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  • 金屬所:為嫦娥五號月球鉆土制造鉆桿,又輕又剛的鋁基復合材料!
    2020-12-08 13:16:35 作者:黃海華 來源:解放日報 分享至:
    12月6日12時35分,裝有月壤的嫦娥五號軌道器返回器組合體與上升器成功分離,進入環月等待階段,準備擇機返回地球。嫦娥五號探測器“挖土”的關鍵部件——2.5米長的鉆桿及其結構件,是由中國科學院金屬研究所馬宗義團隊研制的碳化硅顆粒增強鋁基復合材料制成。
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    中科院金屬所馬宗義介紹為嫦娥五號月球鉆土制造鉆桿。沈殿成 攝

    我國的探月工程分為“繞”“落”“回”三步走戰略。嫦娥五號探測器是負責嫦娥三期工程“采樣返回”任務的中國首顆月球采樣返回探測器。主要任務是采集月球樣品并返回地球,全面實現月球探測工程“三步走”戰略目標。采樣機構中搭載的2.5米長深孔鉆取式采樣器負責鉆入月壤取樣并送到上升器中。復雜的月壤構成、劇烈的環境溫度變化、苛刻的輕量化要求,對鉆采機構結構件的重量、強度和耐磨性提出了嚴苛的要求,其中鉆桿要鉆入月壤深處,對材料的要求更加苛刻,常規金屬材料無法滿足制備要求。

    究竟用什么材料好呢?鋼鐵的強度雖然高,但因其密度高達7.8克/立方厘米,難以滿足航天的輕量化要求。鋁合金的密度倒是比較小,只有2.7克/立方厘米,但鋁合金的剛度和強度又不夠大,沒法抵抗住鉆桿承受的載荷。

    馬宗義團隊長期研發鋁基復合材料,相比鋁合金,這種復合材料的密度只增加了0.1克/立方厘米,但剛度和強度卻提高50%以上,這樣既實現輕量化,又有較高的剛度,不容易變形。

    在月面“挖土”,與月壤直接接觸的鉆桿必須耐磨,在鋁合金中添加碳化硅陶瓷顆粒可以明顯提高材料的耐磨性,但陶瓷顆粒的添加使復合材料延展性明顯降低,極大增加了復合材料的成形難度。

    馬宗義介紹,只有制備大尺寸復合材料坯錠且經多道次變形,才能獲得更均勻、更理想的組織,從而提高綜合性能與可靠性,以確保萬無一失。另外,復合材料需要加熱到大約500℃后快速冷卻才能使其強化,但2.5米長的中空鉆桿在這一過程中很容易變形。一方面要強化,另一方面還得防止變形并對變形進行矯形,這讓科研人員費盡了心機。

    經過兩年多的科研攻關,馬宗義團隊先后突破了復合材料內孔高精度、高直線度加工、熱處理強化與矯直等關鍵技術,研制的鉆桿剛度、強韌性和耐磨性完全滿足月壤鉆取要求,相比鋼材實現減重65%,為嫦娥五號順利完成月球“挖土”提供了重要支撐。

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