鋁基碳化硅復合材料助力嫦娥5號月面取土

12月6日12時(shí)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，準備擇機返回地球。嫦娥五號探測器“挖土”的關(guān)鍵部件——2.5米長(cháng)的鉆桿及其結構件，是由中國科學(xué)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-鋁基碳化硅（點(diǎn)擊查看：鋁基碳化硅專(zhuān)用CNC機床）。

鋁基碳化硅齒輪

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(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(shí)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(cháng)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(huán)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(wú)法滿(mǎn)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(mǎn)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(méi)法抵抗住鉆桿承受的載荷?！　?/p>

馬宗義團隊長(cháng)期研發(fā)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(shí)現輕量化，又有較高的剛度，不容易變形?！　?/p>

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?？梢悦黠@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(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(wàn)無(wú)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(cháng)的中空鉆桿在這一過(guò)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(jìn)行矯形，這讓科研人員費盡了心機。

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

本文來(lái)自“解放日報 黃海華；中國新聞網(wǎng) 沈殿成”。