武高輝，姜龍濤，陳國(guó)欽，芶華松，張 強(qiáng)，修子揚(yáng)

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

0 引言

目前我國(guó)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(wú)法解決的問(wèn)題［1］。鈹材的應(yīng)用技術(shù)是一個(gè)國(guó)外曾經(jīng)驗(yàn)證過(guò)的成功的技術(shù)，是可行的［2］，但是，鈹材的毒性問(wèn)題、成本問(wèn)題也是一個(gè)現(xiàn)實(shí)問(wèn)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(jí)、儀表級(jí)和光學(xué)級(jí)三類。其中儀表級(jí)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(guó)自“十五”開(kāi)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(jí)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(kāi)始。

1 高精度慣性儀表材料的國(guó)內(nèi)外發(fā)展歷程

1.1 國(guó)外儀表級(jí)復(fù)合材料應(yīng)用進(jìn)展

國(guó)外陀螺儀表材料發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)階段:20世紀(jì)50年代，美、蘇等國(guó)主要采用鋁合金，進(jìn)入60年代開(kāi)始采用鈹材，1964年，美國(guó)研制成功全鈹慣性平臺(tái)ST-124［3］。使陀螺儀精度提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。有研究者將專門用來(lái)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(jí)復(fù)合材料”。1981年這種材料被首次制造出來(lái)，1984年儀表級(jí)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(cè)量單元(圖1)［4］。這些儀表級(jí)復(fù)合材料部件被精確的鍛造成網(wǎng)狀，同時(shí)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(guó)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(shì)，在有更高精度要求的慣性儀表中開(kāi)始應(yīng)用。美國(guó)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(lái)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(jí)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(jí)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(jí)金屬基復(fù)合材料制成，制成以后，每個(gè)ULW 望遠(yuǎn)鏡的總重量為4.5 kg。1999年美國(guó)在三叉戟-II 導(dǎo)彈高精度陀螺儀零件上使用了儀表級(jí)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(jí)的望遠(yuǎn)鏡樣機(jī)［4］Fig．2 Prototype ultra-lightweight (ULW)telescope incorporatingMMC materials ［4］．

1.2 國(guó)內(nèi)儀表級(jí)SiC/Al 復(fù)合材料應(yīng)用進(jìn)展

作者二十多年來(lái)，在儀表級(jí)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(jí)SiC/Al 復(fù)合材料制備、穩(wěn)定化原理及工藝研究和儀表級(jí)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(jí)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(duì)比如表1 所示，可見(jiàn)，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(jí)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(jí)。這種儀表級(jí)復(fù)合材料已經(jīng)通過(guò)的軍品質(zhì)量認(rèn)證，并得到了武器裝備生產(chǎn)許可，已開(kāi)始小批量供應(yīng)，這標(biāo)志著我國(guó)慣性儀表材料更新?lián)Q代的開(kāi)始。

圖3 為采用儀表級(jí)SiC/Al 復(fù)合材料生產(chǎn)的某型號(hào)慣性測(cè)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(jí)SiCP/Al 復(fù)合材料在交變溫度場(chǎng)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(hào)的慣性測(cè)量與導(dǎo)航系統(tǒng)主體結(jié)構(gòu)件。

圖4 為儀表級(jí)SiC/Al 復(fù)合材料撓性平臺(tái)關(guān)鍵構(gòu)件，通過(guò)對(duì)撓性平臺(tái)臺(tái)體的復(fù)合材料構(gòu)件裝機(jī)測(cè)試表明，與鋁合金平臺(tái)臺(tái)體的進(jìn)行模態(tài)測(cè)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(duì)鑄鋁材料模態(tài)頻率提高了36%，臺(tái)體結(jié)構(gòu)因材料改變使剛度提高較為明顯;同時(shí)，通過(guò)對(duì)兩種材料臺(tái)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(tái)體較之鑄鋁臺(tái)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(hào)慣性測(cè)量與導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)件(儀表級(jí)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(kāi)展了儀表級(jí)SiC/Al復(fù)合材料的應(yīng)用研究，圖5 為某型號(hào)液浮陀螺儀SiC/Al 復(fù)合材料零件，裝機(jī)測(cè)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(duì)比測(cè)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(duì)提高儀表精度效果顯著。

圖4 儀表級(jí)SiC/Al 復(fù)合材料撓性平臺(tái)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(shì)分析

2.1 慣性構(gòu)件精度的影響因素

以慣導(dǎo)平臺(tái)為例:目前影響精度的因素主要有:1)平臺(tái)、框架等結(jié)構(gòu)件彎曲變形;2)振動(dòng)諧振;3)熱變形及其溫度場(chǎng)等三個(gè)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(duì)對(duì)稱的條件下，平移變形不會(huì)引起誤差。如框架加工和安裝對(duì)稱，彎曲變形對(duì)誤差的影響也不大，但是絕對(duì)對(duì)稱的加工和安裝是不存在的，彎曲將引起附加角運(yùn)動(dòng)，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(dòng)變形

振動(dòng)過(guò)載時(shí)引起附加誤差，諧振時(shí)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(chǎng)影響

在對(duì)精度產(chǎn)生影響的幾個(gè)因素中，熱影響最大。熱場(chǎng)變化會(huì)帶來(lái)幾個(gè)方面的問(wèn)題。其一，不同材料的熱脹系數(shù)差別過(guò)大必然在溫度變化時(shí)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(gè)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(gè)道理;其二，材料發(fā)生不可逆微變形。材料在交變溫度場(chǎng)下最容易發(fā)生不可逆形變。其三，熱均勻性問(wèn)題。為獲得穩(wěn)定的運(yùn)行條件，平臺(tái)各部件必須在恒定溫度下工作，恒溫時(shí)間長(zhǎng)短就成了快速啟動(dòng)的決定性因素。為此，希望材料的導(dǎo)熱率要大。

正因?yàn)楦鱾€(gè)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(lái)了復(fù)雜性。

2.2 金屬基復(fù)合材料用于慣導(dǎo)平臺(tái)的優(yōu)勢(shì)分析

結(jié)構(gòu)件彎曲變形、振動(dòng)諧振和熱變形及其溫度場(chǎng)這些對(duì)精度影響很大，這些問(wèn)題均可通過(guò)對(duì)復(fù)合材料有目標(biāo)的設(shè)計(jì)加以改善。例如通過(guò)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(shuō)明，通過(guò)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(shí)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(guó)對(duì)細(xì)小的35vol% SiC/Al 復(fù)合材料(被稱為儀表級(jí)金屬基復(fù)合材料)的性能測(cè)試結(jié)果相一致，研究表明，儀表級(jí)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(lái)粗略地分析使用儀表級(jí)金屬基復(fù)合材料對(duì)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(jí)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(tái)體、基座可以大大改善平臺(tái)的振動(dòng)模態(tài)，提高整體抗震能力。

用儀表級(jí)復(fù)合材料替代12個(gè)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(guò)載負(fù)擔(dān)，從而提高平臺(tái)的抗震能力。同時(shí)，也解決了長(zhǎng)期沒(méi)解決的平臺(tái)超重問(wèn)題。圖6 為采用儀表級(jí)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(guò)載沖擊變形可以較鋁合金提高一倍。

圖6 儀表級(jí)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(wèn)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(guò)程中便邊加工邊變形，邊修整，在存放過(guò)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(guò)程中，ZL201 尺寸變化在10-4量級(jí);LY12 在2 × 10-4～6 × 10-5量級(jí);RJY50 鈹材為7 ×10-5～8 × 10-5量級(jí)，而復(fù)合材料在0.8 ×10-5～1 × 10-5量級(jí)，是鋁合金的近10%。這種不可逆變形直接帶來(lái)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(jiàn)，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(huì)減到萬(wàn)分之幾，儀表級(jí)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(dòng)時(shí)間

啟動(dòng)過(guò)程是一個(gè)熱均衡和各個(gè)零件應(yīng)力和間隙調(diào)整完畢的過(guò)程。不銹鋼的導(dǎo)熱率僅為16.3W/(m·`K)，臺(tái)體的熱量要由空氣對(duì)流和12個(gè)不銹鋼軸承座傳導(dǎo)到兩個(gè)框架和基座，效率低，導(dǎo)致啟動(dòng)過(guò)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(dòng)時(shí)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(wèn)題;對(duì)于臺(tái)體、框架，因?yàn)閹缀跛械膬x表都要安裝在臺(tái)體上，在過(guò)載和振動(dòng)環(huán)境下，最易發(fā)生微變形和非對(duì)稱彈性變形，所以可以解決剛度、振動(dòng)阻尼、尺寸穩(wěn)定問(wèn)題;對(duì)于軸端件，主要可以解決尺寸穩(wěn)定和減重的問(wèn)題。

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

儀表級(jí)復(fù)合材料應(yīng)用的最大困難是精密加工問(wèn)題，近年精加工技術(shù)得到了長(zhǎng)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(guó)內(nèi)外在慣性儀表選材的歷程，以及國(guó)外發(fā)展的趨勢(shì)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(wèn)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(jiàn)效快”的效果。

［1］楊德明，潘進(jìn)，卓鉞，萬(wàn)紅，費(fèi)肖卿，尹新方. SiCf + p/LY12 復(fù)合材料口蓋板的制備與結(jié)構(gòu)剛度［J］. 宇航學(xué)報(bào)，1999，20 (1):99 ～103. ［YANG De- ming，PAN Jin，ZHUO Yue，WAN Hong，F(xiàn)EI Xiao- qing，YIN Xin- fang.Preparation and structural stiffness of hybrid SiC reinforced aluminum composite hatch cover plate ［J］. Journal of Astronautics，1999，20 (1):99 ～103.］

［2］Hany F. Mokbel，Wan Yuan，LvQiong Ying，Cao Guo Hua，Amr A. Roshdy. Research on the mechanical design of two-axis fast steering mirror for optical beam guidance［C］. Proceedings of 2012 International Conference on Mechanical Engineering and Material Science (MEMS 2012). 2012:205 ～209.

［3］W. D. WOOD，C. L. COFFIN. Hemispherical total-emittance measurement in the temperature range 175 to 350 k for selected thermal- control and corrosion- protection coatings ［C］.AIAA 3rd Aerospace Sciences Meeting. New York，USA，1966.18.

［4］Walter R. Mohn，Daniel Vukobratovich. Recent applications of metal matrix composites in precision instruments and optical systems ［J］. Optical Engineering，1988，27 (2):225 ～235.

［5］A. P. Divecha，S. D. Karmarkar，M. N. Gungor，A. H. Nakagawa. Structures and mechanical properties of centrifugally cast SiC/Al composites［J］. Technical Digest，1993:42 ～51.

［6］JinfengLeng，Gaohui Wu，Qingbo Zhou，Zuoyong Dou，XiaoLi Huang. Mechanical properties of SiC/Gr/Al composites fabricated by squeeze casting technology ［J］. ScriptaMaterialia，2008，59 (6):619 ～622.

［7］Qiang Zhang，Gaohui Wu，Longtao Jiang，Guoqin Chen. Thermal expansion and dimensional stability of Al – Si matrix composite reinforced with high content SiC ［J］. Materials Chemistry and Physics，2003，82 (3):780 ～785.

［8］Qiang Zhang，Gaohui Wu，Guoqin Chen，Longtao Jiang，Bofeng Luan. The thermal expansion and mechanical properties of high reinforcement content SiCp/Al composites fabricated by squeeze casting technology. Composites Part A:Applied Science and Manufacturing.

［9］Qiang Zhang，Gaohui Wu，Dongli Sun，Guoqin Chen，Longtao Jiang. Microstructure and thermal conduction properties of an Al-12Si matrix composite reinforced with dual sized SiC particles.Journal of Materials Science，2004，39 (1):303 ～305.

［10］JinfengLeng，Longtao Jiang，Qiang Zhang，Gaohui Wu，Dongli Sun，Qingbo Zhou. Study of machinableSiC/Gr/Al composites.Journal of Materials Science，2008，43 (19):6495 ～6499.