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11月28日，剛剛完成萬米深潛的“奮斗者”號潛水器勝利返航。它創造了中國載人深潛新紀錄——10909米，也使我國也成為世界上第二個實現萬米載人深潛的國家。

“奮斗者”號潛入深海（圖片/中科院科學傳播局）

而此次“奮斗者”能夠下得去回得來，背后的材料科學家們做出了卓越的貢獻。

鈦合金

本次“奮斗者”號的載人艙球形的“外殼”由中國科學院金屬研究所牽頭研制，解決了材料、成形、焊接等一系列問題。

2019年5月，完成萬米深潛的美國潛水器“極限因子”其載人艙可搭載2人，而本次“奮斗者”號可以搭載3人，這就意味著直徑就必須加大，體積也會大大增加。據項目負責人、中國科學院金屬研究所研究員楊銳介紹，載人艙鈦合金的厚度一下從52毫米變成了130毫米，材料強度也要大幅度提高，以往深潛器使用Ti64已不能滿足需求。

為此金屬所提出一種新型的合金設計方案，并據此設計實現了一種全新的鈦合金顯微結構，在此基礎上發明了具有良好熱加工成形和焊接成形性能的鈦合金Ti62A，在韌性和可焊性與Ti64合金相當的前提下大幅度提升了強度，從而成功解決了載人艙球殼的材料難題。

鈦合金材料存在固有的“尺寸效應”，即尺寸和厚度越大，其均勻性和力學性能穩定越難以保證。金屬所通過設計材料微觀組織及其獲取工藝，成功克服了鈦合金的“尺寸效應”，為實現載人球艙材料微觀組織均勻和力學性能穩定奠定了技術基礎。寶鈦股份制備出高品質鑄錠、高質量板材和高精度半球，創造了國內鈦合金鑄錠重量、板材厚度和鍛件截面尺寸等多項紀錄。

載人球艙由兩個半球焊接（赤道縫）而成，幾個窗口和接口（孔座）也必須通過焊接完成。保證焊縫位置的韌性滿足要求是焊接技術面臨的世界性難題，實現超大尺寸與厚度材料的全電子束一次焊接，更是橫在任務面前一道難以逾越的障礙。金屬所獨辟蹊徑，提出了一些新的焊接思路。洛陽船舶材料所實現載人球艙全電子束焊接，確保了焊縫質量和強韌性能全面達到設計要求。

固體浮力材料

深海潛水器要想上浮可以有兩種方式，一種是消耗能源動力，另一種是無動力上浮技術。前者浪費寶貴的能源，會縮短潛水器工作半徑和時間，后者則需要用到固體浮力材料。固體浮力材料由空心玻璃微球加上樹脂基材通過混合和熱固化形成，要求又輕又強，如此才能既提供浮力又承受海底高壓。

空心玻璃微球是一種輕質無機非金屬多功能材料，不僅密度小、導熱系數低、介電常數小，還具有機械強度高和耐腐蝕等優良性能，應用廣泛。但是，由于其奇特的幾何形貌——微米尺度的薄壁完美空心球體，技術含量極高，高端產品長期依賴進口。

而中科院理化技術研究所張敬杰研究員就是長期從事微米級的晶態和非晶態球形粉體材料的制備及其應用研究。經過了十多年的技術攻堅，張敬杰團隊實現了空心玻璃微球和浮力材料的量產，使得我國成為繼美國之后，第二個能提供高性能空心玻璃微球產品的國家。

2016年12月，張敬杰團隊將固體浮力材料交付“深海勇士”號潛水器總體集成，使我國成為世界上為數不多的具備從生產核心原材料到構件加工的全鏈條開發固體浮力材料能力的國家。

參考文獻
1.中科院金屬所微信公眾號，“奮斗者”號全海深載人潛水器成功完成萬米海試并勝利返航。

2.中科院理化技術研究所微信公眾號，張敬杰：小微球托起海洋夢｜2019中科院年度創新人物。

3.中國科學報，中科院力量讓“奮斗者”號從國產到“國創”。

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