2021-05-25 9:56:48 來源：中國新聞網(wǎng)
中新網(wǎng)沈陽5月24日電 5月22日上午10點40分，“祝融號”火星車已安全駛離著陸平臺，到達火星表面，開始巡視探測。
由于飛行距離遙遠，“祝融號”火星車在未知的火星表面服役工況復雜，火星車對材料提出了極高的要求：輕量化指標極高，重量以克為單位計算；耐磨，滿足長距離地面行駛要求；高強且各向同性，滿足載重需求；高塑性，避免因劇烈碰撞、刺穿等突發(fā)狀況導致失效。
資料圖：“祝融號”火星車駛上火星表面模擬圖像。來源：國家航天局
針對上述工況，傳統(tǒng)鋁、鈦合金難以兼顧。中國科學院金屬研究所自2015年接到該任務以來，設計出一系列新型高強、高塑、高穩(wěn)定性鋁基碳化硅復合材料，提出低合金元素、多元析出相混雜強化的新型設計思想，開發(fā)出高強韌性的新型鋁基碳化硅復合材料。
與傳統(tǒng)鋁基碳化硅復合材料相比，新型復合材料塑性提升一倍以上，同時保持高強度、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)格的復合材料樣件。通過嚴苛的地面考核表明，金屬所研制的新型鋁基碳化硅可滿足火星復雜地貌導致的沖擊、刺穿開裂、磨損等問題，相關技術(shù)方案取得用戶高度認可。
針對“祝融號”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種鋁基碳化硅復合材料。相關產(chǎn)品用于火星車行走機構(gòu)、驅(qū)動機構(gòu)、探測器等50余種零部件，共供貨460余件，約3噸，使火星車成為中國使用鋁基復合材料最多的航天器。
據(jù)了解，金屬基復合材料是國家重大戰(zhàn)略需求與國民經(jīng)濟建設需求迫切的一種工程材料。近年來，中國科學院金屬研究所取得一系列關鍵突破和應用，為推動國家高新技術(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)材料形成的一種復合材料，其具備比強度和比模量高、抗疲勞、耐磨、高導熱、低熱膨脹以及輻射屏蔽等優(yōu)點，是航空航天、電子封裝、裝備、核電、汽車、軌道交通等國家重大需求和國民經(jīng)濟裝備制造所需的關鍵材料。北美、歐洲及日本等發(fā)達國家已形成了成熟的金屬基復合材料產(chǎn)業(yè)，產(chǎn)量達到全球用量的80%以上。
中國金屬基復合材料研發(fā)起步較晚，金屬基復合材料自主研發(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，長期處于技術(shù)進展緩慢、需求牽引不足兩者相互制約的困境，一直未能實現(xiàn)應用突破。
中國科學院金屬研究所馬宗義研究團隊是國內(nèi)最早開展金屬基復合材料研究的單位之一。近年來，團隊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、納米復合材料宏量制備等關鍵技術(shù)瓶頸。
針對金屬基復合材料難以實現(xiàn)規(guī)模化、大規(guī)格坯錠制備的問題，團隊開創(chuàng)了短流程粉末冶金技術(shù)，突破了復合材料規(guī)模化制備難題。實現(xiàn)最大3.4噸/錠的坯錠制備，遠超國外最大0.45噸/錠的公開報道。所制備的大尺寸坯錠解決了風云等系列衛(wèi)星對大型輕量化結(jié)構(gòu)零件的急需，填補了傳統(tǒng)材料難以兼顧輕質(zhì)、高熱導、低熱膨脹的空白，有力支持了國家高分辨對地觀測任務。
金屬基復合材料固有的塑性成形能力差是制約其應用的另一個關鍵因素，近年來隨著對結(jié)構(gòu)與零件材料多樣化、大型化與快速響應需求的日益提升，金屬基復合材料傳統(tǒng)的工藝試錯研究模式難以滿足需求。團隊基于自主研發(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、擠壓件批量應用于探月與火星車關鍵結(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計得以實現(xiàn)。
經(jīng)過長期積累，金屬基復合材料成果已獲得國家發(fā)明專利授權(quán)30余項，制訂企業(yè)標準5項，誕生了多項國內(nèi)“首次”、“首臺”、“首套”關鍵部件，成功實現(xiàn)工業(yè)應用。金屬所已發(fā)展成為國內(nèi)金屬基復合材料領域最大的研發(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、天宮等十幾個關鍵型號提供復合材料產(chǎn)品百余批次、萬余件。其中，針對精密儀表需求，研發(fā)出具有高尺寸穩(wěn)定性、高強度的SiC/Al復合材料，比傳統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)材料減重40%以上；針對航天器承載結(jié)構(gòu)的減重需求，研發(fā)出輕質(zhì)、高強、高模、耐疲勞SiC/Al復合材料，部分替代高強鋁合金或鈦合金，減重達20%-40%；針對電子封裝和遙感光學儀器對輕量化、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，針對中子吸收材料研發(fā)滯后，長期依賴進口，制約核電自主化發(fā)展戰(zhàn)略的局面，團隊突破B4C/Al復合材料坯錠規(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，同時開發(fā)出耐磨焊接工具，成功應用于“龍舟CSNC”乏燃料容器樣機和全球首臺高溫氣冷堆核燃料運輸容器，實現(xiàn)乏燃料運輸材料國產(chǎn)化，并在國內(nèi)核電領域首次實現(xiàn)國產(chǎn)中子吸收復合材料供貨，替代進口產(chǎn)品應用于中國多個自主研發(fā)設備的核設備。
未來，中國在深空探測、大飛機、通用航空、核電自主化、軌道交通等領域?qū)饘倩鶑秃喜牧洗嬖诖罅啃枨蟆＝饘偎€將開展復合材料的高強韌性設計、組織性能擬實、界面精細結(jié)構(gòu)調(diào)控等國際同行面臨的共性難題。同時，把握應用需求動態(tài)，促進先進金屬基復合材料與技術(shù)的工程化應用和成果轉(zhuǎn)化。(完)
編輯：海洋