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材料|“祝融号”火星车车身材料又强又韧又稳定

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中新网沈阳5月24日电 5月22日上午10点40分 ， “祝融号”火星车已安全驶离着陆平台 ， 到达火星表面 ， 开始巡视探测 。
由于飞行距离遥远 ， “祝融号”火星车在未知的火星表面服役工况复杂 ， 火星车对材料提出了极高的要求：轻量化指标极高 ， 重量以克为单位计算；耐磨 ， 满足长距离地面行驶要求；高强且各向同性 ， 满足载重需求；高塑性 ， 避免因剧烈碰撞、刺穿等突发状况导致失效 。

材料|“祝融号”火星车车身材料又强又韧又稳定
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资料图：“祝融号”火星车驶上火星表面模拟图像 。 来源：国家航天局
针对上述工况 ， 传统铝、钛合金难以兼顾 。 中国科学院金属研究所自2015年接到该任务以来 ， 设计出一系列新型高强、高塑、高稳定性铝基碳化硅复合材料 ， 提出低合金元素、多元析出相混杂强化的新型设计思想 ， 开发出高强韧性的新型铝基碳化硅复合材料 。
与传统铝基碳化硅复合材料相比 ， 新型复合材料塑性提升一倍以上 ， 同时保持高强度、高各向同性、高耐磨性和稳定性 。 通过解决大尺寸坯锭制备、材料塑性成形等技术瓶颈 ， 研制出不同规格的复合材料样件 。 通过严苛的地面考核表明 ， 金属所研制的新型铝基碳化硅可满足火星复杂地貌导致的冲击、刺穿开裂、磨损等问题 ， 相关技术方案取得用户高度认可 。
针对“祝融号”火星车不同部件的要求 ， 金属所共开发出不同碳化硅含量与基体铝合金种类的4种铝基碳化硅复合材料 。 相关产品用于火星车行走机构、驱动机构、探测器等50余种零部件 ， 共供货460余件 ， 约3吨 ， 使火星车成为中国使用铝基复合材料最多的航天器 。
据了解 ， 金属基复合材料是国家重大战略需求与国民经济建设需求迫切的一种工程材料 。 近年来 ， 中国科学院金属研究所取得一系列关键突破和应用 ， 为推动国家高新技术重大装备快速发展提供了重要支持 。
金属基复合材料是向金属中添加陶瓷、碳等异质材料形成的一种复合材料 ， 其具备比强度和比模量高、抗疲劳、耐磨、高导热、低热膨胀以及辐射屏蔽等优点 ， 是航空航天、电子封装、装备、核电、汽车、轨道交通等国家重大需求和国民经济装备制造所需的关键材料 。 北美、欧洲及日本等发达国家已形成了成熟的金属基复合材料产业 ， 产量达到全球用量的80%以上 。
中国金属基复合材料研发起步较晚 ， 金属基复合材料自主研发面临组织性能难控、制备与加工困难等无法逾越的世界性难题 ， 长期处于技术进展缓慢、需求牵引不足两者相互制约的困境 ， 一直未能实现应用突破 。
中国科学院金属研究所马宗义研究团队是国内最早开展金属基复合材料研究的单位之一 。 近年来 ， 团队开展了工程化制备技术研发 ， 先后突破了短流程与规模化粉末冶金制备工艺、可控成形加工、搅拌摩擦焊接、纳米复合材料宏量制备等关键技术瓶颈 。
针对金属基复合材料难以实现规模化、大规格坯锭制备的问题 ， 团队开创了短流程粉末冶金技术 ， 突破了复合材料规模化制备难题 。 实现最大3.4吨/锭的坯锭制备 ， 远超国外最大0.45吨/锭的公开报道 。 所制备的大尺寸坯锭解决了风云等系列卫星对大型轻量化结构零件的急需 ， 填补了传统材料难以兼顾轻质、高热导、低热膨胀的空白 ， 有力支持了国家高分辨对地观测任务 。
金属基复合材料固有的塑性成形能力差是制约其应用的另一个关键因素 ， 近年来随着对结构与零件材料多样化、大型化与快速响应需求的日益提升 ， 金属基复合材料传统的工艺试错研究模式难以满足需求 。 团队基于自主研发的精确物理仿真、多尺度模拟新技术 ， 攻克了复合材料成形加工中缺陷控制与组织性能调控难题 。 研制的大尺寸板材、锻件、挤压件批量应用于探月与火星车关键结构部件 ， 替代了传统铝、钛等合金 ， 使装备性能与轻量化设计得以实现 。
经过长期积累 ， 金属基复合材料成果已获得国家发明专利授权30余项 ， 制订企业标准5项 ， 诞生了多项国内“首次”、“首台”、“首套”关键部件 ， 成功实现工业应用 。 金属所已发展成为国内金属基复合材料领域最大的研发与产业化基地 ， 年产量近百吨 ， 成为航天、核电等领域多家单位的首选供货单位 。
近五年 ， 金属所为嫦娥、北斗、天宫等十几个关键型号提供复合材料产品百余批次、万余件 。 其中 ， 针对精密仪表需求 ， 研发出具有高尺寸稳定性、高强度的SiC/Al复合材料 ， 比传统金属结构材料减重40%以上；针对航天器承载结构的减重需求 ， 研发出轻质、高强、高模、耐疲劳SiC/Al复合材料 ， 部分替代高强铝合金或钛合金 ， 减重达20%-40%；针对电子封装和遥感光学仪器对轻量化、低膨胀热管理材料的需求 ， 突破高SiC含量(55%～65%)铝基复合材料的制备加工、大尺寸厚截面零件制备技术 ， 替代了钼铜、钛、因瓦合金 。
此外 ， 针对中子吸收材料研发滞后 ， 长期依赖进口 ， 制约核电自主化发展战略的局面 ， 团队突破B4C/Al复合材料坯锭规模化制备与板材轧制技术 ， 制备出高成材率和高均匀性分布的B4C板材 ， 同时开发出耐磨焊接工具 ， 成功应用于“龙舟CSNC”乏燃料容器样机和全球首台高温气冷堆核燃料运输容器 ， 实现乏燃料运输材料国产化 ， 并在国内核电领域首次实现国产中子吸收复合材料供货 ， 替代进口产品应用于中国多个自主研发设备的核设备 。
【材料|“祝融号”火星车车身材料又强又韧又稳定】未来 ， 中国在深空探测、大飞机、通用航空、核电自主化、轨道交通等领域对金属基复合材料存在大量需求 。 金属所还将开展复合材料的高强韧性设计、组织性能拟实、界面精细结构调控等国际同行面临的共性难题 。 同时 ， 把握应用需求动态 ， 促进先进金属基复合材料与技术的工程化应用和成果转化 。 (完)

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