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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(fù)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(jìn)入環(huán)月等待階段，準(zhǔn)備擇機(jī)返回地球。嫦娥五號探測器“挖土”的關(guān)鍵部件——2.5米長的鉆桿及其結(jié)構(gòu)件，是由中國科學(xué)院金屬研究所馬宗義團(tuán)隊研制的碳化硅顆粒增強(qiáng)鋁基復(fù)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(zhàn)略。嫦娥五號探測器是負(fù)責(zé)嫦娥三期工程“采樣返回”任務(wù)的中國首顆月球采樣返回探測器。主要任務(wù)是采集月球樣品并返回地球，全面實現(xiàn)月球探測工程“三步走”戰(zhàn)略目標(biāo)。采樣機(jī)構(gòu)中搭載的2.5米長深孔鉆取式采樣器負(fù)責(zé)鉆入月壤取樣并送到上升器中。復(fù)雜的月壤構(gòu)成、劇烈的環(huán)境溫度變化、苛刻的輕量化要求，對鉆采機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)件的重量、強(qiáng)度和耐磨性提出了嚴(yán)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(guī)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(qiáng)度雖然高，但因其密度高達(dá)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(qiáng)度又不夠大，沒法抵抗住鉆桿承受的載荷。

馬宗義團(tuán)隊長期研發(fā)鋁基復(fù)合材料，相比鋁合金，這種復(fù)合材料的密度只增加了0.1克/立方厘米，但剛度和強(qiáng)度卻提高50%以上，這樣既實現(xiàn)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(fù)合材料延展性明顯降低，極大增加了復(fù)合材料的成形難度。

馬宗義介紹，只有制備大尺寸復(fù)合材料坯錠且經(jīng)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(fù)合材料需要加熱到大約500℃后快速冷卻才能使其強(qiáng)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(qiáng)化，另一方面還得防止變形并對變形進(jìn)行矯形，這讓科研人員費(fèi)盡了心機(jī)。

經(jīng)過兩年多的科研攻關(guān)，馬宗義團(tuán)隊先后突破了復(fù)合材料內(nèi)孔高精度、高直線度加工、熱處理強(qiáng)化與矯直等關(guān)鍵技術(shù)，研制的鉆桿剛度、強(qiáng)韌性和耐磨性完全滿足月壤鉆取要求，相比鋼材實現(xiàn)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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