井下動力鉆具關(guān)鍵運動部件及其復(fù)合材料在高溫、高壓極端環(huán)境下的服役可靠性面臨嚴峻挑戰(zhàn)。金屬陶瓷復(fù)合材料結(jié)合了陶瓷的堅硬與金屬的韌性，從而成為有力備選。

近日，位于四川劍閣的深地川科1井鉆探深度突破10000米，標志著我國在地球深部能源探索領(lǐng)域邁出關(guān)鍵一步。中科院寧波材料技術(shù)與工程研究所（寧波材料所）海洋關(guān)鍵材料全國重點實驗室金屬基復(fù)合材料AI創(chuàng)制團隊在常可可研究員的帶領(lǐng)下，開發(fā)了人工智能AI輔助的耐溫/耐磨蝕金屬陶瓷復(fù)合材料性能預(yù)測與成分設(shè)計模型（預(yù)測精度>90%），包含高通量預(yù)測、單點預(yù)測、成分優(yōu)化、3D可視化等多個功能模塊；基于該AI模型，篩選了滿足目標性能的潛在成分區(qū)間，結(jié)合深鉆材料智能創(chuàng)制平臺開展的自動化制備和高通量表征實驗，成功研制出新型耐溫耐磨蝕多元金屬陶瓷復(fù)合材料，力學(xué)、摩擦學(xué)等關(guān)鍵性能指標較現(xiàn)役三元材料體系提升15-30%，為耐高溫螺桿鉆具研發(fā)提供了關(guān)鍵材料支撐。

新型金屬陶瓷復(fù)合材料智能設(shè)計與深地重大工程應(yīng)用

鉆探萬米深井時，鉆具運動部件面臨的環(huán)境極為復(fù)雜——傳統(tǒng)硬質(zhì)合金很硬但太脆，高強度鋼韌性好卻不夠硬、不耐磨。而多元金屬陶瓷通過將堅硬的陶瓷顆粒（如碳化鎢、碳化鈦）與韌性的金屬粘結(jié)相（如鈷、鎳合金）復(fù)合，實現(xiàn)了性能上的互補，恰好能夠解決這個難題。這類材料并非孤例。受自然界珍珠母“磚-泥”結(jié)構(gòu)啟發(fā)的仿生陶瓷-金屬復(fù)合材料也顯示出高抗彎強度和高斷裂韌性的特點，這為未來研發(fā)性能更優(yōu)異的鉆具材料提供了新的思路和方向。

在國家重點研發(fā)計劃（2022YFB3706600）、中國科學(xué)院“智能科學(xué)家”、寧波市“科創(chuàng)甬江2035”重點研發(fā)計劃（2024Z138）、海洋關(guān)鍵材料全國重點實驗室開放基金等項目的支持下，寧波材料所和中石油北京石油機械有限公司（中國石油裝備制造創(chuàng)新中心）、濰坊珀琦石油機械有限公司深度合作，開展了新型金屬陶瓷復(fù)合材料強化徑向軸承、插接式萬向軸等關(guān)鍵部件結(jié)構(gòu)設(shè)計與制造技術(shù)研究，形成發(fā)明專利10余件、制定標準1項。研制的系列耐高溫螺桿鉆具產(chǎn)品在深地川科1井7500~10000米井深段全面實現(xiàn)進口替代，有力支撐了我國萬米特深井重大鉆探工程的順利實施。

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