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11月28日，刚刚完成万米深潜的“奋斗者”号潜水器胜利返航。它创造了中国载人深潜新纪录——10909米，也使我国也成为世界上第二个实现万米载人深潜的国家。

“奋斗者”号潜入深海（图片/中科院科学传播局）

而此次“奋斗者”能够下得去回得来，背后的材料科学家们做出了卓越的贡献。

钛合金

本次“奋斗者”号的载人舱球形的“外壳”由中国科学院金属研究所牵头研制，解决了材料、成形、焊接等一系列问题。

2019年5月，完成万米深潜的美国潜水器“极限因子”其载人舱可搭载2人，而本次“奋斗者”号可以搭载3人，这就意味着直径就必须加大，体积也会大大增加。据项目负责人、中国科学院金属研究所研究员杨锐介绍，载人舱钛合金的厚度一下从52毫米变成了130毫米，材料强度也要大幅度提高，以往深潜器使用Ti64已不能满足需求。

为此金属所提出一种新型的合金设计方案，并据此设计实现了一种全新的钛合金显微结构，在此基础上发明了具有良好热加工成形和焊接成形性能的钛合金Ti62A，在韧性和可焊性与Ti64合金相当的前提下大幅度提升了强度，从而成功解决了载人舱球壳的材料难题。

钛合金材料存在固有的“尺寸效应”，即尺寸和厚度越大，其均匀性和力学性能稳定越难以保证。金属所通过设计材料微观组织及其获取工艺，成功克服了钛合金的“尺寸效应”，为实现载人球舱材料微观组织均匀和力学性能稳定奠定了技术基础。宝钛股份制备出高品质铸锭、高质量板材和高精度半球，创造了国内钛合金铸锭重量、板材厚度和锻件截面尺寸等多项纪录。

载人球舱由两个半球焊接（赤道缝）而成，几个窗口和接口（孔座）也必须通过焊接完成。保证焊缝位置的韧性满足要求是焊接技术面临的世界性难题，实现超大尺寸与厚度材料的全电子束一次焊接，更是横在任务面前一道难以逾越的障碍。金属所独辟蹊径，提出了一些新的焊接思路。洛阳船舶材料所实现载人球舱全电子束焊接，确保了焊缝质量和强韧性能全面达到设计要求。

固体浮力材料

深海潜水器要想上浮可以有两种方式，一种是消耗能源动力，另一种是无动力上浮技术。前者浪费宝贵的能源，会缩短潜水器工作半径和时间，后者则需要用到固体浮力材料。固体浮力材料由空心玻璃微球加上树脂基材通过混合和热固化形成，要求又轻又强，如此才能既提供浮力又承受海底高压。

空心玻璃微球是一种轻质无机非金属多功能材料，不仅密度小、导热系数低、介电常数小，还具有机械强度高和耐腐蚀等优良性能，应用广泛。但是，由于其奇特的几何形貌——微米尺度的薄壁完美空心球体，技术含量极高，高端产品长期依赖进口。

而中科院理化技术研究所张敬杰研究员就是长期从事微米级的晶态和非晶态球形粉体材料的制备及其应用研究。经过了十多年的技术攻坚，张敬杰团队实现了空心玻璃微球和浮力材料的量产，使得我国成为继美国之后，第二个能提供高性能空心玻璃微球产品的国家。

2016年12月，张敬杰团队将固体浮力材料交付“深海勇士”号潜水器总体集成，使我国成为世界上为数不多的具备从生产核心原材料到构件加工的全链条开发固体浮力材料能力的国家。

参考文献
1.中科院金属所微信公众号，“奋斗者”号全海深载人潜水器成功完成万米海试并胜利返航。

2.中科院理化技术研究所微信公众号，张敬杰：小微球托起海洋梦｜2019中科院年度创新人物。

3.中国科学报，中科院力量让“奋斗者”号从国产到“国创”。