冷热循环下铝基复合材料构件尺寸稳定性影响因素研究

目的研究高精度仪器结构件在冷热变化过程中的尺寸变化原理和关键影响因素。方法采用粉末冶金法制备25%(体积分数)SiC/2009Al复合材料锻件,并加工出典型零件。研究了退火工艺对材料组织和性能的影响规律以及−45~65℃的冷热循环过程对零件尺寸精度的影响,并采用代表性体积单元模型和有限元方法分析了复合材料微区应力演化行为及其对材料尺寸稳定性的影响。结果SiC颗粒与铝基体线膨胀系数的差异会导致复合材料在制备过程中产生大量热错配位错。退火过程会显著减少铝基体中的位错数量,有助于提升材料的尺寸稳定性,但对材料的力学性能没有明显的影响。在−45~65℃下冷热循环720次,零件典型平面的平面度没有明显变化。结论冷热循环过程会在一定程度上影响颗粒与基体之间的应力分配,多次循环后复合材料微区应力-应变没有明显改变,因此零件的平面度没有明显变化。

SiCp/Al复合材料热循环后尺寸稳定性

采用无压渗透法制备了SiCp/Al复合材料,经过不同预处理,以及含不同组元的SiCp/Al复合材料,在热机械分析仪中进行20～180℃热循环,测试复合材料热循环后的长度变化。以单位长度的变化,即残余应变来分析热循环后尺寸稳定性。结果表明,SiCp/Al复合材料在热循环后会产生残余应变,残余应变随热循环次数增加而减小,尺寸趋于稳定。预处理的不同,热循环后残余应变也不同,冷热循环预处理的热循环后残余应变最小。SiCp/Al复合材料中颗粒尺寸较大以及基体较硬,则复合材料热循环后尺寸稳定性也较高。

惯性仪表精度漂移的材料问题与尺寸稳定性复合材料设计

陀螺、加速度计等惯性器件是高精度传感器,对零件的微小变形有着极其敏感的反应。因此,惯性器件材料的尺寸稳定性问题一直是提高精度的关键。作者长期研究发现,惯性仪表精度及其稳定性在结构设计确定的情况下与加工、装配有关,但是本质性的因素是材料在长期温度扰动下的"变形""变性""变质"问题。我国关于惯性器件材料尺寸稳定性的研究十分薄弱,材料与工艺技术已经成为制约仪表精度的"卡脖子"问题。本文重点介绍了材料"变形"即在温度扰动下微纳变形的研究结果。首先分析了惯性器件的服役环境以及该服役环境下的材料响应,从而提出复合材料尺寸稳定性设计的基本原理。通过材料设计,为解决低频谐振、复杂结构热应力变形、动载荷弹性变形、长期静载荷微纳米级变形、长期储存下材料时效自发变形等问题提供了有效的材料设计方案。设计制备的仪表级SiC/Al复合材料在核心关键指标上优于铍材,在"高新工程"、"北斗工程"等重大工程中显示出优异的技术效果。