移民火星?当然不能少了“老太空人”蔡司

国际金属加工网 2021年05月18日

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(火星语->地球语译文:祝融号你好!我是蔡司君。祝贺你成功登陆火星!很高兴能与你一起实现漫步宇宙、手摘星辰的理想。)

2021年5月15日7时18分,又一个载入中国航天史册的时刻。

天问一号的“祝融号”火星车搭乘着陆器,成功抵达火星表面“乌托邦平原”南部预选着陆区,向一次性完成火星“绕落巡”的成就又进一步!

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▲“祝融号向地球报平安

最近几天,作为一名“老太空人”的蔡司君,更是为了“祝融号”的登陆成功、人类探索宇宙伟大事业的又一次进步,激动得夜不能寐。

什么,还有不熟悉蔡司君这个“隐藏身份”的小伙伴?是时候为你们大起底了:

比如,拍摄于1969年,家喻户晓的宇航员登月照片“Man on the moon”,就是出自于蔡司Biogon 5.6/60广角镜头。

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蔡司Biogon 4.5/38镜头从太空中拍摄地球

比如,目前共有13颗小行星是以蔡司员工的名字命名,如1916年由俄罗斯天文学家发现的小行星“Zeissia”(纪念卡尔·蔡司)。

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蔡司星象仪将太空投射在圆幕上

再比如,在中国科学院国家天文台“月球样品实验室”官方配备的研究仪器中,就有蔡司的扫描电子显微镜,用于对月壤中矿物质进行形貌观察。

那么你一定想问:蔡司君也会加入探索火星的计划吗?

原来你是这样的火星

在回答这个问题之前,先让我们来看一看人类想要探索这颗橘红色的星球,究竟存在什么样的“登天”难度。

至少在拥有“火星梦”的埃隆·马斯克看来,这从来就不是一件容易的事。

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图片埃隆·马斯克在推特中感慨探火不易

的确,火星探测被公认为难度大,且风险系数高:火星大气稀薄,环境寒冷,平均气温仅-60摄氏度左右,最低可达-120摄氏度;表面地形较复杂,南半球高地遍布陨石坑,北半球则是地质年龄年轻的低矮平原。

“祝融号”在执行任务中,至少会遇到以下几重挑战:

1、在下降阶段,与火星大气层产生摩擦,着陆器表面温度急剧升高,对材料的防护性提出高要求;

2、在着陆阶段,受远距离、长时延的影响,面临了环境不确定、着陆程序复杂、地面无法干预等难点,“一切都要靠自己”;“祝融号”要实现顺利软着陆,设备需使用轻量化材料;

3、在今后火星表面的区域巡视探测阶段,面临多变复杂的温度变化,也需要“祝融号”依靠有效防护,在恶劣的环境中“抱紧自己”。

这么多的难点,都是由科研人员集结各方“奥利给”的力量,逐一克服的——蔡司君就是这其中给力的一员(骄傲脸)。

蔡司君:火星,我来了

火星探索的项目体量庞大而复杂,其中任何一个细小环节,都不允许有丝毫的差错——为了胜任这样的项目,蔡司君要求自己做一个低调又靠谱的“行动派”。

仅仅在太空材料领域,蔡司君就有着广泛的用武之地。

仔细看,蔡司君就“隐身”在很多基础却十分必要的基础实验中。

蔡司X射线显微镜在太空材料领域的应用

火星车在工况复杂的火星表面长距离行走,要求其材料具备高刚度,高强度,轻便和环境稳定的特性,传统铝、钛合金材料难以同时实现。而新型的铝基复合材料构件则可同时满足这些条件,实现“祝融号”长时间运行时对某关键机构的材料需求。

上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室团队李志强和范根莲等,受生物启发设计了分层Al2O3/Al基复合材料,该材料具备类似的优异力学性能。

为了探查颈缩后更高韧性、更大伸长率的根源,蔡司X射线显微镜点击查看)被用于进行原位拉伸测试:由于采取蔡司两级放大的独特架构,X射线显微镜能实现原位拉伸实验台中样品高达1um的体素分辨率,可实现微小裂纹生长发育的跟踪和识别,可观察仅有几个um的微裂纹的产生。

该案例中,Al基体中的层状结构可通过裂纹偏转来阻碍裂纹扩展。如下图c,f所示:出现了一条弯曲的裂纹路径,而不是沿宏观尺度沿45°方向的直线,这改变了裂纹模式,因此提高了抗裂纹扩展的效率。如e,h所示,靠近初级裂纹的小裂纹会增加裂纹的总长度,因此需要更多的能量来传播裂纹。

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原位力学实验装置和样品安装示意图

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▲F-Al2O3 / Al复合材料在X射线显微镜原位拉伸试验:应变条件(ab12%,(cde13%和(fgh14%,其中acf2D切片图, bdegh对应应变的3D损伤处的三维渲染图和放大图。

除了上述案例,蔡司扫描电镜中也能配置原位拉伸-加热样品台,可模拟火星车着陆和工作时的严酷环境,研究材料实际使役性能,实时观察其微观形貌变化,探寻材料失效原理。

蔡司光学显微镜在太空材料领域的应用

蔡司的光学显微镜Axio Imager 2点击查看),有着优异的光学质量、全电动部件,可利用丰富的观察方式(明场,暗场,偏光等),进行定量金相分析。

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铝基复合材料,反射光明场

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铝基复合材料,反射光暗场

应用于新型复合材料的质量控制,光学显微镜能够分析材料的晶粒度、孔隙率分析、析出相含量、涂层厚度测量等指标。

蔡司显微镜关联方案在太空材料领域的应用

关联方案点击查看)一直是蔡司君的“杀手锏”之一:“1+1>2”,关联总能更好地推进实验,让获取信息更准确、更高效。

比如在XRM-LaserFIB的联用实验中,可以将X射线显微镜(XRM)“大样品高分辨无损三维成像”的特点与双束电镜(FIB点击查看 )“亚纳米级分辨率可实现高精度三维重构”的特点完美融合:

首先使用XRM找到样品内部感兴趣区域,然后利用蔡司专用关联方案,在FIB中快速准确定位到该区域,并利用激光双束(Laser FIB)技术将样品内部深埋区域快速精准地加工出来,再进行高分辨成像或三维重构。可实现样品内部毫米到纳米级跨尺度三维联用分析。

如下图中所示,利用蔡司XRM-FIB联用解决方案,对高性能铝合金样品进行了跨尺度三维分析:

首先XRM对样品进行了大范围无损三维成像,获得样品内部微米级晶粒尺寸形状和夹杂物分布等整体信息。然后利用XRM-FIB联用精准定位并加工出样品内部感兴趣区域,获得该区域纳米级析出相和晶粒的关系,最终得到析出相在晶界处和晶粒内部的精确统计结果。

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利用蔡司XRM-FIB联用技术对高性能铝合金进行跨尺度三维分析

仰望星空、心向宇宙的路,是一段注定要历经许多代人不断付出的漫漫征程。

不计其数的“无名英雄”投下的一砖一瓦,一点一滴铺就了通向头顶那片未知世界的天梯。

蔡司君很荣幸,能成为这段艰苦又浪漫的征程里,始终默默前行的小小一份子。

显微镜下每一次的观测,都是蔡司君望向宇宙深处的深情;与并肩工作的客户和伙伴们每一次的默契合作,都是蔡司君对终极奥秘的探寻。

蔡司君想要邀请你一起,透过我的“眼睛”,看清所有不易被发现、又不应被错过的美丽。

参考文献:

Zhang, Z., et al., Bioinspired hierarchical Al2O3/Al laminated composite fabricated by flake powder metallurgy. Composites Part A: Applied Science and Manufacturing, 2021. 140 DOI: 10.1016/(暂不可见)positesa.2020.106187.

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(蔡司显微镜)

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