沈自才，代 巍，馬子良

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

航天材料基因工程及其若干關(guān)鍵技術(shù)

沈自才，代 巍，馬子良

（北京衛(wèi)星環(huán)境工程研究所，北京 100094）

材料基因工程的理念和將空間環(huán)境與效應(yīng)納入到航天材料研制全流程的思路將對(duì)航天材料的開(kāi)發(fā)帶來(lái)顛覆性的革命。文章在對(duì)國(guó)內(nèi)外材料基因組計(jì)劃和航天材料需求分析的基礎(chǔ)上，首先對(duì)航天材料基因工程的內(nèi)涵進(jìn)行闡述，進(jìn)而對(duì)基于航天材料基因工程的航天材料研制流程進(jìn)行分析，最后結(jié)合空間環(huán)境效應(yīng)及材料基因工程，從計(jì)算工具、試驗(yàn)工具、數(shù)字化數(shù)據(jù)三個(gè)維度，提出空間多因素環(huán)境與航天材料的耦合作用機(jī)理、航天材料空間多因素環(huán)境效應(yīng)等效評(píng)價(jià)方法、空間復(fù)雜使役環(huán)境下航天材料性能演化模型、航天材料空間環(huán)境效應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)、基于材料基因工程的航天材料設(shè)計(jì)模型、航天材料研制的不確定性及優(yōu)化方法等關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展方向。

航天材料；材料基因組；材料基因工程；空間環(huán)境效應(yīng)

0 引言

“材料基因組計(jì)劃”（The Materials Genome Initiative, MGI）最早是由美國(guó)時(shí)任總統(tǒng)奧巴馬于2011年6月24日在卡耐基?梅隆大學(xué)做的以“先進(jìn)制造業(yè)伙伴關(guān)系”為主題的演講中宣布，其總目標(biāo)是“將先進(jìn)材料的發(fā)現(xiàn)、開(kāi)發(fā)、制造和使用的速度提高1倍”。白宮科技政策辦公室在2011年6月發(fā)布的白皮書《具有全球競(jìng)爭(zhēng)力的材料基因組計(jì)劃》中闡述了材料創(chuàng)新基礎(chǔ)設(shè)施的3個(gè)平臺(tái)，即計(jì)算工具平臺(tái)、實(shí)驗(yàn)工具平臺(tái)和數(shù)字化數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)庫(kù)及信息學(xué)）平臺(tái)，如圖1所示，明確指出材料基因組計(jì)劃/工程不僅僅要開(kāi)發(fā)快速可靠的計(jì)算方法和相應(yīng)的計(jì)算程序，而且要開(kāi)發(fā)高通量的實(shí)驗(yàn)方法來(lái)對(duì)理論進(jìn)行快速驗(yàn)證并為數(shù)據(jù)庫(kù)提供必需的輸入，還要建立普適可靠的數(shù)據(jù)庫(kù)和材料信息學(xué)工具，以加速新材料的設(shè)計(jì)和使用[1-7]。

我國(guó)材料基因組計(jì)劃最早開(kāi)始于2011年年底召開(kāi)的香山科學(xué)會(huì)議，會(huì)議主題為“材料科學(xué)系統(tǒng)工程”[8]，提出中國(guó)應(yīng)盡快自主建立以高通量材料計(jì)算模擬、高通量組合材料實(shí)驗(yàn)、材料共享數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)的“材料基因組計(jì)劃”平臺(tái)。2012年12月，由中國(guó)工程院領(lǐng)銜的“材料科學(xué)系統(tǒng)工程發(fā)展戰(zhàn)略研究——中國(guó)版材料基因組計(jì)劃”重大項(xiàng)目啟動(dòng)[9]，啟動(dòng)會(huì)上探討了當(dāng)前在我國(guó)開(kāi)展材料基因組計(jì)劃研究的難點(diǎn)和重點(diǎn)，并提出了具體建議。2013年11月，中國(guó)科學(xué)院“材料基因組計(jì)劃”咨詢項(xiàng)目研討會(huì)在北京召開(kāi)，有關(guān)人員就材料基因組中的高通量計(jì)算與材料預(yù)測(cè)、高通量材料組合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)、數(shù)據(jù)庫(kù)建立與科學(xué)管理和先進(jìn)物性實(shí)驗(yàn)及表征等內(nèi)容做了專題報(bào)告，并于2014年在上海召開(kāi)了材料基因組工程研究進(jìn)展研討會(huì)，對(duì)相關(guān)工作進(jìn)一步進(jìn)行研討[10]。2016年2月，科技部發(fā)布了關(guān)于“國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃高性能計(jì)算等重點(diǎn)專項(xiàng) 2016年度項(xiàng)目申報(bào)指南的通知”[11]，啟動(dòng)了“材料基因工程關(guān)鍵技術(shù)與支撐平臺(tái)”重點(diǎn)專項(xiàng)。該專項(xiàng)的主要研究?jī)?nèi)容是，構(gòu)建高通量計(jì)算、高通量制備與表征和專用數(shù)據(jù)庫(kù)等3大示范平臺(tái)；研發(fā)多尺度集成化高通量計(jì)算方法與計(jì)算軟件、高通量材料制備技術(shù)、高通量表征與服役行為評(píng)價(jià)技術(shù)，以及面向材料基因工程的材料大數(shù)據(jù)技術(shù)等4大關(guān)鍵技術(shù)；在能源材料、生物醫(yī)用材料、稀土功能材料、催化材料和特種合金等支撐高端制造業(yè)和高新技術(shù)發(fā)展的典型材料上開(kāi)展應(yīng)用示范。專項(xiàng)共部署40個(gè)重點(diǎn)研究任務(wù)，實(shí)施周期為5年。自此材料基因工程進(jìn)入了一個(gè)快速發(fā)展時(shí)期。

雖然國(guó)內(nèi)外均已經(jīng)開(kāi)展了材料基因工程的相關(guān)研究，但尚未針對(duì)航天材料應(yīng)用的特殊性，開(kāi)展航天用材料的基因工程相關(guān)研究。與地面使用材料不同，航天材料將要遭受更多空間環(huán)境的挑戰(zhàn)，如真空、極端溫度（高低溫循環(huán)）、帶電（或不帶電）粒子、太陽(yáng)電磁輻射、空間碎片和微流星體、等離子體、塵埃、誘發(fā)污染等，這些空間環(huán)境往往是多種因素同時(shí)作用，從而對(duì)材料微觀結(jié)構(gòu)和宏觀性能帶來(lái)復(fù)雜的影響，造成航天器的在軌故障甚至失效。因此，針對(duì)航天材料的基因工程研究必須包含空間環(huán)境這一重要因素。

本文首先對(duì)航天材料基因工程的概念及其與空間環(huán)境效應(yīng)的關(guān)聯(lián)性進(jìn)行闡述，接著對(duì)基于材料基因工程的航天材料選用與研制流程進(jìn)行討論，進(jìn)而對(duì)航天材料基因工程的重大意義進(jìn)行分析，最后給出開(kāi)展航天材料基因工程的若干重要方向。

1 航天材料的需求

中國(guó)航天發(fā)展的新趨勢(shì)和新挑戰(zhàn)對(duì)航天材料提出了新要求。新一代運(yùn)載火箭以“系列化、通用化、組合化”的設(shè)計(jì)思想為指導(dǎo)，高標(biāo)準(zhǔn)、高起點(diǎn)，按照“無(wú)毒、無(wú)污染、低成本、高可靠、適應(yīng)性強(qiáng)、安全性好”的原則，形成“一個(gè)系列、兩種發(fā)動(dòng)機(jī)、三個(gè)模塊”；先進(jìn)上面級(jí)以新一代運(yùn)載火箭為基礎(chǔ)級(jí)，具備多星發(fā)射、軌道機(jī)動(dòng)和深空探測(cè)飛行能力，可長(zhǎng)時(shí)間在軌工作；可重復(fù)使用天地往返運(yùn)載器是我國(guó)未來(lái)航天運(yùn)輸系統(tǒng)發(fā)展的方向；載人航天工程則要實(shí)現(xiàn)飛船長(zhǎng)期地面貯存、長(zhǎng)期在軌工作，需要滿足高低溫交變、紫外線照射、帶電粒子及原子氧侵蝕等復(fù)雜空間環(huán)境下的要求；未來(lái)深空探測(cè)將遭遇極端溫度、塵暴、強(qiáng)磁場(chǎng)、強(qiáng)輻射等極端環(huán)境的考驗(yàn)：這就要求航天材料向高性能、多功能、復(fù)合化、智能化、整體化、低維化、低成本化等方向發(fā)展[12]，如表1所示?；趥鹘y(tǒng)方法研制高性能航天材料存在周期長(zhǎng)、費(fèi)用高、隨機(jī)性強(qiáng)等缺點(diǎn)，而基于材料基因工程的理念來(lái)快速實(shí)現(xiàn)高性能航天材料研制是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

表1 航天材料性能要求及內(nèi)涵Table 1 Performance requirements and their connotations for aerospace materials

2 航天材料基因工程

航天材料空間環(huán)境效應(yīng)是指在經(jīng)歷復(fù)雜的使役環(huán)境，包括高真空、極端溫度、空間輻射（電子、質(zhì)子、紫外等）、原子氧、空間碎片及微流星體、空間等離子體等環(huán)境作用下，引起航天材料成分、結(jié)構(gòu)等微觀/介觀的改變，進(jìn)而造成其宏觀性能發(fā)生變化，最終可能導(dǎo)致航天器的在軌故障和失效。空間環(huán)境對(duì)航天器的影響見(jiàn)圖2[13]?？臻g環(huán)境適應(yīng)性是指航天器在復(fù)雜空間環(huán)境下能夠正常實(shí)現(xiàn)其功能或性能的能力。

與傳統(tǒng)材料研制的不同之處在于，材料基因工程的目標(biāo)是根據(jù)制造需求提出材料的性能需求，再根據(jù)性能需求來(lái)快速、準(zhǔn)確地設(shè)計(jì)研發(fā)出所需材料。其目的是建立一個(gè)先理論模擬和預(yù)測(cè)、再實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的材料研發(fā)模式，從而取代現(xiàn)有的以經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)為主的材料研發(fā)模式。

“材料基因工程”關(guān)鍵在于尋找和建立材料從微觀/介觀性能（原子排列、相的形成、顯微組織）到材料宏觀性能與使用壽命之間的相互關(guān)系。其核心是材料設(shè)計(jì)，即按照何種原子或配方、何種方式堆積或搭配，通過(guò)何種工藝制備，才具有何種特定的物理和化學(xué)性質(zhì)，即材料結(jié)構(gòu)（或配方、工藝）與性質(zhì)（性能）的關(guān)系問(wèn)題。

航天材料基因工程是指根據(jù)航天器研制要求，提出航天材料的基本性能需求，并考慮材料的空間環(huán)境效應(yīng)，即在空間環(huán)境作用下其宏觀性能變化與微觀結(jié)構(gòu)改變的規(guī)律，來(lái)進(jìn)行材料的組分配方、制備工藝等設(shè)計(jì)，以研制滿足特定的物理和化學(xué)性質(zhì)，且具有較好的空間環(huán)境適應(yīng)性的材料，如圖3所示。

通過(guò)把成分－空間環(huán)境－微觀結(jié)構(gòu)－性能關(guān)系和數(shù)據(jù)庫(kù)（空間環(huán)境與效應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)）與計(jì)算模型（微觀/介觀演化模型、性能變化演化模型）結(jié)合起來(lái)就可以大大加快材料研發(fā)速度，降低材料研發(fā)的成本，提高航天材料設(shè)計(jì)的成功率。

3 航天材料研制流程

現(xiàn)行航天材料的選用思路：首先根據(jù)工程需求挑選或制備可用的材料，在選用和制備過(guò)程中基本不考慮空間環(huán)境帶來(lái)的材料微觀/介觀變化及其與最終性能之間的關(guān)系，在材料選定或制備完成后再開(kāi)展空間環(huán)境適應(yīng)性的地面模擬試驗(yàn)評(píng)價(jià)或鑒定，以最終確定材料的適用性，若不能用，則重新開(kāi)始挑選或者研制，流程如圖4所示。

也就是說(shuō)，現(xiàn)行航天材料的研制與傳統(tǒng)材料的研制特征基本類似，其思路和方法就是經(jīng)驗(yàn)積累和循環(huán)試錯(cuò)。概括起來(lái)就是：1）以大量的材料制備為中心，強(qiáng)調(diào)經(jīng)驗(yàn)積累；2）被動(dòng)的性能表征；3）經(jīng)驗(yàn)與不斷的循環(huán)試錯(cuò)以提高性能，即實(shí)驗(yàn)尋優(yōu)。傳統(tǒng)材料的研制思路如圖5所示，其中的服役行為是指在地面或近地面環(huán)境下的材料使用過(guò)程中的行為特征。

這種不將航天材料空間環(huán)境效應(yīng)納入到航天材料研制過(guò)程，而只是通過(guò)地面模擬試驗(yàn)來(lái)挑選的方法，是一種隨機(jī)性很強(qiáng)的方法，被稱為“炒菜式”的航天材料研制方法，往往會(huì)帶來(lái)極大的人力、物力和財(cái)力的浪費(fèi)，也就是周期長(zhǎng)、花費(fèi)大、不確定性大，給型號(hào)任務(wù)實(shí)施帶來(lái)嚴(yán)重影響的案例不在少數(shù)。

基于材料基因工程的航天材料研制流程則是：利用航天材料基因工程的理念，將空間環(huán)境及效應(yīng)納入到航天材料研制的全過(guò)程，由航天工程任務(wù)提出研制需求，根據(jù)需求提出初步的候選材料組分方案，然后分析空間環(huán)境作用后可能發(fā)生的微觀/介觀變化，根據(jù)微觀/介觀變化、組分與最終性能之間的關(guān)系，確定組分和工藝，研制出適合使用的新材料，最后再經(jīng)過(guò)驗(yàn)證或鑒定，做出材料選用判定，如圖6所示。

4 關(guān)鍵技術(shù)

為了滿足航天器研制的需要，縮短高性能航天材料的研制時(shí)間，提高航天材料的研制效率，航天材料基因工程需要在計(jì)算工具、實(shí)驗(yàn)工具和數(shù)字化數(shù)據(jù)等方面加強(qiáng)研究，主要包括空間復(fù)雜使役環(huán)境與航天材料之間的耦合作用機(jī)理、空間復(fù)雜使役環(huán)境與航天材料耦合作用等效評(píng)價(jià)方法、空間復(fù)雜使役環(huán)境下航天材料性能演化模型、航天材料空間環(huán)境效應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)、基于材料基因工程的航天材料設(shè)計(jì)模型、航天材料研制的不確定性及優(yōu)化方法，這些關(guān)鍵技術(shù)的關(guān)聯(lián)性如圖7所示。

1）空間多因素環(huán)境與航天材料的耦合作用機(jī)理

空間多因素環(huán)境將導(dǎo)致航天材料產(chǎn)生電離損傷效應(yīng)、位移損傷效應(yīng)、物理撞擊損傷效應(yīng)、剝蝕效應(yīng)、充放電效應(yīng)、真空出氣效應(yīng)等，同時(shí)，航天材料在空間環(huán)境作用下的產(chǎn)物可在其周圍沉積，從而產(chǎn)生污染效應(yīng)。圍繞空間多環(huán)境因素對(duì)航天材料的作用和影響，從分子水平深入剖析材料損傷機(jī)理是建立航天材料與空間多因素環(huán)境耦合作用等效模擬方法的關(guān)鍵，也是建立航天材料空間環(huán)境效應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)的基礎(chǔ)。

2）航天材料空間多因素環(huán)境效應(yīng)等效評(píng)價(jià)方法

基于空間環(huán)境的復(fù)雜性，地面模擬試驗(yàn)中很難實(shí)現(xiàn)所有空間環(huán)境的同時(shí)模擬，而單一環(huán)境的疊加效應(yīng)也很難實(shí)現(xiàn)和空間環(huán)境下的協(xié)合效應(yīng)完全一致。那么如何在地面模擬中實(shí)現(xiàn)與在軌空間環(huán)境下效應(yīng)等效，是需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

3）空間復(fù)雜使役環(huán)境下航天材料性能演化模型

在空間復(fù)雜使役環(huán)境下，航天材料將發(fā)生宏觀性能（光學(xué)性能、電學(xué)性能、力學(xué)性能等）變化和微觀結(jié)構(gòu)（組分、價(jià)鍵、缺陷等）演化。而空間環(huán)境可能是某一種環(huán)境為主，也可能是多種環(huán)境共同作用或協(xié)同作用。因此，如何建立對(duì)應(yīng)的材料性能演化模型是需要研究的方向之一。

4）航天材料空間環(huán)境效應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)

航天材料的性能變化和組分演化等關(guān)鍵信息是根據(jù)航天器需要開(kāi)展航天材料設(shè)計(jì)所依據(jù)的關(guān)鍵基礎(chǔ)，建立航天材料空間環(huán)境效應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)是航天材料基因工程的重要組成部分。

5）基于材料基因工程的航天材料設(shè)計(jì)模型

區(qū)別于傳統(tǒng)的材料設(shè)計(jì)理念，基于材料基因工程的航天材料設(shè)計(jì)需要建立起材料成分、結(jié)構(gòu)、工藝、空間環(huán)境與材料性能的復(fù)雜關(guān)系，同時(shí)還要考慮到是多種空間環(huán)境因素的同時(shí)作用，因此，如何基于航天材料空間環(huán)境效應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)，建立起航天材料設(shè)計(jì)模型，是需要解決的關(guān)鍵技術(shù)。

6）航天材料研制的不確定性及優(yōu)化方法

航天材料研制的不確定性來(lái)自于多個(gè)方面，既有航天材料空間環(huán)境效應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)帶來(lái)的不確定性，也有工藝和組分的不確定性，還有地面貯存等帶來(lái)的不確定性。因此，如何對(duì)航天材料研制的不確定性進(jìn)行分析和優(yōu)化也是需要考慮的問(wèn)題。

以上 6項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)涵蓋了材料基因工程中的計(jì)算工具平臺(tái)、實(shí)驗(yàn)工具平臺(tái)和數(shù)字化數(shù)據(jù)3大要素，是開(kāi)展航天材料基因工程研制過(guò)程中需要重點(diǎn)關(guān)注的方向。針對(duì)擬研發(fā)的航天材料，只有將這6項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)攻克，才能實(shí)現(xiàn)航天材料的快速設(shè)計(jì)與制備。

5 結(jié)束語(yǔ)

“一代材料、一代裝備”。航天器在軌故障和失效，不論是系統(tǒng)級(jí)、部/組件級(jí)還是元器件級(jí)，從根本上都可以歸結(jié)到航天材料的損傷或失效上來(lái)。因此，高性能航天材料是研制高可靠航天器的重要基石。

基于材料基因工程的航天材料設(shè)計(jì)與研制技術(shù)突破了傳統(tǒng)的航天材料研制模式，由傳統(tǒng)的先研制出來(lái)材料再檢驗(yàn)其空間環(huán)境適應(yīng)性的模式，轉(zhuǎn)變?yōu)閷⒑教旃こ趟媾R的特殊空間環(huán)境與效應(yīng)納入到航天材料的研制全流程，同時(shí)將材料基因工程理念用于航天材料的設(shè)計(jì)，根據(jù)所需要的材料性能和材料所經(jīng)歷空間環(huán)境后的微觀結(jié)構(gòu)與性能變化，倒推出需要的材料成分和工藝，從而由“嘗試”材料變?yōu)椤霸O(shè)計(jì)”材料，從“盲目”地挑選材料變?yōu)橛小澳康摹钡刂苽洳牧?。這將會(huì)極大地降低材料的研發(fā)成本，提高材料的研發(fā)成功率，并且是按需設(shè)計(jì)，從本質(zhì)上提高了材料制備的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。

“材料基因工程”概念和“將空間環(huán)境與效應(yīng)納入到航天材料研制全流程”的理念將對(duì)復(fù)雜特殊環(huán)境下的航天材料研制帶來(lái)顛覆性的革命。基于工程需要的航天材料設(shè)計(jì)與研制將具備“精確制導(dǎo)”能力，尤其是對(duì)滿足我國(guó)航天器的在軌安全和長(zhǎng)壽命、高可靠的要求，具有十分重要的意義。

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[13] 沈自才, 姜海富, 徐坤博, 等. 航天材料空間環(huán)境效應(yīng)損傷機(jī)制及關(guān)聯(lián)性研究[J]. 宇航材料工藝, 2016,46(2): 1-8 SHEN Z C, JIANG H F, XU K B, et al. Damage mechanisms and their correlations of spacecraft materials in space environments[J]. Aerospace Materials& Technology, 2016, 46(2): 1-8

（編輯：閆德葵）

Genetic engineering for aerospace materials and related key technologies

SHEN Zicai, DAI Wei, MA Ziliang
(Beijing Institute of Spacecraft Environment Engineering, Beijing 100094, China)

Based on the concept of materials genetic engineering and the idea of integrating the space environment and effect into the whole process of the development of aerospace materials, a revolution in the development of aerospace materials is expected. Based on the analysis of domestic and foreign materials genome projects and the demand of aerospace materials for spacecraft, the aerospace materials genetic engineering is discussed firstly, and then the development process of aerospace materials based on the material genetic engineering is analyzed. On the basis of combining of the space environmental effect and the materials genetic engineering, from three dimensions, namely, of the computational tools, the test tools and the digital data, we propose some key technologies and development directions such as the coupling mechanism of space environments and space materials, the equivalent evaluation method of the synergistic effects of space environments on the aerospace materials, the performance evolution model of the aerospace materials in space complex causative environments, the database of the space environmental effect of aerospace materials, the design model of the aerospace materials based on the materials genetic engineering, the uncertainty and the optimization method of the development of aerospace materials.

aerospace materials; Materials Genome Initiative; material genetic engineering; space environmental effect

O434.2; V416.5

：A

：1673-1379(2017)03-0324-06

10.3969/j.issn.1673-1379.2017.03.017

沈自才（1980—），男，博士學(xué)位，高級(jí)工程師，主要從事航天器空間環(huán)境工程及航天材料工程學(xué)研究。E-mail:zicaishen@163.com。

2017-03-09；

2017-05-05

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（編號(hào)：41174166）

沈自才, 代巍, 馬子良. 航天材料基因工程及其若干關(guān)鍵技術(shù)[J]. 航天器環(huán)境工程, 2017,34(3)： 324-329

SHEN Z C, DAI W, MA Z L. Genetic engineering for aerospace materials and related key technologies[J]. Spacecraft Environment Engineering, 2017,34(3)： 324-329