SiC/Al複合材料製備高精度慣性器件

航天飛行器的高制導精度對陀螺儀等慣性器件的尺寸穩定性要求越來越高，理想的慣性器件材料應具有高彈性模量，高微屈服強度，高動態尺寸穩定性，與鋼相匹配的熱膨脹係數，高導熱率以及易於精密加工等性能。

第一代慣性器件材料是由鋁合金製成的，由於彈性模量低，微屈服強度低，熱膨脹係數大，動態尺寸穩定性差等缺點，已不能滿足慣性系統高精度的要求。國外於上世紀70年代初開始使用鈹材製作第二代慣性器件材料，使陀螺儀錶的精度提高了一個數量級，但鈹材存在毒、貴、脆等本質缺陷。

新的研究開發出第三代慣性儀錶材料，採用SiC/Al複合材料。該複合材料具有高彈性模量，與鋼相匹配的熱膨脹係數，比鈹高的微屈服抗力，但其設計原理，成分配比以及穩定化處理工藝都未見公開報道。

我國哈爾濱工業大學材料科學與工程學院在詳細研究了鋁合金尺寸穩定性基本原理的基礎上，研發出了我國具有完全自主知識產權、達到國外儀錶級水平的高精度慣性器件材料。

他們的研究表明，析出相析出引起的比容變化，位錯運動和熱殘餘應力的釋放是導致鋁合金尺寸發生變化的主要原因。在此基礎上，結合慣性儀錶材料的性能要求，確定了以下設計要素:

（1）組織穩定:位錯密集而形態穩定；

（2）相穩定:設計合金成分應使析出相比容變化小，在服役之前的處理中使時效析出充分，抑制界面反應；

（3）應力穩定:材料的宏觀應力、微觀應力都要均勻且穩定；

（4）材料微屈服強度要高；

（5）界面潔凈、結合良好；

（6）晶粒細化；

（7）優良的熱處理性能。

在這些要素中，設計的首要條件是採用細小的硬質顆粒（SiC）強化，它帶來的效果有：

（1）微屈服強度提高。

（2）殘餘應力均勻化。研究表明，當細小強化顆粒的尺寸大於一定尺寸之後便喪失了尺寸穩定性特性，主要原因是微觀熱錯配應力大。在相同的體積分數下，顆粒尺寸減小10倍，顆粒密度增加1000倍，顆粒間距減小100倍，彌散度大大增加，複合材料中增強顆粒邊界的熱殘餘應力分布就能大為均勻，微觀應力集中得到大大緩解。

（3）顆粒界面結合強度提高。顆粒越小表面積越大，這給予基體金屬的界面結合提供了更大的概率。

（4）減小應變集中。顆粒越細小，基體被硬質點分割得越細，從而在微變形過程中的應變分布更加均勻。此外，採用恰當的熱處理工藝，一方面使析出相充分且細小彌散析出，另一方面使位錯纏結演化為胞狀位錯，減少可動位錯的運動距離，從而提高材料的相穩定和組織穩定性。

根據上述設計思想，哈爾濱工業大學研製出了高精度慣性器件用的SiC/Al複合材料，其在交變溫度下的尺寸穩定性比鋁合金高出一個數量級，而且優於鈹材；其微屈服強度高於國外進口的鈹材制的第二代慣性儀錶材料，已經達到儀錶級的高精度慣性器件材料的要求。

責任編輯：葛海馳

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！