一個多月前，高分十一號衛(wèi)星發(fā)射成功，中國科學(xué)院金屬研究所研發(fā)的金屬基復(fù)合材料發(fā)揮了重要作用。眾所周知，航天器對材料的要求十分苛刻，比如輕量化就是其中一項指標，金屬基復(fù)合材料恰好符合需求。金屬所研究員馬宗義帶領(lǐng)團隊，致力于高性能金屬基復(fù)合材料的研究，近5年來，為遙感、風(fēng)云、高分、嫦娥、北斗、東風(fēng)、天宮、龍舟等十幾個關(guān)鍵型號，提供復(fù)合材料產(chǎn)品百余批次、萬余件。

日前，馬宗義在接受記者采訪時表示：“高性能金屬基復(fù)合材料是國家重大戰(zhàn)略與國民經(jīng)濟建設(shè)迫切需求的一種工程材料，我們在該領(lǐng)域取得一系列關(guān)鍵技術(shù)突破和應(yīng)用，一些技術(shù)產(chǎn)品不僅打破國際封鎖，還推動了國家高新技術(shù)重大裝備的快速發(fā)展?！?/span>

抓住機遇組建團隊

金屬基復(fù)合材料是向金屬中添加陶瓷、碳等異質(zhì)材料形成的一種復(fù)合材料，具備抗疲勞、耐磨、高導(dǎo)熱、低熱膨脹以及輻射屏蔽等優(yōu)點，是航空航天、電子封裝、裝備、核電、汽車、軌道交通等國家重大需求和國民經(jīng)濟裝備制造所需的關(guān)鍵材料，其用量也是材料科技水平的標志之一。

早在2000年，北美、歐洲及日本等發(fā)達國家已形成了成熟的金屬基復(fù)合材料產(chǎn)業(yè)，產(chǎn)量達到全球用量的80%以上。我國金屬基復(fù)合材料研發(fā)起步較晚，落后發(fā)達國家近30年，同期還停留在實驗室研發(fā)階段。

由于應(yīng)用背景敏感，國外長期對我國進行嚴密的技術(shù)封鎖。馬宗義指出：“多年來，我國金屬基復(fù)合材料自主研發(fā)面臨組織性能難控、制備與加工困難等無法逾越的共性難題，陷入技術(shù)進展緩慢、需求牽引不足兩者相互制約的困境，一直未能實現(xiàn)應(yīng)用突破?！?/span>

“十一五”開始，國家中長期規(guī)劃開展“載人航天與探月工程”“高精度對地觀測”“大型壓水堆與高溫氣冷堆”等重大專項任務(wù)，這為高性能金屬基復(fù)合材料的發(fā)展帶來前所未有的機遇。然而，這些高技術(shù)裝備的建設(shè)也為當時的研究水平帶來極大挑戰(zhàn)，需建立工程化制備、成型加工等關(guān)鍵技術(shù)，才能適應(yīng)產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定化、規(guī)模與批量化應(yīng)用需求。馬宗義團隊也是國內(nèi)最早開展金屬基復(fù)合材料研究的科研團隊之一。

近年來，馬宗義團隊開展了工程化制備技術(shù)研發(fā)。他告訴記者：“我們先后突破了短流程與規(guī)?；勰┮苯鹬苽涔に?、可控成形加工、攪拌摩擦焊等制約金屬基復(fù)合材料應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)瓶頸，從而打通了其工程應(yīng)用的全鏈條難點?！?/span>

攻克制備技術(shù)瓶頸

在金屬基復(fù)合材料大尺寸坯錠制備時，存在成分均勻性、界面反應(yīng)等控制難、制備成本高、周期長的難題。針對這一難題，馬宗義團隊開創(chuàng)了低成本短流程粉末冶金制備技術(shù)，所制備的坯錠具有組織均勻、致密無缺陷、無有害界面產(chǎn)物的特點。馬宗義介紹道：“2017年，我們實現(xiàn)了最大3.4噸/錠的超大尺寸坯錠制備，超過美國公開報道的最大0.45噸/錠，并可將原材料成本和制備周期雙減半，突破了復(fù)合材料規(guī)?；苽潆y題?！睋?jù)悉，團隊制備的大尺寸坯錠，不僅解決了航天器關(guān)鍵有效載荷大型平臺結(jié)構(gòu)輕量化的急需，還突破傳統(tǒng)材料難以兼顧輕質(zhì)、高熱導(dǎo)、低熱膨脹以及承載性能的難題，支持了國家高分辨對地觀測專項任務(wù)重點型號的研制。

“金屬基復(fù)合材料中因添加脆性陶瓷等增強相，制約了金屬的塑性流變能力，使其塑性成形能力極差，成為制約其應(yīng)用的另一個關(guān)鍵因素?！瘪R宗義指出，以往通過試錯法進行工藝摸索，存在耗時耗力、適用性差等問題。近年來，高技術(shù)裝備對零件結(jié)構(gòu)提出多樣化、大型化與快速響應(yīng)的需求，以往金屬基復(fù)合材料傳統(tǒng)的工藝試錯研究模式難以滿足需求。為此，馬宗義團隊基于自主研發(fā)的精確物理仿真、多尺度模擬新技術(shù)，攻克了復(fù)合材料成形加工中缺陷控制與組織性能調(diào)控難題，建立大變形比成型加工、中高陶瓷含量復(fù)合材料成型加工、異型材大擠壓比成型等技術(shù)，并通過組織缺陷調(diào)控實現(xiàn)板材高效率軋制、自由鍛件性能優(yōu)化控制等。

“我們在國內(nèi)率先研制出高性能金屬基復(fù)合材料大尺寸、超大尺寸自由鍛件與薄壁異型材等，批量應(yīng)用于衛(wèi)星與深空探測飛行器關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件，替代了傳統(tǒng)高強鋁、鈦等合金，使裝備性能指標提升與輕量化設(shè)計得以實現(xiàn)。”馬宗義說。此外，由于金屬與增強相的巨大物化性質(zhì)差異，傳統(tǒng)的熔焊技術(shù)難以使金屬基復(fù)合材料獲得高質(zhì)量連接，焊縫中常產(chǎn)生顆粒偏析、縮孔或氣孔、有害界面反應(yīng)產(chǎn)物等。馬宗義表示，新型的攪拌摩擦焊作為一種固相焊接技術(shù)，最有希望實現(xiàn)金屬基復(fù)合材料高強度連接，然而面臨著攪拌摩擦焊接工具受陶瓷顆粒磨損嚴重、材料流變性差等挑戰(zhàn)，難以獲得工業(yè)應(yīng)用。于是，團隊自主發(fā)明了一種高耐磨、高韌性焊接工具，可在寬泛的工藝參數(shù)下施焊而不磨損或折斷，突破以往難以實現(xiàn)的可靠連接和焊接工藝優(yōu)化難題，由此實現(xiàn)了金屬基復(fù)合材料的近等強焊接，工具壽命可滿足工業(yè)生產(chǎn)需求。“我們通過中子衍射和多尺度模擬對焊接頭殘余應(yīng)力實現(xiàn)精確模擬，為焊接工藝制定建立了全新的依據(jù)?！瘪R宗義說。

研發(fā)產(chǎn)業(yè)基地建成

經(jīng)過長期積累，馬宗義團隊的金屬基復(fù)合材料成果已獲得國家發(fā)明專利授權(quán)20余項，先后制定企業(yè)標準4項，誕生了多項國內(nèi)航天、核電等領(lǐng)域的“首次”“首臺”“首套”關(guān)鍵部件，并成功實現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用。

針對航天器承載結(jié)構(gòu)的減重需求，馬宗義團隊研發(fā)出輕質(zhì)、高強、高模、耐疲勞SiC/Al復(fù)合材料，替代高強鋁合金或鈦合金，減重達20%～40%，為遙感飛行器、深空探測器等關(guān)鍵型號供貨千余件。針對電子封裝和遙感光學(xué)儀器對輕量化、低膨脹熱管理材料的需求，馬宗義團隊突破高陶瓷含量鋁基復(fù)合材料的批量化制備加工、大尺寸厚截面零件制備技術(shù)，替代了鉬銅、鈦、因瓦合金，應(yīng)用于多個系列的關(guān)鍵型號衛(wèi)星。

由于我國中子吸收材料研發(fā)滯后，長期依賴進口，制約核電自主化與走出去發(fā)展戰(zhàn)略。馬宗義團隊突破了B4C/Al復(fù)合材料坯錠規(guī)?；苽渑c板材軋制技術(shù)，制備出高成材率和高均勻性分布的B4C/Al板材，同時突破了高質(zhì)量焊接技術(shù)，相關(guān)產(chǎn)品成功應(yīng)用于“龍舟CSNC”乏燃料容器樣機和全球首臺高溫氣冷堆核電站的所有核燃料貯存和運輸容器。

馬宗義告訴記者：“我們實現(xiàn)了乏燃料運輸材料國產(chǎn)化，并在國內(nèi)核電領(lǐng)域首次實現(xiàn)國產(chǎn)中子吸收復(fù)合材料供貨，替代進口產(chǎn)品應(yīng)用于我國多個自主研發(fā)設(shè)備的核設(shè)備?！薄澳壳?，金屬所已經(jīng)建成了金屬基復(fù)合材料研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化基地，年產(chǎn)量近百噸，成為航天、核電等領(lǐng)域多家單位的主要供貨單位。”馬宗義還向記者透露，未來，金屬所還將為金屬基復(fù)合材料的革新?lián)Q代積累基礎(chǔ)，實現(xiàn)下一次工程化規(guī)模應(yīng)用的突破。