习近平总书记指出：“建造空间站、建成国家太空实验室，是实现我国载人航天工程‘三步走’战略的重要目标，是建设科技强国、航天强国的重要引领性工程”。当前，空间站应用任务各领域正凝聚优势科研力量，开展高水平前沿科学探索与应用研究，为我国打造空间科学与应用原始创新策源地、努力抢占科技制高点、推动我国载人航天事业迈入科学引领、自主创新的高质量发展新阶段奠定基础。

在空间生命科学与人体研究领域，围绕空间基础生物学、空间生物技术及转化应用、空间生命生态、生命起源与交叉等方面开展研究，成功实现了中国空间站首次小鼠空间科学实验；国际首次开展空间站亚磁- 微重力复合太空环境生物学研究；在轨实验发现噬菌体三磷酸腺苷水解酶全新的镁离子结合模式；通过舱外暴露实验获得了耐辐射能力增强的细菌突变株；开发中国空间站首个AI 赋能的多物种姿态估计与跟踪基准数据集。

在微重力物理领域，围绕微重力材料制备机理、重要应用新材料制备技术、空间应用材料使役行为等方面开展研究。在高温难熔合金凝固机理方面获得具有重要影响的系列科学发现；探明了多相铁基磁致伸缩合金中不同物相的形成机理和影响因素，揭示了过冷液体中存在的动力学“脆强”转变规律，突破了微重力条件下3100℃的无容器激光加热技术；在空间制备出性能更优的磁致伸缩合金、新型铁基超导材料等；验证了固液复合润滑、形状记忆聚合物等材料的可靠性、稳定性和空间适应性。

在空间新技术与应用领域，突破了同心物镜及光纤面板像面拼接的大视场高分辨天文观测技术；国际首次开展空间站管道检测机器人在轨试验，验证了管道检测机器人的管道环境适应能力和变刚度运动安全性等。

空间材料科学方向聚焦空间环境下各类材料组织、结构和性能相关联的特殊物理、化学过程，材料制备过程及性能调控机理，以及空间环境下材料使役行为和使役性能的特殊规律。在金属及半导体材料性能调控、高性能功能结构材料制备、空间润滑材料使役行为等三个方面取得了重要进展。目前，在金属及难熔合金凝固机理方面取得具有重要影响的系列科学发现，丰富和发展了材料科学基础理论，得到国际同行的广泛认可和高度评价。在空间制备出了性能更优的磁致伸缩合金、新型铁基超导材料等。验证了固液复合润滑材料、形状记忆聚合物材料等材料的可靠性和稳定性，已初步尝试在太阳能阵列和柔性太阳翼等方面应用。

研究进展

成功实现了铌合金、锆合金等超高温金属材料的空间无容器凝固实验。研究揭示了空间流体对枝晶和共晶生长模式的动力学局域效应（图3-1）：在微重力下，马兰格尼对流主导的局域流动

（图3-2）诱导出球冠状、指状和针状等三种超常的枝晶尖端形态，发现了与传统枝晶生长理论不同的非抛物线旋转体的枝晶形态新现象；同时，发现在超过400K 过冷条件下，共晶区域出现“规则共晶与非规则共晶共存、小平面生长与非小平面生长共存”的新规律。构建出微重力三维球状液滴凝固模型，揭示了铌合金中枝晶和共晶生长微重力局域效应。此外，对锆合金共晶生长及力学行为的研究表明：在微重力条件下，锆合金液滴的流动受到显著抑制，合金在凝固时共晶的两种相结构交替排列，最终形成了具有独特波纹状组织的共晶胞。

（图3-3），在胞内波纹状组织和胞外层片共晶的共同作用下，合金获得了优异的强度塑性匹配，其硬度和弹性模量均显著提升。这些在地面重力环境中被自然对流所掩盖的新现象与新机制，拓展了人们对传统凝固中共晶与枝晶生长的新认知，为发展在轨材料制备技术奠定了关键的科学基础。相关成果发表于Advanced materials（先进材料）、Acta materialia（材料学报）、Journal of applied physics（应用物理期刊）等国际期刊。

应用及前景

研究成果可用于指导在空间和地面环境中制备结构新颖的超高温铌合金、锆合金材料，建立新型微观结构与材料服役性能间的构效关系。拓展微重力下的快速凝固生长动力学理论，为高性能铌合金和锆合金制备工艺优化提供实验和理论依据。

主要完成团队：西北工业大学魏炳波团队。

研究进展

开展了铁基磁致伸缩合金的空间凝固实验，获得了比地面样品质量更好、更致密的铁钴硼（FeCoB）合金样品。通过微观组织表征和相场模拟发现，微重力条件下获得的样品共格应变能较大，有利于形成平直的共格界面；而地面条件下共格应变能较小，易形成具有高曲率的非共格界面。这表明，微重力条件下获得的样品与地面制备的样品相比，表面可以呈现出不同的相界形貌（图3-4）。

微重力样品的矫顽力与剩磁均有所降低，饱和磁化强度则有所增加。同时，空间样品的析出相（纯FeCo 相）体积分数相较于地面样品更大，这导致了更大的磁致伸缩应变和更高的磁响应灵敏度，样品整体磁性能有较为明显的提升（图3-5）。

基于多相微结构调控与磁性能优化的相关研究，构建了多相铁基磁致伸缩合金的凝固模型，探明了不同物相的形成机理和影响因素，提出了高灵敏磁致伸缩材料的设计方法及调控手段。研究成果在Acta Materialia（材料学报）、Applied Physics Letters（应用物理快报）等国际期刊发表。

应用及前景

本研究探明了铁基磁致伸缩合金性能优化的物理机制，获得了高灵敏铁基磁致伸缩材料。凭借其低驱动磁场、大响应输出的性能优势，有望在声纳、传感器与致动器等精密控制领域获得应用，可推动未来信息技术、生物医疗和智能器件等领域的发展。

主要完成团队：西安交通大学杨森团队。

研究进展

系统开展了多组元锆铜基金属玻璃熔体的热物性测试与凝固实验，成功获取了传统地面方法难以测定的液态锆铜基金属玻璃高温密度、粘度等关键热物性数据（图3-6）；

通过对比高温熔体与深过冷液体中粘度随温度的演化规律，揭示了金属玻璃过冷液体中存在动力学“脆强”转变现象，阐明了异常动力学行为在玻璃形成过程中的关键作用及其独特的液固遗传特性。发现锆铜基金属玻璃熔体中存在明确的过热阈值，在阈值温度以上和以下的快速凝固过程中，熔体表现出显著不同的过冷度、凝固路径及显微组织特征（图3-7），建立了熔体热历史与金属玻璃熔体凝固行为的潜在关系，为调控合金微观组织结构提供了新的理论依据。相关研究成果完善了玻璃形成和晶化理论，有助于推动金属玻璃及其复合材料的产业化应用。

应用及前景

相关研究成果为金属玻璃及其复合材料的结构及性能调控提供了理论指导，有助于推动该类材料在航空航天、精密仪器、新能源汽车以及消费电子等领域的应用。

主要完成团队：上海大学王刚团队。

研究进展

针对具有典型液相分离特征的铁碲硒超导材料，开展了空间在轨定向凝固研究，发现微重力条件下由重力驱动的浮力对流与溶质沉降效应得到有效抑制，宏观偏析及器壁效应诱导的杂晶生长被基本消除，从而成功制备出国际上首例具有熔融织构、高成分均匀性的铁基超导柱状样品（图3-8）。

在轨实验获得了地面难以实现的大尺度准双轴织构定向凝固棒材。棒材的显微结构分析表明，微重力环境显著抑制了快速定向凝固过程中的晶体缺陷形成，在纯扩散主导的生长机制下间隙铁原子密度明显降低，材料的超导体积分数达到地基样品的两倍以上，超导性能获得显著提升（图3-9）。

相关成果对空间环境中超导材料定向凝固理论进行了重要拓展和深化，为突破铁基超导材料织构化制备瓶颈开辟了新的技术路径。

应用及前景

该织构化制备方法能够为地面获得高性能铁基超导块材提供技术支撑，适用于制造高稳定性的超导磁轴承、磁悬浮输送系统等。同时，该空间制备工艺为开发太空制造超导材料奠定了技术基础。

主要完成团队：中国科学院电工所马衍伟团队。

研究进展

开展了环氧、氰酸酯、聚酰亚胺、酚醛等多种形状记忆聚合物及其复合材料的暴露实验。结合空间辐照结果（图3-12）

空间辐照后树脂表面由于原子氧侵蚀导致的氧化分解，普遍出现侵蚀厚度低于50μm 的细密沟槽与浅坑。宏观性能测试表明，形状记忆聚合物材料经过1 年空间辐照后表面侵蚀并未明显影响到材料的形状记忆性能、力学及热学性能。上述研究系统揭示了空间辐照环境下形状记忆聚合物及其复合材料梯度损伤机制和在轨演化规律，以及宏观形状记忆/ 力学性能与微观结构损伤的关联规律。

应用及前景

基于形状记忆聚合物复合材料的可展开结构和锁紧释放结构具有结构简单、轻质、展开可控、可靠性高等优势，可实现材料- 结构- 功能一体化，为新型空间可展开结构设计和研制提供了材料基础。基于形状记忆聚合物复合材料的铰链、锁紧释放机构、柔性太阳能电池系统等结构未来有望应用于我国空间站、探月工程、载人登月、行星探测等重大航天工程。

主要完成团队：哈尔滨工业大学冷劲松团队。

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