SiC/Al復(fù)合材料在機(jī)載光電穩(wěn)定平臺中的應(yīng)用

程志峰 ，張 葆 ，王平 ，李明 ，李延偉

（1.中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，長春 130033；2.中國科學(xué)院 研究生院，北京 100039）

對于不斷發(fā)展的機(jī)載光電穩(wěn)定系統(tǒng)而言，其結(jié)構(gòu)總體尺寸正朝著小型化、輕量化的方向發(fā)展，系統(tǒng)整體性能則有高可靠、高精度、長壽命等高性能化的要求。鋁合金、鈦合金作為機(jī)載光電穩(wěn)定平臺光機(jī)系統(tǒng)的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)材料已日漸不能滿足先進(jìn)技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)設(shè)計要求：鋁合金具有過高的熱膨脹系數(shù)，即隨著環(huán)境溫度的變化，導(dǎo)致光機(jī)結(jié)構(gòu)的尺寸及其形位精度隨之變化，進(jìn)而影響系統(tǒng)的測量精度、視軸穩(wěn)定和成像質(zhì)量。而鈦合金不僅比重較大，而且因?qū)嵝阅軜O差增加了主動溫控系統(tǒng)的負(fù)荷，使得熱控系統(tǒng)復(fù)雜、裝調(diào)的難度大、周期長，熱控效果差，大范圍高低溫交變下產(chǎn)生的熱光學(xué)誤差較大。另外，鋁合金、鈦合金的彈性模量及比模量偏低，使得系統(tǒng)動/靜剛度及諧振頻率明顯下降，重量增加較多，無法實現(xiàn)輕量化。

高體份SiC/Al復(fù)合材料，能夠集高比模量、高導(dǎo)熱、低膨脹、高尺寸穩(wěn)定性等優(yōu)點于一身。一旦能夠?qū)⑵涞统杀镜刂谱鞒蓹C(jī)載光電平臺光機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)件及功能件，就將以其低膨脹和超高彈性模量的特性有效地改善系統(tǒng)在力、熱載荷作用下的精度穩(wěn)定性，以保證在一定溫度水平下的長期使用中具有良好的成像質(zhì)量，并可望省去傳統(tǒng)光機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計中的某些復(fù)雜環(huán)節(jié)，簡化結(jié)構(gòu)并減輕重量，降低光機(jī)結(jié)構(gòu)的研制周期、難度和成本。該新型材料還能以其超高導(dǎo)熱特性降低光機(jī)結(jié)構(gòu)的時間常數(shù)和熱慣性、保證系統(tǒng)熱控的均勻性，從而較易保持結(jié)構(gòu)的尺寸及形位精度、保證熱環(huán)境下的像質(zhì)［1-4］。

本文利用高體份（55%～57%）SiC/Al復(fù)合材料，制備了機(jī)載光電穩(wěn)定平臺的主承力框架，結(jié)合傳統(tǒng)鋁合金材料框架，對實際結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析，并進(jìn)行了振動試驗，對結(jié)構(gòu)最大變形與結(jié)構(gòu)基頻進(jìn)行了對比。最后，對整個系統(tǒng)的穩(wěn)定精度進(jìn)行了檢測，并通過外場試飛，有效地驗證了系統(tǒng)的可靠性［5-7］。

1 材料的制備及質(zhì)量檢測評價［8，9］

1.1 復(fù)合材料板材的制備

利用無壓浸滲法制備SiC/Al復(fù)合材料內(nèi)框架的基本工藝流程如下:首先，在耐高溫模具中，將SiC顆粒的堆積密度精確在55%～57%內(nèi)。研制了專用的無壓浸滲工藝設(shè)備，該設(shè)備可保證均溫區(qū)直徑高達(dá)1m左右。溫度保持在800℃左右，并充滿氮氣，在無任何外壓情況下保溫幾個小時，最終得到 SiC顆粒堆積體與熔鋁之間的高質(zhì)量的無壓浸滲的復(fù)合材料坯錠。

1.2 材料的微觀組織結(jié)構(gòu)特征

材料的金相照片如圖1所示，黑灰色的SiC顆粒在白色的鋁合金基體中分布均勻，鋁合金基體滲入充分。另外，根據(jù)材料體積密度的實測結(jié)果，復(fù)合材料中SiC顆粒的體份比達(dá)到55%左右。由此可知，盡管在制備過程中，沒有施加任何外力，但在采用專用的設(shè)備和優(yōu)化的工藝參數(shù)，仍得到了與壓力浸滲法相當(dāng)?shù)牟牧腺|(zhì)量。

圖2是材料的透射電鏡照片，表征了符合材料的界面狀態(tài)。材料的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能對界面狀態(tài)很敏感，必須確保沒有任何化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物或界面析出相。本文研究制備的復(fù)合材料達(dá)到了理想的界面狀態(tài)，即原子間匹配良好的物理冶金界面。

圖1 無壓浸滲高體份SiC/Al復(fù)合材料的金相照片F(xiàn)ig.1 OM micrograph of high volume fraction SiC/Al composites fabricated by pressureless infiltration

圖2 無壓浸滲高體份SiC/Al復(fù)合材料界面的TEM像Fig.2 TEM image of the interface of high volume fraction SiC/Al composites fabricated by pressureless infiltration

1.3 材料的物理性能

表1給出了高體份SiC/Al復(fù)合材料與傳統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)材料的性能對比。

表1 傳統(tǒng)光機(jī)結(jié)構(gòu)材料與高體份SiC/Al復(fù)合材料的性能對比Tab.1 Comparison of properties between high volume fraction SiC/Al composites and traditional structural materials for optomechanical system

由表1可知，鋁基復(fù)合材料的密度略高于鋁合金，但僅為鈦合金的2/3；其彈性模量遠(yuǎn)高于鋁合金、鈦合金等；其比模量是鋁合金、鈦合金的三倍。其熱膨脹系數(shù)比鋁合金低 65%，比 45#鋼低32%，；其熱導(dǎo)率比鋁合金高65%，比45#鋼高出三倍。可將高體份 SiC/A1復(fù)合材料的性能優(yōu)勢概括為:熱膨脹最小、熱導(dǎo)率最高、彈性模量最高、比重較小。

1.4 內(nèi)框架的加工及檢驗

為了與鋁合金材料進(jìn)行對比，本文分別制備這兩種材料的無人機(jī)載光電平臺的內(nèi)框架。其中鋁基復(fù)合材料內(nèi)框架的基本加工方法為：平面的獲得及其尺寸與形位公差控制通過在磨床上平磨來實現(xiàn)；板材側(cè)面形狀的獲得通過線切割實現(xiàn)；內(nèi)框架坯錠尺寸為260 mm×159 mm×114 mm，如圖3（a）所示。而鋁合金材料內(nèi)框架則是按照傳統(tǒng)的鑄造方法制備。保證材料內(nèi)部無鑄造砂孔，達(dá)到航空II級別標(biāo)準(zhǔn)，氣孔率≤1%，實物如圖3（b）所示。

圖3 航空光電穩(wěn)定平臺內(nèi)框架Fig.3 Inner frame of aviation photoelectric stable platform

2 框架結(jié)構(gòu)的有限元分析［10］

2.1 光電平臺主承力框架靜力學(xué)分析

通過UG軟件建立結(jié)構(gòu)的三維模型，直接進(jìn)入結(jié)構(gòu)分析模塊，首先對結(jié)構(gòu)進(jìn)行理想化，去除對分析結(jié)果影響很小的通孔、螺紋孔等，并對圓角、倒角進(jìn)行適當(dāng)?shù)氖÷浴?/p>

進(jìn)行網(wǎng)格劃分時，盡量使單元大小統(tǒng)一以兼顧有限元網(wǎng)格協(xié)調(diào)性的要求，對結(jié)構(gòu)重點關(guān)注的軸孔處進(jìn)行了手工的網(wǎng)格細(xì)化。結(jié)構(gòu)整體厚度比較均勻，統(tǒng)一采用六面體實體網(wǎng)絡(luò)。框架分別選用鋁合金和鋁基復(fù)合材料進(jìn)行分析。整個框架共劃分為8028個單元，16891個節(jié)點。

結(jié)構(gòu)實際工況包括

1.載荷 1：自重載荷，其中包括框架本身的重力與三個傳感器的重量所施加在框架上產(chǎn)生的載荷。

2.載荷 2：內(nèi)框架受直流力矩電機(jī)驅(qū)動產(chǎn)生的扭矩。依據(jù)所選電機(jī)的堵轉(zhuǎn)扭矩來定義，取電機(jī)堵轉(zhuǎn)力矩值M=0.4 N.m。

圖4給出了加載后的內(nèi)框架有限元模型圖。

圖4 加載后內(nèi)框架有限元模型圖Fig.4 Loaded inner frame FEM graphics

圖5給出了分析得到的框架位移和應(yīng)力變形云紋圖。與鋁合金材料相比，采用鋁基復(fù)合材料后結(jié)構(gòu)最大變形0.0416mm降至0.0133mm。保證了系統(tǒng)變形量在允許范圍之內(nèi)，變形量的減小提高了系統(tǒng)視軸的穩(wěn)定性，同時保證了有效載荷視軸平行度。

圖5 有限元分析結(jié)果云紋圖Fig.5 Cloud map of finite element analysis results

2.2 光電平臺主承力框架動力學(xué)特性研究

為保證機(jī)載光電穩(wěn)定系統(tǒng)具有良好的成像質(zhì)量，要求光機(jī)結(jié)構(gòu)必須具有良好的動態(tài)剛度。衡量結(jié)構(gòu)動態(tài)剛度的指標(biāo)是結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型。因此有必要對框架進(jìn)行模態(tài)分析。

表2列出了內(nèi)框架的前2階固有頻率，應(yīng)用復(fù)合材料后的結(jié)構(gòu)基頻由73 Hz提高至123Hz，提高了將近70%。同時，與之相對應(yīng)的振型表明，結(jié)構(gòu)共振后的變形程度也有明顯的減小。

表2 前兩階固有頻率(單位：hz)Tab.2 The first two natural frequencies(Unit:hz)

2.3 環(huán)境試驗情況

在環(huán)境試驗站進(jìn)行了框架正弦振動試驗。將兩種材料的框架同時裝載在振動平臺上做振動試驗在20～500HZ頻域范圍內(nèi)，加載低頻掃描，幅值為2g。分別做兩個方向，兩個循環(huán)，每個循環(huán)15min。

將傳感器分別粘在通過有限元分析預(yù)知的最大變形的部分，同時振動平臺上布置三個傳感器來合成整個平臺本身的振動，以做參照得出框架的振動曲線。圖6和圖7是兩種材料的框架在 x、y方向的振動工作圖。

通過對平臺框架所做的振動分析，得出振動曲線。得到的結(jié)構(gòu)基頻和有限元分析結(jié)果相對比，誤差很小

表3列出了試驗得到的兩種材料的內(nèi)框架的前兩階固有頻率。

表3 前兩階固有頻率(單位：hz)Tab.3 The first two natural frequencies(Unit:hz)

圖6 X向振動工作圖Fig.6 X direction vibration test

圖7 Y向振動工作圖Fig.7 Y direction vibration test

對以上的表格數(shù)據(jù)分析可知，試驗的數(shù)值和有限元分析得到的結(jié)果差別不大，其中復(fù)合材料在制備過程中，預(yù)埋件影響到了二者的數(shù)值。總體而言，鋁基復(fù)合材料的基頻遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于鋁合金材料，結(jié)構(gòu)的動剛度得以很大程度的提升，表明這種新的材料的選用能達(dá)到要求的，實際使用中復(fù)合材料相較于傳統(tǒng)的鋁合金材料有很大的優(yōu)勢。

3 系統(tǒng)穩(wěn)定精度檢測及外場試飛

3.1 穩(wěn)定精度檢測

系統(tǒng)的方位穩(wěn)定精度為20urad，達(dá)到了國內(nèi)領(lǐng)先水平，系統(tǒng)有效載荷光軸不平行度為0.1mrad，這得益于鋁基復(fù)合材料低膨脹及超高彈性模量的特性在平臺的內(nèi)框架方面的應(yīng)用，有效地改善了系統(tǒng)在力、熱載荷作用下的精度穩(wěn)定性。

3.2 外場試飛驗收

先后制備了6臺套光電穩(wěn)定平臺，并全部通過考核定型試飛。試飛過程中，系統(tǒng)整機(jī)工作可靠，無故障出現(xiàn)。順利的通過了外場驗收。

4 結(jié)論

1.成功的采用無壓浸滲復(fù)合新方法和自行研制的專用工藝設(shè)備，用高體份SiC/Al復(fù)合材料制備了無人機(jī)載光電穩(wěn)定平臺的內(nèi)框架，材料制件殘余應(yīng)力很小，焊縫質(zhì)量良好，材料的總體性能達(dá)到了國際先進(jìn)水平。

2.得益于該材料優(yōu)異的結(jié)構(gòu)承載功能及卓越的熱控功能，結(jié)構(gòu)的平均諧振頻率提高大約68%，最大變形量減少了65%。系統(tǒng)有效載荷光軸不平行度為0.1mrad，穩(wěn)定精度為20rad，達(dá)到國內(nèi)領(lǐng)先水平。

3.提高了航空光電穩(wěn)定平臺在力/熱雙重載荷作用下的輕量化目標(biāo)，并保證了系統(tǒng)精度穩(wěn)定性，有效載荷的使用空間顯著增大，鋁基復(fù)合材料可替代鋁合金、鈦合金用作航空光電平臺升降盤、安裝盤、主承力框架、基板等關(guān)鍵構(gòu)件。

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