Проблемы с материалами, влияющие на долговременную стабильность точности MEMS-гироскопа, и меры противодействия
Dec 23, 2024
Ключевые моменты**Продукт:** МЭМС-гироскоп для инерциальных приборов**Функции:**– **Материалы:** металлические сплавы, функциональные материалы, органические полимеры, неорганические неметаллы.– **Влияющие на стабильность:** микроскопические дефекты, размер зерен, текстура, внутреннее напряжение.– **Воздействие на окружающую среду:** На производительность влияют перегрузки, вибрация и циклическое изменение температуры.– **Регулирование микроструктуры:** Использование композитов SiC/Al для уменьшения плотности дислокаций и повышения прочности.**Преимущества:** Повышает долговременную точность и стабильность, индивидуальный контроль микроструктуры обеспечивает надежность в различных условиях, что имеет решающее значение для приложений в аэрокосмической отрасли и точной каротажа.В последние годы, в связи с быстрым развитием нефтяной каротажа, аэрокосмической, горнодобывающей, геодезической, картографической и других областей, точность и долговременная стабильность прецизионных инструментов, таких как гироскоп MEMS, становятся все более и более актуальными. Исследования показали, что размерная нестабильность материалов является одной из основных причин плохой точности и стабильности инерциальных приборов. Стабильность размеров отличается от теплового расширения или термоциклирования. Это основной показатель производительности материалов прецизионных механических деталей, который относится к способности деталей сохранять свой первоначальный размер и форму в конкретной среде.Материал инерциального прибора на основе MEMS-гироскопаСуществует четыре основных типа материалов компонентов инерциальных приборов: один — металл (например, алюминий и алюминиевый сплав, нержавеющая сталь, медь и медный сплав, титановый сплав, бериллий, золото и т. д.) и его композиционные материалы; Во-вторых, функциональные материалы (такие как магнитомягкий сплав железо-никель, магнитотвердый сплав самарий-кобальт, магнитотвердый сплав Al-никель-кобальт и т. д.); В-третьих, органические полимеры (такие как политетрафторэтилен, каучук, эпоксидная смола и др.); Четвертая — неорганические неметаллы (например, кварцевое стекло, обрабатываемая керамика и т. д.), среди которых наибольшее количество — металл и его композиционные материалы.В последние годы мы добились прорыва в области высокоточного механической обработки и технологии сборки без напряжений, но мы по-прежнему обнаруживаем, что после поставки инструмента происходит медленное снижение точности и невозможность достижения долгосрочной стабильности. Фактически, после определения конструкции конструкции, процесса обработки деталей и сборки, долговременная стабильность точности прибора зависит от внутренних характеристик материала.Внутренние свойства материала (такие как микроскопические дефекты, вторая фаза, размер зерна, текстура и т. д.) напрямую влияют на стабильность размеров материала. Кроме того, материал прибора также будет претерпевать необратимые размерные изменения при взаимодействии с внешней средой (полем напряжений, температурным полем и временем и т. д.). На рисунке 1 показана зависимость точности инерциального прибора от условий эксплуатации, микроструктуры материала и изменения размеров. Если взять в качестве примера гироскоп MEMS, то условия его работы и условия хранения влияют на стабильность размеров материала. Даже если МЭМС-гироскоп имеет систему контроля температуры, если микроструктура самого материала нестабильна, имеется метастабильная вторая фаза или имеются макро/микроостаточные напряжения во время сборки, точность прибора будет дрейфовать.Рисунок 1. Зависимость точности инерциальных приборов от условий эксплуатации, микроструктуры и изменений размеров.Факторы, влияющие на материальные измененияВнутренние свойства материалов МЭМС-гироскопов в основном включают микроскопические дефекты, вторую фазу, зерно, текстуру, внутреннее напряжение и т. д. Внешние факторы окружающей среды в основном взаимодействуют с внутренними свойствами, вызывая изменения размеров.1. Плотность и морфология микроскопических дефектов.К микроскопическим дефектам в металлах и сплавах относятся вакансии, дислокации, двойники и границы зерен и т. д. Дислокация — наиболее типичная форма микроскопического дефекта, под которым понимают дефекты, образующиеся при неравномерном расположении атомов в правильно расположенных кристаллах, например отсутствие или увеличение полуатомной плоскости краевой дислокации. Из-за того, что дислокация создает свободный объем в идеальных кристаллах, это приводит к изменению размеров материала, как показано на рисунке 2. Однако в случае того же числа атомов наличие дислокации приводит к появлению свободного объема вокруг атомов, что приводит к появлению свободного объема вокруг атомов. отражается на увеличении размера сплава.Рис. 2. Схема влияния плотности микроскопических дефектов в материалах на размер материала.2. Влияние зерна и текстуры на стабильность.Связь между деформацией ε металла или сплава под действием приложенного напряжения σ и размером зерна d материала, плотностью ρ подвижной дислокации, напряжением σ0, необходимым для зарождения первой дислокации, и модулем сдвига G материал получен:Из формулы видно, что измельчение зерна может снизить возникающую деформацию, что также является основным направлением регулирования микроструктуры в процессе стабилизации.Кроме того, в реальном производстве при использовании прессованных прутков и листового проката для обработки прецизионных деталей приборов также необходимо обращать внимание на анизотропию материала, как показано на рисунке 3. В качестве примера рассмотрим сплав 2024Al для корпуса механического гироскопа. , рама на рисунке 3(a) обычно изготовлена из экструдированного прутка из алюминиевого сплава 2024. Из-за большой пластической деформации зерна будут демонстрировать предпочтительную ориентацию, образуя текстуру, как показано на рисунках 3 (b) и (c). Текстура относится к состоянию, в котором ориентация кристаллов поликристаллического материала значительно отклоняется от случайного распределения.Рисунок 3. Микроструктура стержня из сплава 2024Al для корпусов механических гироскопов.Товары в статье3. Влияние окружающей среды на стабильность размеров материалов. В целом, инерциальные инструменты должны поддерживать долговременную стабильность точности в таких условиях, как большие перегрузки, вибрация и удары, а также циклическое изменение температуры, что выдвигает более жесткие требования к стабилизации микроструктуры и свойств материалов. Если взять в качестве примера композиты SiC/2024Al приборного качества, то долговременная стабильность размеров достигается за счет процесса стабилизации при производстве инерционных приборных конструкций. Результаты показывают, что амплитуда изменения размера (~ 1,5×10-4), вызванная процессом выдержки при постоянной температуре композита SiC/чистый алюминий (на изменение размера влияет только внутреннее напряжение), больше, чем у алюминиевого сплава. процесс выдерживания постоянной температуры (на изменение размеров влияет только осадок старения) (~ -0,8×10-4). Когда матрица становится алюминиевым сплавом, влияние внутреннего напряжения композита на изменение размеров будет еще больше усиливаться, как показано на рисунке 4. Кроме того, в разных условиях эксплуатации тенденция изменения внутреннего напряжения одного и того же материала различна. , и даже будет показана противоположная тенденция изменения размера. Например, композиты SiC/2024Al производят снятие напряжения сжатия при постоянной температуре 190 ° C, а размер увеличивается, тогда как снятие напряжения растяжения происходит при 500 холодных и горячих ударах при температуре -196 ~ 190 ° C, а размер уменьшается.Поэтому при проектировании и использовании алюминиево-матричных композитов необходимо полностью проверять их эксплуатационную температурную нагрузку, исходное напряженное состояние и тип матричного материала. В настоящее время идея разработки процесса, основанная на стабилизации напряжений, заключается в проведении холодного и термического удара в диапазоне рабочих температур, снятии внутреннего напряжения, формировании большого количества стабильных дислокационных структур внутри композиционного материала и стимулировании большого количества вторичных выделений. .Рисунок 4. Изменения размеров алюминиевых сплавов и композитов при старении при постоянной температуре.Мероприятия по улучшению размерной стабильности компонентов1. Регулирование и оптимизация микродефектовВыбор новой системы материалов является эффективным способом борьбы с микродефектами. Например, использование приборных композитов SiC/Al, керамических частиц SiC для закрепления дислокации в алюминиевой матрице, уменьшения плотности подвижных дислокаций или изменения типа дефекта в металле. На примере композитов SiC/Al исследования показывают, что при уменьшении среднего расстояния между керамическими частицами в композитах до 250 нм можно получить композит с дефектом слоя, а предел упругости композита с дефектом слоя составляет 50 нм. % выше, чем у композита без дефектов слоев, как показано на рисунке 5.Рисунок 5. Два типа морфологии композитного материала.Следует отметить, что при разработке технологического маршрута организационного контроля необходимо также выбирать соответствующую материальную систему и параметры холодового и термоударного процесса в сочетании с напряжёнными условиями и диапазоном рабочих температур среды эксплуатации инерциальных приборов. В прошлом выбор системы материалов и параметров процесса основывался на опыте и большом количестве данных о производительности, что приводило к недостаточной теоретической основе для проектирования процесса из-за отсутствия поддержки микроструктуры. В последние годы, благодаря постоянному развитию технологий аналитического тестирования, количественная или полуколичественная оценка плотности и морфологии микроскопических дефектов может быть достигнута с помощью рентгеновского дифрактометра, сканирующего электронного микроскопа и просвечивающего электронного микроскопа, который обеспечивает техническую поддержку материалов. оптимизация системы и проверка процессов. 2. Регулирование зерна и текстуры Влияние текстуры на стабильность размеров — это анизотропия, вызывающая изменение размеров. Как упоминалось ранее, к раме МЭМС-гироскопа предъявляются чрезвычайно строгие требования по вертикали в осевом и радиальном направлении, и необходимо контролировать погрешность обработки порядка микронов, чтобы избежать отклонения центроида МЭМС-гироскопа. По этой причине экструдированный пруток 2024Al был подвергнут деформационной термообработке. На рис. 6 представлены металлографические фотографии 40% осевой деформации сжатия прессованного алюминиевого сплава 2024, а также фотографии микроструктуры до и после термической деформации. Перед деформационной термообработкой трудно рассчитать размер осевого зерна, но после деформационной термообработки равноосная степень зерна на краю стержня составляет 0,98, а равноосная степень зерна значительно увеличивается. . Кроме того, на рисунке видно, что небольшая разница в сопротивлении деформации между осевым и радиальным исходным образцом составляет 111,63 МПа, что свидетельствует о сильной анизотропии. После деформационной термообработки значения сопротивления малой деформации в осевом и радиальном направлениях составили 163 МПа и 149 МПа соответственно. По сравнению с исходным образцом соотношение сопротивления осевой и радиальной малой деформации изменилось с 2,3 до деформационной термообработки до 1,1, что свидетельствует о том, что анизотропия материала лучше устраняется после деформационной термообработки.Рисунок 6. Принципиальная схема изотропной обработки, изменения микроструктуры и эксплуатационных испытаний стержня из алюминиевого сплава.Поэтому, когда для обработки деталей инерционных приборов необходимо использовать стержни или пластины из алюминиевого сплава, рекомендуется увеличить звено деформационной термообработки, устранить текстуру, получить изотропную организацию и избежать анизотропии деформации. Статистическую информацию о текстуре можно получить с помощью EBSD в SEM, TKD в TEM или трехмерной XRD, а изменения текстуры можно проанализировать количественно.ЗаключениеОсновываясь на острой потребности в долгосрочной стабильности точности инерциальных инструментов, в этой статье систематически рассматривается влияние стабильности размеров с точки зрения материаловедения и предлагаются способы улучшения долговременной стабильности точности инерциальных инструментов с учетом внутренних характеристик. материалов. NF-1000 в керамическом корпусе LCC представляет собой модернизированный МЭМС-гироскоп для определения севера на основе MG-502, а его диапазон увеличен с 50-100°/с до 500°/с, что является важной вехой. Материалы имеют решающее значение для долгосрочной стабильности и являются основой их наилучшей производительности. Я надеюсь, что благодаря этой статье вы сможете понять, что такое MEMS-гироскоп. Хотите узнать больше информации, читайте соответствующие продукты и статьи. МГ502Mg-502 Высокоточные одноосные гироскопы Mems
ПОДДЕРЖИВАЕМАЯ СЕТЬ
русский
