势，所以要实现稳定悬浮就必须结合负反馈控制系统。静电悬浮前样品必须预极化，主要有三种方式：静电感应带电、光电效应带电和热电子发射带电，三种方式结合使用才能实现样品的稳定悬浮。由于静电悬浮的无容器、高真空、高温和可实现稳定悬浮，因此在熔体的热物性、冷却与凝固、材料的合成与制备和空间实验等方面已经有初步的应用。但是，静电悬浮设备庞大复杂，造价昂贵。

电磁悬浮是利用强电磁场波来悬浮和定位导电材料，当导电样品置于电磁场中时，将会在样品中诱导产生涡流。由于诱导电流和电磁场的接触，将有一个力作用于样品，这个力可以克服重力而使物体处于平衡状态。这种诱导涡流通过欧姆损失产生焦耳热，因此，如果没有冷却系统，样品可被加热到熔化。在样品中的电磁力将会诱导熔融试样的流动。所以，电磁悬浮有两大限制：（1）只能是导电样品；（2）样品能够内部加热。

气悬浮是通过控制从一定结构的喷嘴喷射出的高速气流来实现样品悬浮的，悬浮力来源于气流掠过样品表面时的动量减少。气悬浮能够悬浮起其他悬浮方法所不能悬浮的致密材料，已经有利用气悬浮测量熔体的物性、研究高温下材料处理的报道。

由于无容器技术的独特性，在开发亚稳态材料和新型功能材料领域具有相当的优势。利用无容器技术的无坩埚、无接触，结合熔体的表面张力的约束作用，可开发出光学性能优良、具有理想球面、常规条件难以制备的新型玻璃材料。无容器技术避免了容器壁的接触和污染，通过材料的熔融挥发可去除杂质，因此，可用于制备高纯材料，这就有利于获得高活性、可降解性的生物材料。此外，通过对无容器开发的新型材料进行后处理，还可以获得发光性能良好和高介电常数的功能材料。

图2是以上四种悬浮无容器技术工作时的示意图。气悬浮技术操作简单、成本低廉、无需反馈系统、对材料电性能无要求，因此广泛用于材料的无容器处理与研究。图3是气悬浮无容器技术的工作原理示意图。从图中可以看到，高速可控气流自下而上对样品进行作用，使样品稳定悬浮在喷嘴中，激光自上而下对样品进行加热熔化。熔体通过自身的表面张力而被约束为球形，待到熔体均一稳定后，关闭激光，深过冷的熔体快速冷却，凝固成常规条件下难以制备的玻璃体。

图2 常用悬浮无容器技术工作示意图

图3 气悬浮技术工作原理简图

余建定教授通过气悬浮无容器技术开发了一系列高折射率、高介电常数的功能材料。TiO2是光学材料的一种理想组分，具有比钻石还高的折射率和波长分散性，在氧化物中添加大量的TiO2可以获得折射率比钻石还高的材料。但是，添加了大量TiO2而没有强效玻璃形成体的材料很难制备成块体玻璃。余等人利用气悬浮无容器技术成功开发了常规条件难以制备的富TiO2基的球形玻璃，这种玻璃的折射率值高达2.14。如果向玻璃中添加稀土元素，折射率值可进一步提高，甚至可与钻石相媲美。图4（a）是玻璃经过打磨抛光后做成的高仿钻石。这种玻璃可替代钻石用于高折射浸没透镜技术，能够将单张光盘的存储容量提高到1000Gb。而与钻石相比，氧化钛基玻璃的生产成本低、工艺简单、利于大规模化生产。高折射氧化钛基玻璃在胃窥镜、近场显微镜、光学纳米加工等领域还具有潜在的应用前景。对氧化钛基玻璃的微结构进行分析，发现这种玻璃的结构和传统玻璃不一样，是通过亚稳五面体连接而成的一种中程有序的结构。对玻璃进行不同温度的热处理，可以获得两种新型的亚稳相，其中一种亚稳相的出现能够使材料的介电常数剧升一个数量级。这种高介电常数材料可用于大容量电容器领域。由于氧化钛基玻璃优良的光学性能，在玻璃结构中掺杂稀土离子，能够获得上转换发光性能优异的发光玻璃。图4（b）是利用近红外光（肉眼不可见）激发氧化钛基玻璃而发出明显可见的绿光。吴成铁教授等人利用气悬浮无容器技术结合热处理工艺，制备了组分均匀、尺寸可控、相容性良好的生物骨填充材料。由于无容器的无接触、无坩埚污染、深过冷等特点，有望用于开发高性能的生物材料。

图4 （a）打磨抛光后的氧化钛基玻璃，（b）玻璃的上转换发光示意图

悬浮无容器技术作为一种模拟空间微重力环境效应的地基实验方法，在材料制备领域具有特殊性和神奇性。任何常规条件制备的材料再利用无容器技术进行加工制备，都可能获得意想不到的效果。利用这种方法制备材料，实验结果充满惊喜和意外，甚至可以开发出新型材料。无容器技术就像一把宝剑，只有不断地使用，不断地尝试，不断地观察，才能将其功能发挥到极致，这把宝剑的锋芒也才能渐渐显露，也即能够获得功能优异、结构独特的新型材料。