在四川劍閣，中石油的“深地川科1井”鉆探深度已突破萬米大關(guān)，深入到5.4億年前的震旦系地層。這一全球地質(zhì)條件最為復(fù)雜、鉆井難度最高的深地工程，標(biāo)志著我國在地球深部能源探索領(lǐng)域取得了重大進(jìn)展。而支撐這一“超級(jí)工程”的，正是中國科學(xué)院寧波材料所海洋關(guān)鍵材料全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)研發(fā)的高性能金屬陶瓷復(fù)合材料。

“深地鉆探對(duì)工具材料的性能要求極為嚴(yán)苛，既要耐磨耐高溫，又要具備足夠的韌性。”該實(shí)驗(yàn)室副主任常可可研究員解釋道。金屬陶瓷復(fù)合材料恰好融合了金屬的韌性與陶瓷的硬度，成為制造鉆具的理想選擇。團(tuán)隊(duì)開發(fā)的這種材料，由碳化鎢-鈷、碳化鈦-鎳等化合物組成，耐磨性較國外同類產(chǎn)品提升15%至30%，可承受130兆帕的極限壓強(qiáng)和200至300攝氏度的高溫，使用壽命超過500小時(shí)，達(dá)到全球領(lǐng)先水平。

長期以來，高端鉆具材料市場(chǎng)被少數(shù)西方國家壟斷。常可可指出，材料配方和制備工藝是核心技術(shù)壁壘，其他國家難以突破。傳統(tǒng)研發(fā)模式面臨兩大難題：一是尋找理想配方如同大海撈針，依賴大量運(yùn)算和運(yùn)氣；二是行業(yè)對(duì)穩(wěn)定性要求極高，新成果產(chǎn)業(yè)化周期漫長。為破解這些困境，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新采用“AI+新材料”的研發(fā)路徑。

在實(shí)驗(yàn)室自主研發(fā)的智能設(shè)計(jì)平臺(tái)上，一張?jiān)刂芷诒戆l(fā)出幽藍(lán)光芒。科研人員只需點(diǎn)選碳、鎢、鈷等元素，平臺(tái)便會(huì)根據(jù)預(yù)設(shè)性能目標(biāo)，自動(dòng)生成多種“新配方”，并輸出復(fù)合材料的能力預(yù)測(cè)報(bào)告。“我們讓平臺(tái)先學(xué)習(xí)基礎(chǔ)材料學(xué)、物理化學(xué)知識(shí)，再輸入實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和技術(shù)專利，最終培育出可持續(xù)進(jìn)階的AI模型。”常可可比喻道，“這就像炒菜，配料、火候、工藝缺一不可。”

搭建這一“科研大腦”并非易事。團(tuán)隊(duì)需從海量文獻(xiàn)中篩選可用數(shù)據(jù)，并針對(duì)鉆探行業(yè)的特殊需求，通過程序設(shè)計(jì)逆向推導(dǎo)新材料開發(fā)工藝。據(jù)統(tǒng)計(jì)，項(xiàng)目累計(jì)產(chǎn)生多尺度高通量計(jì)算和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)超10萬條，提取文獻(xiàn)問答數(shù)據(jù)50萬條。目前，平臺(tái)對(duì)材料性能的預(yù)測(cè)精度已超過90%，大幅縮短了測(cè)試驗(yàn)證周期。

有了聰明的“大腦”，還需靈巧的“雙手”。在寧波材料所的無人實(shí)驗(yàn)室里，數(shù)臺(tái)智能移動(dòng)機(jī)器人正悄然采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。針對(duì)新材料研發(fā)的特殊需求，團(tuán)隊(duì)聯(lián)合其他科研力量，打造了一條與智能設(shè)計(jì)平臺(tái)無縫銜接的無人實(shí)驗(yàn)流水線。通過機(jī)器語言模擬，機(jī)器人配備了簡(jiǎn)易操作裝置，可模仿科研人員進(jìn)行基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)操作。“這些機(jī)器人已能替代人力完成結(jié)構(gòu)分析和性能驗(yàn)證，工作效率提升50%以上。”常可可表示，此類實(shí)驗(yàn)室在行業(yè)內(nèi)處于領(lǐng)先地位。

依托AI模型和無人實(shí)驗(yàn)室，團(tuán)隊(duì)開發(fā)出多款高性能井下鉆具材料，并與中石油北京石油機(jī)械有限公司、濰坊珀琦石油機(jī)械有限公司等企業(yè)合作，完成了強(qiáng)化徑向軸承、插接式萬向軸等關(guān)鍵部件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造。目前，相關(guān)產(chǎn)品已在“深地川科1井”7500米至10000米井段實(shí)現(xiàn)全面國產(chǎn)化替代，打破了國外技術(shù)壟斷。常可可透露，團(tuán)隊(duì)正計(jì)劃將智能平臺(tái)向社會(huì)開放，通過持續(xù)數(shù)據(jù)輸入更新，推動(dòng)新材料研發(fā)領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展。