2021-05-25 9:56:48 來源：中國(guó)新聞網(wǎng)
中新網(wǎng)沈陽5月24日電 5月22日上午10點(diǎn)40分，“祝融號(hào)”火星車已安全駛離著陸平臺(tái)，到達(dá)火星表面，開始巡視探測(cè)。
由于飛行距離遙遠(yuǎn)，“祝融號(hào)”火星車在未知的火星表面服役工況復(fù)雜，火星車對(duì)材料提出了極高的要求：輕量化指標(biāo)極高，重量以克為單位計(jì)算；耐磨，滿足長(zhǎng)距離地面行駛要求；高強(qiáng)且各向同性，滿足載重需求；高塑性，避免因劇烈碰撞、刺穿等突發(fā)狀況導(dǎo)致失效。
資料圖：“祝融號(hào)”火星車駛上火星表面模擬圖像。來源：國(guó)家航天局
針對(duì)上述工況，傳統(tǒng)鋁、鈦合金難以兼顧。中國(guó)科學(xué)院金屬研究所自2015年接到該任務(wù)以來，設(shè)計(jì)出一系列新型高強(qiáng)、高塑、高穩(wěn)定性鋁基碳化硅復(fù)合材料，提出低合金元素、多元析出相混雜強(qiáng)化的新型設(shè)計(jì)思想，開發(fā)出高強(qiáng)韌性的新型鋁基碳化硅復(fù)合材料。
與傳統(tǒng)鋁基碳化硅復(fù)合材料相比，新型復(fù)合材料塑性提升一倍以上，同時(shí)保持高強(qiáng)度、高各向同性、高耐磨性和穩(wěn)定性。通過解決大尺寸坯錠制備、材料塑性成形等技術(shù)瓶頸，研制出不同規(guī)格的復(fù)合材料樣件。通過嚴(yán)苛的地面考核表明，金屬所研制的新型鋁基碳化硅可滿足火星復(fù)雜地貌導(dǎo)致的沖擊、刺穿開裂、磨損等問題，相關(guān)技術(shù)方案取得用戶高度認(rèn)可。
針對(duì)“祝融號(hào)”火星車不同部件的要求，金屬所共開發(fā)出不同碳化硅含量與基體鋁合金種類的4種鋁基碳化硅復(fù)合材料。相關(guān)產(chǎn)品用于火星車行走機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、探測(cè)器等50余種零部件，共供貨460余件，約3噸，使火星車成為中國(guó)使用鋁基復(fù)合材料最多的航天器。
據(jù)了解，金屬基復(fù)合材料是國(guó)家重大戰(zhàn)略需求與國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)需求迫切的一種工程材料。近年來，中國(guó)科學(xué)院金屬研究所取得一系列關(guān)鍵突破和應(yīng)用，為推動(dòng)國(guó)家高新技術(shù)重大裝備快速發(fā)展提供了重要支持。
金屬基復(fù)合材料是向金屬中添加陶瓷、碳等異質(zhì)材料形成的一種復(fù)合材料，其具備比強(qiáng)度和比模量高、抗疲勞、耐磨、高導(dǎo)熱、低熱膨脹以及輻射屏蔽等優(yōu)點(diǎn)，是航空航天、電子封裝、裝備、核電、汽車、軌道交通等國(guó)家重大需求和國(guó)民經(jīng)濟(jì)裝備制造所需的關(guān)鍵材料。北美、歐洲及日本等發(fā)達(dá)國(guó)家已形成了成熟的金屬基復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)，產(chǎn)量達(dá)到全球用量的80%以上。
中國(guó)金屬基復(fù)合材料研發(fā)起步較晚，金屬基復(fù)合材料自主研發(fā)面臨組織性能難控、制備與加工困難等無法逾越的世界性難題，長(zhǎng)期處于技術(shù)進(jìn)展緩慢、需求牽引不足兩者相互制約的困境，一直未能實(shí)現(xiàn)應(yīng)用突破。
中國(guó)科學(xué)院金屬研究所馬宗義研究團(tuán)隊(duì)是國(guó)內(nèi)最早開展金屬基復(fù)合材料研究的單位之一。近年來，團(tuán)隊(duì)開展了工程化制備技術(shù)研發(fā)，先后突破了短流程與規(guī)模化粉末冶金制備工藝、可控成形加工、攪拌摩擦焊接、納米復(fù)合材料宏量制備等關(guān)鍵技術(shù)瓶頸。
針對(duì)金屬基復(fù)合材料難以實(shí)現(xiàn)規(guī)?；?、大規(guī)格坯錠制備的問題，團(tuán)隊(duì)開創(chuàng)了短流程粉末冶金技術(shù)，突破了復(fù)合材料規(guī)模化制備難題。實(shí)現(xiàn)最大3.4噸/錠的坯錠制備，遠(yuǎn)超國(guó)外最大0.45噸/錠的公開報(bào)道。所制備的大尺寸坯錠解決了風(fēng)云等系列衛(wèi)星對(duì)大型輕量化結(jié)構(gòu)零件的急需，填補(bǔ)了傳統(tǒng)材料難以兼顧輕質(zhì)、高熱導(dǎo)、低熱膨脹的空白，有力支持了國(guó)家高分辨對(duì)地觀測(cè)任務(wù)。
金屬基復(fù)合材料固有的塑性成形能力差是制約其應(yīng)用的另一個(gè)關(guān)鍵因素，近年來隨著對(duì)結(jié)構(gòu)與零件材料多樣化、大型化與快速響應(yīng)需求的日益提升，金屬基復(fù)合材料傳統(tǒng)的工藝試錯(cuò)研究模式難以滿足需求。團(tuán)隊(duì)基于自主研發(fā)的精確物理仿真、多尺度模擬新技術(shù)，攻克了復(fù)合材料成形加工中缺陷控制與組織性能調(diào)控難題。研制的大尺寸板材、鍛件、擠壓件批量應(yīng)用于探月與火星車關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件，替代了傳統(tǒng)鋁、鈦等合金，使裝備性能與輕量化設(shè)計(jì)得以實(shí)現(xiàn)。
經(jīng)過長(zhǎng)期積累，金屬基復(fù)合材料成果已獲得國(guó)家發(fā)明專利授權(quán)30余項(xiàng)，制訂企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)5項(xiàng)，誕生了多項(xiàng)國(guó)內(nèi)“首次”、“首臺(tái)”、“首套”關(guān)鍵部件，成功實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用。金屬所已發(fā)展成為國(guó)內(nèi)金屬基復(fù)合材料領(lǐng)域最大的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化基地，年產(chǎn)量近百噸，成為航天、核電等領(lǐng)域多家單位的首選供貨單位。
近五年，金屬所為嫦娥、北斗、天宮等十幾個(gè)關(guān)鍵型號(hào)提供復(fù)合材料產(chǎn)品百余批次、萬余件。其中，針對(duì)精密儀表需求，研發(fā)出具有高尺寸穩(wěn)定性、高強(qiáng)度的SiC/Al復(fù)合材料，比傳統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)材料減重40%以上；針對(duì)航天器承載結(jié)構(gòu)的減重需求，研發(fā)出輕質(zhì)、高強(qiáng)、高模、耐疲勞SiC/Al復(fù)合材料，部分替代高強(qiáng)鋁合金或鈦合金，減重達(dá)20%-40%；針對(duì)電子封裝和遙感光學(xué)儀器對(duì)輕量化、低膨脹熱管理材料的需求，突破高SiC含量(55%～65%)鋁基復(fù)合材料的制備加工、大尺寸厚截面零件制備技術(shù)，替代了鉬銅、鈦、因瓦合金。
此外，針對(duì)中子吸收材料研發(fā)滯后，長(zhǎng)期依賴進(jìn)口，制約核電自主化發(fā)展戰(zhàn)略的局面，團(tuán)隊(duì)突破B4C/Al復(fù)合材料坯錠規(guī)模化制備與板材軋制技術(shù)，制備出高成材率和高均勻性分布的B4C板材，同時(shí)開發(fā)出耐磨焊接工具，成功應(yīng)用于“龍舟CSNC”乏燃料容器樣機(jī)和全球首臺(tái)高溫氣冷堆核燃料運(yùn)輸容器，實(shí)現(xiàn)乏燃料運(yùn)輸材料國(guó)產(chǎn)化，并在國(guó)內(nèi)核電領(lǐng)域首次實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)中子吸收復(fù)合材料供貨，替代進(jìn)口產(chǎn)品應(yīng)用于中國(guó)多個(gè)自主研發(fā)設(shè)備的核設(shè)備。
未來，中國(guó)在深空探測(cè)、大飛機(jī)、通用航空、核電自主化、軌道交通等領(lǐng)域?qū)饘倩鶑?fù)合材料存在大量需求。金屬所還將開展復(fù)合材料的高強(qiáng)韌性設(shè)計(jì)、組織性能擬實(shí)、界面精細(xì)結(jié)構(gòu)調(diào)控等國(guó)際同行面臨的共性難題。同時(shí)，把握應(yīng)用需求動(dòng)態(tài)，促進(jìn)先進(jìn)金屬基復(fù)合材料與技術(shù)的工程化應(yīng)用和成果轉(zhuǎn)化。(完)
編輯：海洋