【解读】我国“天眼”中的铝材

世界上有三个“观天巨眼”，第一个是500米口径球面射电望远镜（FAST），位于贵州省黔南州平塘县；

二是美国阿雷西博350米望远镜，建于1992年，23年来世界第一，中国“天眼”综合性能约10倍；

三是德国波恩100米口径望远镜，中国“天眼”的灵敏度比它高出10倍左右。

我国“天眼”球面射电板采用铝合金板，德国和美国球面射电望远镜材料作者没有看到相关报道，日本国家天文台野山宇宙电波ALMA望远镜采用5052铝合金板，支撑结构采用6061铝合金挤压材料，可在－20℃～2011年9月底建成的20℃环境中长期工作，建设地点标高5000米，2012年初投入使用，球面直径45米10台。

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寻找喀斯特坑洞

在1993年国际无线电联合会上，包括中国在内的10个国家的天文学家提出了建造新一代射电“大望远镜”的建议。

1995年底，北京天文台与中国20多所大学和研究机构联合成立了射电“大望远镜”中国推广委员会，提出了喀斯特工程的概念，即利用贵州喀斯特洼地建造球反射面，即“西雷西博天线阵”。

此后，中国科学家进一步推进喀斯特概念，提出独立开发500米口径球面射电望远镜的新喀斯特单元。为了为新一代射电“大望远镜”找到合适的“家”，科学家们通过卫星遥感将贵州喀斯特山区翻了个底朝天。

当时，天文台委托两家研究所从300个候选坑中进行搜索。位于黔南州平塘县的大窝塘最终两次获得最高分。贵州天然喀斯特坑的条件一直是中国最独特的大射电望远镜，也是世界上最大、最强大的基础。

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花了22年时间建造世界上最大的“天眼”

中国“天眼”-500米球面射电望远镜（FAST，Five-hundred meter Aperture Spherical Radio Telescope）从1994年到2016年9月建成，这是一个伟大的项目，拥有中国的独立知识产权，是世界上最大的单口径和最敏感的射电望远镜。

借助这只巨大的“天眼”，研究人员可以窥探星际互动的信息，观察暗物质，测量黑洞的质量，甚至搜索可能存在的星外文明。

许多独特的技能使它成为世界射电望远镜的领导者，这也将为世界天文学的新发现提供机会。

“天眼”工程作为国家重大科研基础设施，由主动反射面系统、馈源支撑系统、测控系统、按收机、终端、观测基地等组成。

主动反射面由数万根钢丝索和4450个反射单元组成，看起来像一个非常大的“锅”，接收面积相当于30个标准足球场。

以天然喀斯特坑为台址，在坑内铺设由数千个单元组成的冠状主动反射面，采用轻型电缆拖动机构和并联机器人实现接收机的高精度定位，是中国“天眼”的三大自主创新。

自2016年9月25日起，“天眼”方圆5公里已成为“静默区”。庞然大物开始睁开“眼睛”，专注于捕捉宇宙深处的信号。除了宏伟和状观之外，“天眼”工程最令人震惊的是精度。

经过3年的测试，基墩稳定性极高，误差不超过1毫米。在137亿光年之外，“天眼”可以接收到电磁信号，观测范围可以达到宇宙边缘。

然而，这里需要指出的是，FAST地球的“最大天眼”称号可能只能在七八年内让位于南非的阵列射电望远镜（SKA）。

SKA目前正在南非台地高原地区和西澳大利亚州默奇森郡沙漠地区建设。其接收面积为1平方公里。

建成后，它将成为世界上最大的综合孔径射电望远镜，也是国际天文学界建设的历史上最大的科学工程。在SKA公开发布的11个项目中，中国参与了SKA的6个研发工作。

500米口径球面射电望远镜于2020年1月11日成功通过国家验收，正式开放运行。“天眼”工程作为世界上最大、最敏感的射电望远镜，圆满结束，意味着中国大科技基础设施进一步完善，人类对未知宇宙的探索视角更加深刻。

“天眼”的成功体现了中国的智慧、技术、力量和责任。在“天眼”的背后，是中国人民在长期奋斗中培育、继承和发展的伟大创造精神、伟大梦想精神和伟大团结精神。正是这种民族精神造就了“天眼”。

经过三年零三个多月的调试，中国“天眼”成本12亿元，于2020年1月11日正式运行。在调试过程中，发现了102颗脉冲星，超过了同期欧美多个脉冲星搜索团队发现的总数。

为配合“中国天眼”建设，约7000名居民搬迁至10公里外的另一个小城市，确保长途旅行的性能和平静运行。

日本野边山用5052和6061铝合金制造45米望远镜

1971年建成的10台球面望远镜(天线)，直径45米，高50米。球面望远镜位于50米高的架子上。

球面采用5052铝合金板加工，支架采用6061铝合金挤压型材，采用电火花工艺加工。

加工天线的表面非常具有挑战性，因为表面越干净，电波就越短，所以必须使用具有一定强度性能和高韧性的铝合金加工，其表面粗糙度应该是≤同时在25纳米－20℃～＋这种精度仍然保持在20℃的环境中。

直径12米的球面天线为205元1米×1米铝板铺设，原材料厚度30mm，以纳米为单位进行前所未有的层层切割加工，每一块都有非常准确的抛物表面，形成大抛物表面，使用37种不同形状的铝板坯。

由于其抛物面积1590平方米，质量700吨，最大的问题是如何降低直径45米、高度50米的天线。天线表面(镜面体)采用夹层碳纤维增强塑料蜂窝铝板进行轻量化。

天线背面安装隔热铝板，以避免骨架因阳光直射而变形。经过这种精心设计，毫米波望远镜在世界顶级设备中脱颖而出，镜面精度保持在170微米左右，铝合金在这些超级天线中发挥着不可替代的作用。

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5052铝合金是制造球面射电望远镜的最佳材料

口径小于3米的球面射电望远镜的抛物面可以用整个铝合金制成，因为世界上辊面宽度最大的冷轧机是4350mm，无论球面射电望远镜的口径有多大，都必须用抛物面铝合金板拼接，日本国家天文台野山宇宙45米口径望远镜、美国波多黎天文台望远镜、德国波恩天文台望远镜、巴西天文台望远镜抛物面采用特殊形状的5052铝合金板，因为冷轧5052铝合金板是制造这种抛物板的最佳材料。

为何抛物面采用5052铝合金制成？因为它有一系列优秀的性能。它是一家美国铝业公司（Alcoa）20世纪20年代末推向市场的，其标定成分(质量%)：Si0.25，Fe0.40，Cu0.10，Mn0.10，Mg2.2～2.8，Cr0.15～0.35，Zn 0.10，其他杂质为0.05、总计0.15，其余为铝。

从Al-Mg系相图可以看出，Mg在铝中的溶解度仅次于Zn，排名第二，450℃的极限溶解度为17.4%，室温仅为1%。理论上，Al-Mg合金应具有相当大的及时硬化效应，但由于受影响β相(Mg2Al3)沿晶沉淀倾向和弥散度的限制一般没有价值和必要的效果，可用于退火和冷硬化。

AI﹣Mg合金过饱和固溶体α′沉淀过程：

α′→GP区→β′→β(Mg2Al3)

Mg原子直径(0.320纳米)远大于Al(0.286纳米)。淬火后GP区可在几秒钟内形成，但尺寸较小(1.0纳米～1.5纳米)，周围有密集的空位云，与母亲几乎没有共格应变，因此Mg含量≤7%没有明显的时效硬化效果。

5052合金是一种中低强度合金。AI-Mg合金加Mn或Cr主要是为了提高耐腐蚀性和可焊性，但是固溶部分仍然具有一定的强化作用，Cu、Zn、Fe、Si是杂质，应严格控制。

特点是密度为2.68g/cm3，略低于纯铝1050的2.705g/cm3；具有优异的耐腐蚀性，在海洋氛围和海水中具有较高的耐腐蚀性，表面可长期保持较高的表面光洁度，几乎不需要“终身”维护；焊缝具有良好的可焊性，其机械性能几乎与基体材料相同；

特别好的抛光性能，表面处理后闪闪发光；优异的塑性和成型性能，它可以加工成各种部件。虽然其抗拉强度不高，但仍远高于1050工业纯铝，高于3003合金，疲劳强度高。无论是在实验室还是在实际使用中，都没有应力腐蚀和开裂。

由于5052合金具有上述诸多优点，因此它已成为一种罕见的制造射电望远镜球面抛物面板的好材料，得到了业界的一致认可。因此，国外射电望远镜的“大锅”是由5052合金抛物线板块组成的。

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5052合金的力学性能

5052合金板的力学性能见表，其物理性能如下：密度2.68g/cm3，熔化607℃～电导率为649℃，20℃35%IACS，热导率为138W/25℃（m·℃)，20℃时比热900J//（kg·℃），（20℃～线膨胀系数为23.8，100℃×10-6/℃。

干汞电极在2.67%AlCl3溶液中（SCE）自然电位为－936.2mV，孔食电位为－722.7mV，耐腐蚀性和耐应力腐蚀开裂性均评为A级。

5052合金只退火(300℃)～360℃)或冷加工硬化状态下使用，其优异的耐腐蚀性仅为β只有当晶体内部和晶体边界分布均匀时，才能显示出极高的稳定性。

无论是退火还是冷加工，室温或低温或敏化处理温度（67℃）～177℃)长时间加热不形成沿晶β相网膜，应力腐蚀开裂（SCC）和剥落腐蚀（EFC）也不敏感。但Mg含量＞3.5%的合金不是这样。

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“天眼”中的铝

中铝西南铝业(集团)有限公司(以下简称“西南铝”)提供中国“天眼”使用的铝合金板材和挤压铝材，其4450个反射面单元采用西南铝板材加工。

除了第一个“天眼”正式启用外，中国还有内蒙古自治区锡林郭勒盟镶嵌白旗草原深处的“草原天眼”，占地10平方公里，排列着100面白色抛物面天线阵列。这是明安地图射频谱日像仪组，被称为“草原天眼”，英文缩写为MUSER。MUSER项目于2008年开工建设，2013年开始进行一系列太阳射电观测，二期建设投资1.3亿元，占地215亩，预计2023年建成，2025年投入使用。

2015年1月，西南铝成立了“销售十大技术”和“技术”＋“销售”开发团队，做好FAST市场开发，及时加强与中国电子科技集团公司第54研究所的沟通协调，首次了解和掌握工程建设对铝的需求。

7月初，西南铝和FAST反射面板制造商正式签署了800吨反射面板和铝板结构件的全部订单。为了尽快生产这批需要阳极氧化着色处理的板材，对尺寸偏差、表面质量、冲孔性能等有特殊要求，西南铝充分整合内部资源，充分发挥技术设备和人才优势，克服工期紧、任务重等诸多困难，全面做好羊毛组织、质量控制、进度和综合工作，确保产品质量和工期，西南铝在探索宇宙文明的“铝之路”中迈出了坚实的第一步。从2015年7月初签订合同到8月底交付最后一批带卷只用了一个多月。

FAST项目是中国最近九个科技基础设施之一，可以参与国家重大项目建设，对中铝和西南铝，其意义不仅是材料质量的高度认可和效益，更是中铝公司履行国家重大科技项目材料保障和西南铝“国家利益高于一切”的核心价值，突出了企业的社会责任。

世界上第一个“眼睛”反射面积相当于近30个足球场面积，由4450个反射单元组成，制造商收到西南铝合金卷，切成坯料，然后机械加工，加工成所需的形状和尺寸，从2015年8月2日至2016年7月3日，共11个月。

FAST在中国建成了5年，取代了阿雷西博电离层天文台的望远镜，成为世界上最大的“天眼”。2016年竣工时，来自世界各地的数百名科学家出席了启动仪式。