儀表級復(fù)合材料在慣性儀表中的應(yīng)用進(jìn)展

武高輝，姜龍濤，陳國欽，芶華松，張 強(qiáng)，修子揚(yáng)

(哈爾濱工業(yè)大學(xué) 金屬復(fù)合材料與工程研究所，黑龍江 哈爾濱150080)

0 引言

目前我國的武器裝備研究進(jìn)入到了“高精度”、“小型化”的階段，進(jìn)入到這一階段后，以往的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料明顯暴露出先天不足。在慣性技術(shù)領(lǐng)域中，如傳統(tǒng)LY12 鋁合金材料存在彈性模量低、自發(fā)變形、低應(yīng)力變形、熱失配變形等無法解決的問題［1］。鈹材的應(yīng)用技術(shù)是一個國外曾經(jīng)驗(yàn)證過的成功的技術(shù)，是可行的［2］，但是，鈹材的毒性問題、成本問題也是一個現(xiàn)實(shí)問題。

金屬基復(fù)合材料按力學(xué)性能、加工性能和尺寸穩(wěn)定性、熱學(xué)性能等特性的不同分為結(jié)構(gòu)級、儀表級和光學(xué)級三類。其中儀表級復(fù)合材料的力學(xué)性能和熱物理性能符合慣性構(gòu)件的設(shè)計(jì)的要求。

我國自“十五”開始，在新材料與慣性技術(shù)的學(xué)科交叉上邁出了具有歷史意義的一步，第三代儀表材料——儀表級SiC/Al 復(fù)合材料研制成功，預(yù)示著儀表結(jié)構(gòu)材料的更新?lián)Q代的開始。

1 高精度慣性儀表材料的國內(nèi)外發(fā)展歷程

1.1 國外儀表級復(fù)合材料應(yīng)用進(jìn)展

國外陀螺儀表材料發(fā)展經(jīng)歷了三個階段:20世紀(jì)50年代，美、蘇等國主要采用鋁合金，進(jìn)入60年代開始采用鈹材，1964年，美國研制成功全鈹慣性平臺ST-124［3］。使陀螺儀精度提高了一個數(shù)量級。有研究者將專門用來制造慣性制導(dǎo)系統(tǒng)的精密部件的金屬基復(fù)合材料定義為“儀表級復(fù)合材料”。1981年這種材料被首次制造出來，1984年儀表級復(fù)合材料制導(dǎo)部件樣品送審，1985年被批準(zhǔn)用于一種導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)的慣性測量單元(圖1)［4］。這些儀表級復(fù)合材料部件被精確的鍛造成網(wǎng)狀，同時這些金屬基復(fù)合材料制造的部件也是首次應(yīng)用于制導(dǎo)系統(tǒng)。

圖1 應(yīng)用于導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)中的精密成型的鋁基復(fù)合材料構(gòu)件［4］Fig．1 Precision forged MMC instrument covers used ina missile guidance system［4］．

美國研究者看中了金屬基復(fù)合材料的熱物理性能可設(shè)計(jì)性以及低成本等優(yōu)勢，在有更高精度要求的慣性儀表中開始應(yīng)用。美國AMC 公司與亞利桑那大學(xué)光學(xué)科學(xué)中心合作，設(shè)計(jì)一種直徑為0.3m 的超輕(ULW)空間望遠(yuǎn)鏡，采用新材料(包括金屬基復(fù)合材料)來設(shè)計(jì)、建造和組裝一種望遠(yuǎn)鏡，目標(biāo)就是以最低的成本實(shí)現(xiàn)高精度和高性能的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)。圖2 給出了慣性儀表、光學(xué)反射鏡的中鋁基復(fù)合材料的應(yīng)用范例［4］。連接主反射鏡和次反射鏡的桁架裝置是由結(jié)構(gòu)級金屬基復(fù)合材料模壓出的一根25mm，1.25mm 厚的管狀材料制備而成，次反射鏡的支撐是由結(jié)構(gòu)級金屬基復(fù)合材料模壓出桿制成的。次反射鏡的基座是由經(jīng)化學(xué)鍍鎳拋光后的光學(xué)級金屬基復(fù)合材料制成，制成以后，每個ULW 望遠(yuǎn)鏡的總重量為4.5 kg。1999年美國在三叉戟-II 導(dǎo)彈高精度陀螺儀零件上使用了儀表級SiC/Al 復(fù)合材料［5］，結(jié)果證明，鋁基復(fù)合材料以其低膨脹、尺寸穩(wěn)定、高導(dǎo)熱、低密度、低成本等特性，成為目前在慣性儀表上唯一可以替代鈹材的材料。

圖2 鋁基復(fù)合材料加工的超輕量級的望遠(yuǎn)鏡樣機(jī)［4］Fig．2 Prototype ultra-lightweight (ULW)telescope incorporatingMMC materials ［4］．

1.2 國內(nèi)儀表級SiC/Al 復(fù)合材料應(yīng)用進(jìn)展

作者二十多年來，在儀表級復(fù)合材料穩(wěn)定化的組分設(shè)計(jì)、大尺寸、高品質(zhì)儀表級SiC/Al 復(fù)合材料制備、穩(wěn)定化原理及工藝研究和儀表級復(fù)合材料精密加工成型等研究上取得了突破性進(jìn)展，所設(shè)計(jì)和制備的儀表級SiC/Al 復(fù)合材料性能具有尺寸穩(wěn)定、熱適配性好的特點(diǎn)［6，7］，其與慣性儀表常用材料性能對比如表1 所示，可見，其微變形抗力較RJY50 鈹材高出1 倍;熱膨脹系數(shù)與鈹材相當(dāng)，冷熱沖擊條件下的尺寸穩(wěn)定性高于RJY50 鈹材。儀表級復(fù)合材料的精加工性能優(yōu)異，關(guān)鍵部位加工精度達(dá)到微米量級。這種儀表級復(fù)合材料已經(jīng)通過的軍品質(zhì)量認(rèn)證，并得到了武器裝備生產(chǎn)許可，已開始小批量供應(yīng)，這標(biāo)志著我國慣性儀表材料更新?lián)Q代的開始。

圖3 為采用儀表級SiC/Al 復(fù)合材料生產(chǎn)的某型號慣性測量與導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)件，由于突破了研制出了大尺寸(Φ300mm×150mm)高品質(zhì)制備技術(shù)，所制備的儀表級SiCP/Al 復(fù)合材料在交變溫度場下尺寸穩(wěn)定性可以穩(wěn)定在1 ×10-5以內(nèi)。成功用于某型號的慣性測量與導(dǎo)航系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)件。

圖4 為儀表級SiC/Al 復(fù)合材料撓性平臺關(guān)鍵構(gòu)件，通過對撓性平臺臺體的復(fù)合材料構(gòu)件裝機(jī)測試表明，與鋁合金平臺臺體的進(jìn)行模態(tài)測試和溫度沖擊循環(huán)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)SiC/Al 復(fù)合材料相對鑄鋁材料模態(tài)頻率提高了36%，臺體結(jié)構(gòu)因材料改變使剛度提高較為明顯;同時，通過對兩種材料臺體進(jìn)行高低溫沖擊試驗(yàn)，可以看出在高低溫沖擊試驗(yàn)條件下，復(fù)合材料臺體較之鑄鋁臺體熱穩(wěn)定性好。

表1 幾種主要慣性儀表結(jié)構(gòu)材料的性能指標(biāo)Table．1 Properties comparison of instrument grade SiC/Al composites to conventional materials

圖3 某型號慣性測量與導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)件(儀表級SiC/Al 復(fù)合材料)Fig．3 Inertial measurement and navigation systems structure components (Instrument grade SiC/Al composites)

在高精度液浮陀螺儀上開展了儀表級SiC/Al復(fù)合材料的應(yīng)用研究，圖5 為某型號液浮陀螺儀SiC/Al 復(fù)合材料零件，裝機(jī)測試了半鈹半復(fù)合材料的陀螺儀(框架為鈹材，其余均為復(fù)合材料)，并與LY12 鋁合金陀螺儀進(jìn)行了對比測試，表明，陀螺儀的精度提高了5 倍，逐次漂移精度提高了幾十倍，表明了復(fù)合材料在高精度陀螺儀等精密儀表零部件上應(yīng)用對提高儀表精度效果顯著。

圖4 儀表級SiC/Al 復(fù)合材料撓性平臺關(guān)鍵構(gòu)件Fig．4 Instrument grade SiC / Al composites key components for flexible platform

2 復(fù)合材料在慣性儀表中應(yīng)用的優(yōu)勢分析

2.1 慣性構(gòu)件精度的影響因素

以慣導(dǎo)平臺為例:目前影響精度的因素主要有:1)平臺、框架等結(jié)構(gòu)件彎曲變形;2)振動諧振;3)熱變形及其溫度場等三個主要部分。

(1)彎曲變形(包括彈性彎曲變形)

圖5 高精度陀螺儀SiC/Al 復(fù)合材料零件Fig．5 Instrument grade SiC / Al composites component for High-precision gyroscopes

在框架加工和安裝絕對對稱的條件下，平移變形不會引起誤差。如框架加工和安裝對稱，彎曲變形對誤差的影響也不大，但是絕對對稱的加工和安裝是不存在的，彎曲將引起附加角運(yùn)動，引起較大誤差。所以希望材料具有高的剛度(彈性模量)。

(2)振動變形

振動過載時引起附加誤差，諧振時最為嚴(yán)重。因此希望材料具有一定的阻尼特性，使用鈹材的理由也是因?yàn)殁敳牡淖枘嵯禂?shù)較大的緣故。

(3)熱場影響

在對精度產(chǎn)生影響的幾個因素中，熱影響最大。熱場變化會帶來幾個方面的問題。其一，不同材料的熱脹系數(shù)差別過大必然在溫度變化時產(chǎn)生裝配精度變化、預(yù)緊力變化從而喪失原始精度，所以希望各個零件的熱膨脹系數(shù)相近。各零件中軸承鋼是不可改變的，只有讓其它材料與軸承鋼相近，采用鈹材也是這個道理;其二，材料發(fā)生不可逆微變形。材料在交變溫度場下最容易發(fā)生不可逆形變。其三，熱均勻性問題。為獲得穩(wěn)定的運(yùn)行條件，平臺各部件必須在恒定溫度下工作，恒溫時間長短就成了快速啟動的決定性因素。為此，希望材料的導(dǎo)熱率要大。

正因?yàn)楦鱾€零件又不滿足熱膨脹系數(shù)匹配、高導(dǎo)熱等要求，使溫控系統(tǒng)帶來了復(fù)雜性。

2.2 金屬基復(fù)合材料用于慣導(dǎo)平臺的優(yōu)勢分析

結(jié)構(gòu)件彎曲變形、振動諧振和熱變形及其溫度場這些對精度影響很大，這些問題均可通過對復(fù)合材料有目標(biāo)的設(shè)計(jì)加以改善。例如通過調(diào)整增強(qiáng)體的粒徑、種類和含量，就可以提高材料的剛度、增加材料的阻尼、使構(gòu)件的熱膨脹系數(shù)與配合件相適應(yīng)，以及提高材料的導(dǎo)熱率［8-9］。表1說明，通過調(diào)整復(fù)合材料的組分，在密度確幾乎相當(dāng)?shù)那闆r下，可以使材料CET 調(diào)整到與其它材料(如鈹、不銹鋼、鈦等)相匹配，同時材料的彈性模量可較鋁合金提高1 倍以上，微屈服強(qiáng)度及尺寸穩(wěn)定性均較鈹材高，這一結(jié)果與美國對細(xì)小的35vol% SiC/Al 復(fù)合材料(被稱為儀表級金屬基復(fù)合材料)的性能測試結(jié)果相一致，研究表明，儀表級復(fù)合材料的抗壓縮蠕變性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)由于鈹材。

我們可以從單項(xiàng)誤差因素來粗略地分析使用儀表級金屬基復(fù)合材料對制導(dǎo)精度產(chǎn)生的影響。

(1)抗振抗沖擊

與鋁合金相比，儀表級復(fù)合材料在800 ～2000Hz 頻率下的阻尼系數(shù)要大2 ～3 倍，用于框架、臺體、基座可以大大改善平臺的振動模態(tài)，提高整體抗震能力。

用儀表級復(fù)合材料替代12個不銹鋼軸承座(軸端件)，可以直接減重3.7 kg，大大緩和框架的過載負(fù)擔(dān)，從而提高平臺的抗震能力。同時，也解決了長期沒解決的平臺超重問題。圖6 為采用儀表級SiC/Al 復(fù)合材料制造的軸承座和軸端件，減重效果明顯。另外，由于復(fù)合材料彈性模量比鋁合金高1 倍，抗過載沖擊變形可以較鋁合金提高一倍。

圖6 儀表級復(fù)合材料軸承座和軸端件Fig．6 Instrument grade SiC / Al composites component for bearing and related components

(2)尺寸穩(wěn)定性問題

任何材料都存在尺寸形狀微小變化的特性，特別是在溫度變化的條件下微變形更加劇烈。

通常，鋁合金在加工過程中便邊加工邊變形，邊修整，在存放過程中也要變形。經(jīng)驗(yàn)表明，加工Φ50mm 的鋁合金零件變形在0.01mm，加工鈹材在1 ～2μm，而加工復(fù)合材料的經(jīng)驗(yàn)表明，加工Φ300mm 的2 ～10mm 的慣導(dǎo)安裝板，周邊變形在4 μm 以內(nèi)，復(fù)合材料的尺寸穩(wěn)定性高于鈹材。

在20 ～150℃冷熱沖擊過程中，ZL201 尺寸變化在10-4量級;LY12 在2 × 10-4～6 × 10-5量級;RJY50 鈹材為7 ×10-5～8 × 10-5量級，而復(fù)合材料在0.8 ×10-5～1 × 10-5量級，是鋁合金的近10%。這種不可逆變形直接帶來的是逐次漂移。漂移誤差與變形是近似平方關(guān)系，因此，應(yīng)用復(fù)合材料可使逐次漂移顯著降低。

(3)熱穩(wěn)定性提高

慣性儀表材料希望具有與鋼材匹配的熱膨脹系數(shù)，以保證裝配精度。不銹鋼為12 ×10-6～13×10-6/K，鈹材為11.8 ×10-6/K，復(fù)合材料為11～12 ×10-6/K。2A12 鋁合金的熱膨脹系數(shù)為23.3×10-6/K，與軸承鋼13.3 ×10-6/K 相差77%，可見，鈹材與軸承鋼的熱膨脹系數(shù)相差11.3%，而復(fù)合材料與軸承鋼的差別僅在6%以內(nèi)，因此，這一影響引起的誤差將會減到萬分之幾，儀表級復(fù)合材料熱物理性能具有可替代鈹材的能力。

(4)縮短啟動時間

啟動過程是一個熱均衡和各個零件應(yīng)力和間隙調(diào)整完畢的過程。不銹鋼的導(dǎo)熱率僅為16.3W/(m·`K)，臺體的熱量要由空氣對流和12個不銹鋼軸承座傳導(dǎo)到兩個框架和基座，效率低，導(dǎo)致啟動過慢。鈹材導(dǎo)熱率為150W/ (m·K)，復(fù)合材料與鈹材的導(dǎo)熱率相近，而且熱容量小，那么，框架、軸承座均換成復(fù)合材料之后，有希望使啟動時間大為縮短。

由于慣性儀表的受力環(huán)境不大，所以，應(yīng)用復(fù)合材料可以主要解決熱變形問題;對于臺體、框架，因?yàn)閹缀跛械膬x表都要安裝在臺體上，在過載和振動環(huán)境下，最易發(fā)生微變形和非對稱彈性變形，所以可以解決剛度、振動阻尼、尺寸穩(wěn)定問題;對于軸端件，主要可以解決尺寸穩(wěn)定和減重的問題。

2.3 金屬基復(fù)合材料用于慣導(dǎo)平臺的經(jīng)濟(jì)性分析

儀表級復(fù)合材料應(yīng)用的最大困難是精密加工問題，近年精加工技術(shù)得到了長足的發(fā)展，已經(jīng)制造出高精度的慣性儀表構(gòu)件，復(fù)合材料加工由于需要金剛石刀具，刀具成本較高，但不需要特殊的防護(hù)措施，運(yùn)行成本低，綜合加工成本可低于鈹材［10］。

3 結(jié)論

從國內(nèi)外在慣性儀表選材的歷程，以及國外發(fā)展的趨勢可以看出，金屬基復(fù)合材料用于慣導(dǎo)系統(tǒng)是材料研究與應(yīng)用的發(fā)展方向，也是解決慣性技術(shù)瓶頸問題的有效技術(shù)途徑，付諸實(shí)際應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)“投入少、見效快”的效果。

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