铝基碳化硅复合材料助力嫦娥5号月面取土

12月6日12时35分，装有月壤的嫦娥五号轨道器返回器组合体与上升器成功分离，进入环月等待阶段，准备择机返回地球。嫦娥五号探测器“挖土”的关键部件——2.5米长的钻杆及其结构件，是由中国科学院金属研究所马宗义团队研制的碳化硅颗粒增强铝基复合材料制成-铝基碳化硅（点击查看：铝基碳化硅专用CNC机床）。

铝基碳化硅齿轮

我国的探月工程分为“绕”“落”“回”三步走战略。嫦娥五号探测器是负责嫦娥三期工程“采样返回”任务的中国首颗月球采样返回探测器。主要任务是采集月球样品并返回地球，全面实现月球探测工程“三步走”战略目标。采样机构中搭载的2.5米长深孔钻取式采样器负责钻入月壤取样并送到上升器中。复杂的月壤构成、剧烈的环境温度变化、苛刻的轻量化要求，对钻采机构结构件的重量、强度和耐磨性提出了严苛的要求，其中钻杆要钻入月壤深处，对材料的要求更加苛刻，常规金属材料无法满足制备要求。

究竟用什么材料好呢？钢铁的强度虽然高，但因其密度高达7.8克/立方厘米，难以满足航天的轻量化要求。铝合金的密度倒是比较小，只有2.7克/立方厘米，但铝合金的刚度和强度又不够大，没法抵抗住钻杆承受的载荷。　　

马宗义团队长期研发铝基复合材料，相比铝合金，这种复合材料的密度只增加了0.1克/立方厘米，但刚度和强度却提高50%以上，这样既实现轻量化，又有较高的刚度，不容易变形。　　

在月面“挖土”，与月壤直接接触的钻杆必须耐磨，在铝合金中添加碳化硅陶瓷颗粒可以明显提高材料的耐磨性，但陶瓷颗粒的添加使复合材料延展性明显降低，极大增加了复合材料的成形难度。

马宗义介绍，只有制备大尺寸复合材料坯锭且经多道次变形，才能获得更均匀、更理想的组织，从而提高综合性能与可靠性，以确保万无一失。另外，复合材料需要加热到大约500℃后快速冷却才能使其强化，但2.5米长的中空钻杆在这一过程中很容易变形。一方面要强化，另一方面还得防止变形并对变形进行矫形，这让科研人员费尽了心机。

经过两年多的科研攻关，马宗义团队先后突破了复合材料内孔高精度、高直线度加工、热处理强化与矫直等关键技术，研制的钻杆刚度、强韧性和耐磨性完全满足月壤钻取要求，相比钢材实现减重65%，为嫦娥五号顺利完成月球“挖土”提供了重要支撑。

本文来自“解放日报 黄海华；中国新闻网 沈殿成”。