用SiC/Al复合材料制备高精度惯性器件

航天飞行器的高制导精度对陀螺仪等惯性器件的尺寸稳定性要求越来越高，理想的惯性器件材料应具有高弹性模量，高微屈服强度，高动态尺寸稳定性，与钢相匹配的热膨胀系数，高导热率以及易于精密加工等性能。第一代惯性器件材料是由铝合金制成的，由于弹性模量低，微屈服强度低，热膨胀系数大，动态尺寸稳定性差等缺点，已不能满足惯性系统高精度的要求。国外于上世纪70年代初开始使用铍材制作第二代惯性器件材料，使陀螺仪表的精度提高了一个数量级，但铍材存在毒、贵、脆等本质缺陷。新的研究开发出第三代惯性仪表材料，采用SiC/Al复合材料。该复合材料具有高弹性模量，与钢相匹配的热膨胀系数，比铍高的微屈服抗力，但其设计原理，成分配比以及稳定化处理工艺都未见公开报道。

　　我国哈尔滨工业大学材料科学与工程学院在详细研究了铝合金尺寸稳定性基本原理的基础上，研发出了我国具有完全自主知识产权、达到国外仪表级水平的高精度惯性器件材料。他们的研究表明，析出相析出引起的比容变化，位错运动和热残余应力的释放是导致铝合金尺寸发生变化的主要原因。在此基础上，结合惯性仪表材料的性能要求，确定了以下设计要素:

（1）组织稳定:位错密集而形态稳定；

（2）相稳定:设计合金成分应使析出相比容变化小，在服役之前的处理中使时效析出充分，抑制界面反应；

（3）应力稳定:材料的宏观应力、微观应力都要均匀且稳定；

（4）材料微屈服强度要高；

（5）界面洁净、结合良好；

（6）晶粒细化；

（7）优良的热处理性能。

   在这些要素中，设计的首要条件是采用细小的硬质颗粒（SiC）强化，它带来的效果有：

（1）微屈服强度提高。

（2）残余应力均匀化。研究表明，当细小强化颗粒的尺寸大于一定尺寸之后便丧失了尺寸稳定性特性，主要原因是微观热错配应力大。在相同的体积分数下，颗粒尺寸减小10倍，颗粒密度增加1000倍，颗粒间距减小100倍，弥散度大大增加，复合材料中增强颗粒边界的热残余应力分布就能大为均匀，微观应力集中得到大大缓解。

（3）颗粒界面结合强度提高。颗粒越小表面积越大，这给予基体金属的界面结合提供了更大的概率。

（4）减小应变集中。颗粒越细小，基体被硬质点分割得越细，从而在微变形过程中的应变分布更加均匀。此外，采用恰当的热处理工艺，一方面使析出相充分且细小弥散析出，另一方面使位错缠结演化为胞状位错，减少可动位错的运动距离，从而提高材料的相稳定和组织稳定性。

　　根据上述设计思想，哈尔滨工业大学研制出了高精度惯性器件用的SiC/Al复合材料，其在交变温度下的尺寸稳定性比铝合金高出一个数量级，而且优于铍材；其微屈服强度高于国外进口的铍材制的第二代惯性仪表材料，已经达到仪表级的高精度惯性器件材料的要求。