航天材料基因工程及其若干关键技术

沈自才，代 巍，马子良

（北京卫星环境工程研究所，北京 100094）

航天材料基因工程及其若干关键技术

沈自才，代 巍，马子良

（北京卫星环境工程研究所，北京 100094）

材料基因工程的理念和将空间环境与效应纳入到航天材料研制全流程的思路将对航天材料的开发带来颠覆性的革命。文章在对国内外材料基因组计划和航天材料需求分析的基础上，首先对航天材料基因工程的内涵进行阐述，进而对基于航天材料基因工程的航天材料研制流程进行分析，最后结合空间环境效应及材料基因工程，从计算工具、试验工具、数字化数据三个维度，提出空间多因素环境与航天材料的耦合作用机理、航天材料空间多因素环境效应等效评价方法、空间复杂使役环境下航天材料性能演化模型、航天材料空间环境效应数据库、基于材料基因工程的航天材料设计模型、航天材料研制的不确定性及优化方法等关键技术和发展方向。

航天材料；材料基因组；材料基因工程；空间环境效应

0 引言

“材料基因组计划”（The Materials Genome Initiative, MGI）最早是由美国时任总统奥巴马于2011年6月24日在卡耐基•梅隆大学做的以“先进制造业伙伴关系”为主题的演讲中宣布，其总目标是“将先进材料的发现、开发、制造和使用的速度提高1倍”。白宫科技政策办公室在2011年6月发布的白皮书《具有全球竞争力的材料基因组计划》中阐述了材料创新基础设施的3个平台，即计算工具平台、实验工具平台和数字化数据（数据库及信息学）平台，如图1所示，明确指出材料基因组计划/工程不仅仅要开发快速可靠的计算方法和相应的计算程序，而且要开发高通量的实验方法来对理论进行快速验证并为数据库提供必需的输入，还要建立普适可靠的数据库和材料信息学工具，以加速新材料的设计和使用[1-7]。

我国材料基因组计划最早开始于2011年年底召开的香山科学会议，会议主题为“材料科学系统工程”[8]，提出中国应尽快自主建立以高通量材料计算模拟、高通量组合材料实验、材料共享数据库为基础的“材料基因组计划”平台。2012年12月，由中国工程院领衔的“材料科学系统工程发展战略研究——中国版材料基因组计划”重大项目启动[9]，启动会上探讨了当前在我国开展材料基因组计划研究的难点和重点，并提出了具体建议。2013年11月，中国科学院“材料基因组计划”咨询项目研讨会在北京召开，有关人员就材料基因组中的高通量计算与材料预测、高通量材料组合设计实验、数据库建立与科学管理和先进物性实验及表征等内容做了专题报告，并于2014年在上海召开了材料基因组工程研究进展研讨会，对相关工作进一步进行研讨[10]。2016年2月，科技部发布了关于“国家重点研发计划高性能计算等重点专项 2016年度项目申报指南的通知”[11]，启动了“材料基因工程关键技术与支撑平台”重点专项。该专项的主要研究内容是，构建高通量计算、高通量制备与表征和专用数据库等3大示范平台；研发多尺度集成化高通量计算方法与计算软件、高通量材料制备技术、高通量表征与服役行为评价技术，以及面向材料基因工程的材料大数据技术等4大关键技术；在能源材料、生物医用材料、稀土功能材料、催化材料和特种合金等支撑高端制造业和高新技术发展的典型材料上开展应用示范。专项共部署40个重点研究任务，实施周期为5年。自此材料基因工程进入了一个快速发展时期。

虽然国内外均已经开展了材料基因工程的相关研究，但尚未针对航天材料应用的特殊性，开展航天用材料的基因工程相关研究。与地面使用材料不同，航天材料将要遭受更多空间环境的挑战，如真空、极端温度（高低温循环）、带电（或不带电）粒子、太阳电磁辐射、空间碎片和微流星体、等离子体、尘埃、诱发污染等，这些空间环境往往是多种因素同时作用，从而对材料微观结构和宏观性能带来复杂的影响，造成航天器的在轨故障甚至失效。因此，针对航天材料的基因工程研究必须包含空间环境这一重要因素。

本文首先对航天材料基因工程的概念及其与空间环境效应的关联性进行阐述，接着对基于材料基因工程的航天材料选用与研制流程进行讨论，进而对航天材料基因工程的重大意义进行分析，最后给出开展航天材料基因工程的若干重要方向。

1 航天材料的需求

中国航天发展的新趋势和新挑战对航天材料提出了新要求。新一代运载火箭以“系列化、通用化、组合化”的设计思想为指导，高标准、高起点，按照“无毒、无污染、低成本、高可靠、适应性强、安全性好”的原则，形成“一个系列、两种发动机、三个模块”；先进上面级以新一代运载火箭为基础级，具备多星发射、轨道机动和深空探测飞行能力，可长时间在轨工作；可重复使用天地往返运载器是我国未来航天运输系统发展的方向；载人航天工程则要实现飞船长期地面贮存、长期在轨工作，需要满足高低温交变、紫外线照射、带电粒子及原子氧侵蚀等复杂空间环境下的要求；未来深空探测将遭遇极端温度、尘暴、强磁场、强辐射等极端环境的考验：这就要求航天材料向高性能、多功能、复合化、智能化、整体化、低维化、低成本化等方向发展[12]，如表1所示。基于传统方法研制高性能航天材料存在周期长、费用高、随机性强等缺点，而基于材料基因工程的理念来快速实现高性能航天材料研制是未来的发展趋势。

表1 航天材料性能要求及内涵Table 1 Performance requirements and their connotations for aerospace materials

2 航天材料基因工程

航天材料空间环境效应是指在经历复杂的使役环境，包括高真空、极端温度、空间辐射（电子、质子、紫外等）、原子氧、空间碎片及微流星体、空间等离子体等环境作用下，引起航天材料成分、结构等微观/介观的改变，进而造成其宏观性能发生变化，最终可能导致航天器的在轨故障和失效。空间环境对航天器的影响见图2[13]。空间环境适应性是指航天器在复杂空间环境下能够正常实现其功能或性能的能力。

与传统材料研制的不同之处在于，材料基因工程的目标是根据制造需求提出材料的性能需求，再根据性能需求来快速、准确地设计研发出所需材料。其目的是建立一个先理论模拟和预测、再实验验证的材料研发模式，从而取代现有的以经验和实验为主的材料研发模式。

“材料基因工程”关键在于寻找和建立材料从微观/介观性能（原子排列、相的形成、显微组织）到材料宏观性能与使用寿命之间的相互关系。其核心是材料设计，即按照何种原子或配方、何种方式堆积或搭配，通过何种工艺制备，才具有何种特定的物理和化学性质，即材料结构（或配方、工艺）与性质（性能）的关系问题。

航天材料基因工程是指根据航天器研制要求，提出航天材料的基本性能需求，并考虑材料的空间环境效应，即在空间环境作用下其宏观性能变化与微观结构改变的规律，来进行材料的组分配方、制备工艺等设计，以研制满足特定的物理和化学性质，且具有较好的空间环境适应性的材料，如图3所示。

通过把成分－空间环境－微观结构－性能关系和数据库（空间环境与效应数据库）与计算模型（微观/介观演化模型、性能变化演化模型）结合起来就可以大大加快材料研发速度，降低材料研发的成本，提高航天材料设计的成功率。

3 航天材料研制流程

现行航天材料的选用思路：首先根据工程需求挑选或制备可用的材料，在选用和制备过程中基本不考虑空间环境带来的材料微观/介观变化及其与最终性能之间的关系，在材料选定或制备完成后再开展空间环境适应性的地面模拟试验评价或鉴定，以最终确定材料的适用性，若不能用，则重新开始挑选或者研制，流程如图4所示。

也就是说，现行航天材料的研制与传统材料的研制特征基本类似，其思路和方法就是经验积累和循环试错。概括起来就是：1）以大量的材料制备为中心，强调经验积累；2）被动的性能表征；3）经验与不断的循环试错以提高性能，即实验寻优。传统材料的研制思路如图5所示，其中的服役行为是指在地面或近地面环境下的材料使用过程中的行为特征。

这种不将航天材料空间环境效应纳入到航天材料研制过程，而只是通过地面模拟试验来挑选的方法，是一种随机性很强的方法，被称为“炒菜式”的航天材料研制方法，往往会带来极大的人力、物力和财力的浪费，也就是周期长、花费大、不确定性大，给型号任务实施带来严重影响的案例不在少数。

基于材料基因工程的航天材料研制流程则是：利用航天材料基因工程的理念，将空间环境及效应纳入到航天材料研制的全过程，由航天工程任务提出研制需求，根据需求提出初步的候选材料组分方案，然后分析空间环境作用后可能发生的微观/介观变化，根据微观/介观变化、组分与最终性能之间的关系，确定组分和工艺，研制出适合使用的新材料，最后再经过验证或鉴定，做出材料选用判定，如图6所示。

4 关键技术

为了满足航天器研制的需要，缩短高性能航天材料的研制时间，提高航天材料的研制效率，航天材料基因工程需要在计算工具、实验工具和数字化数据等方面加强研究，主要包括空间复杂使役环境与航天材料之间的耦合作用机理、空间复杂使役环境与航天材料耦合作用等效评价方法、空间复杂使役环境下航天材料性能演化模型、航天材料空间环境效应数据库、基于材料基因工程的航天材料设计模型、航天材料研制的不确定性及优化方法，这些关键技术的关联性如图7所示。

1）空间多因素环境与航天材料的耦合作用机理

空间多因素环境将导致航天材料产生电离损伤效应、位移损伤效应、物理撞击损伤效应、剥蚀效应、充放电效应、真空出气效应等，同时，航天材料在空间环境作用下的产物可在其周围沉积，从而产生污染效应。围绕空间多环境因素对航天材料的作用和影响，从分子水平深入剖析材料损伤机理是建立航天材料与空间多因素环境耦合作用等效模拟方法的关键，也是建立航天材料空间环境效应数据库的基础。

2）航天材料空间多因素环境效应等效评价方法

基于空间环境的复杂性，地面模拟试验中很难实现所有空间环境的同时模拟，而单一环境的叠加效应也很难实现和空间环境下的协合效应完全一致。那么如何在地面模拟中实现与在轨空间环境下效应等效，是需要解决的关键问题。

3）空间复杂使役环境下航天材料性能演化模型

在空间复杂使役环境下，航天材料将发生宏观性能（光学性能、电学性能、力学性能等）变化和微观结构（组分、价键、缺陷等）演化。而空间环境可能是某一种环境为主，也可能是多种环境共同作用或协同作用。因此，如何建立对应的材料性能演化模型是需要研究的方向之一。

4）航天材料空间环境效应数据库

航天材料的性能变化和组分演化等关键信息是根据航天器需要开展航天材料设计所依据的关键基础，建立航天材料空间环境效应数据库是航天材料基因工程的重要组成部分。

5）基于材料基因工程的航天材料设计模型

区别于传统的材料设计理念，基于材料基因工程的航天材料设计需要建立起材料成分、结构、工艺、空间环境与材料性能的复杂关系，同时还要考虑到是多种空间环境因素的同时作用，因此，如何基于航天材料空间环境效应数据库，建立起航天材料设计模型，是需要解决的关键技术。

6）航天材料研制的不确定性及优化方法

航天材料研制的不确定性来自于多个方面，既有航天材料空间环境效应数据库带来的不确定性，也有工艺和组分的不确定性，还有地面贮存等带来的不确定性。因此，如何对航天材料研制的不确定性进行分析和优化也是需要考虑的问题。

以上 6项关键技术涵盖了材料基因工程中的计算工具平台、实验工具平台和数字化数据3大要素，是开展航天材料基因工程研制过程中需要重点关注的方向。针对拟研发的航天材料，只有将这6项关键技术攻克，才能实现航天材料的快速设计与制备。

5 结束语

“一代材料、一代装备”。航天器在轨故障和失效，不论是系统级、部/组件级还是元器件级，从根本上都可以归结到航天材料的损伤或失效上来。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设计与研制技术突破了传统的航天材料研制模式，由传统的先研制出来材料再检验其空间环境适应性的模式，转变为将航天工程所面临的特殊空间环境与效应纳入到航天材料的研制全流程，同时将材料基因工程理念用于航天材料的设计，根据所需要的材料性能和材料所经历空间环境后的微观结构与性能变化，倒推出需要的材料成分和工艺，从而由“尝试”材料变为“设计”材料，从“盲目”地挑选材料变为有“目的”地制备材料。这将会极大地降低材料的研发成本，提高材料的研发成功率，并且是按需设计，从本质上提高了材料制备的经济性和可靠性。

“材料基因工程”概念和“将空间环境与效应纳入到航天材料研制全流程”的理念将对复杂特殊环境下的航天材料研制带来颠覆性的革命。基于工程需要的航天材料设计与研制将具备“精确制导”能力，尤其是对满足我国航天器的在轨安全和长寿命、高可靠的要求，具有十分重要的意义。

（References）

[1] The materials genome initiative[EB/OL]. [2016-02-14].http://materialsinnovation.tms.org/genome.aspx

[2] WADIA C. Materials innovation for the 21st century[EB/OL].[2013-01-14]. http://www.whitehouse.gov/blog/2013/01/14/materials-innovation-21st-century

[3] US Energy Information Administration. Annual energy review[EB/OL]. [2011-10-19]. http://www.eia.gov/totalenergy/ata/annual/archive/038410.pdf

[4] Materials genome initiative for global competetiveness[EB/OL]. 2001. http://www.whitehouse.gov/sites/ default/files/microsites/ostp/materials_genome_initiativefinal.pdf

[5] President Obama launches advanced manufacturing partnership steering committee “2.0”[EB/OL]. [2013-09-26].https://obamawhitehouse.archives.gov/the-press-office/2013/09/26/president-obama-launches-advanced-manufa cturing-partnership-steering-com

[6] 赵继成. 材料基因组计划简介[J]. 自然杂志, 2014,336(2): 89-104 ZHAO J C. A perspective on the Materials Genome Initiative[J]. Chinese Journal of Nature, 2014, 336(2):89-104

[7] 刘俊聪, 王丹勇, 李树虎, 等. 材料基因组计划及其实施进展研究[J]. 情报杂志, 2015, 34(1): 61-66 LIU J C, WANG D Y, LI S H, et al. Advance on Materials Genome Initiatives[J]. Journal of Intelligence,2015, 34(1): 61-66

[8] 杨炳忻. 香山科学会议第415-419和S14次学术讨论会简述[J]. 中国基础科学, 2012, 14(3): 35-42 YANG B X. Brief introduction to Xiangshan Science Conferences of Nos. 415-419 and S14[J]. China Basic Science, 2012, 14(3): 35-42

[9] 《材料科学系统工程发展战略研究—中国版材料基因组计划》重大项目启动会在京召开[EB/OL].(2012-12-05). http://www.cae.cn/cae/html/main/col34/2013-01/04/20130104100029529794143_1.html

[10] 第六届无机材料专题——材料基因组工程研究进展[EB/OL]. (2014-04-28). http://www.ceramsoc.com/c/cn/news/ 2014-04/28/news_122.html

[11] 中国人民共和国科技部. 关于发布国家重点研发计划高性能计算等重点专项 2016年度项目申报指南的通知(国科发资[2016]38号)[EB/OL]. (2016-02-07).http://www.most.gov.cn/mostinfo/xinxifenlei/fgzc/gfxwj/gfxwj2016/201602/ t20160218_124155.htm

[12] 沈自才, 欧阳晓平, 高鸿, 等. 航天材料工程学[M].北京: 国防工业出版社, 2016: 7-9

[13] 沈自才, 姜海富, 徐坤博, 等. 航天材料空间环境效应损伤机制及关联性研究[J]. 宇航材料工艺, 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

（编辑：闫德葵）

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，博士学位，高级工程师，主要从事航天器空间环境工程及航天材料工程学研究。E-mail:zicaishen@163.com。

2017-03-09；

2017-05-05

国家自然科学基金项目（编号：41174166）

沈自才, 代巍, 马子良. 航天材料基因工程及其若干关键技术[J]. 航天器环境工程, 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