Puntos clave**Producto:** Giroscopio MEMS para instrumentos inerciales**Características:**– **Materiales:** Aleaciones metálicas, materiales funcionales, polímeros orgánicos, no metales inorgánicos.– **Influyentes en la estabilidad:** Defectos microscópicos, tamaño de grano, textura, tensión interna– **Impacto ambiental:** Rendimiento afectado por sobrecarga, vibración y ciclos de temperatura– **Regulación de la microestructura:** Uso de compuestos de SiC/Al para reducir la densidad de dislocaciones y mejorar la resistencia.**Ventajas:** Mejora la precisión y la estabilidad a largo plazo, el control de microestructura personalizado garantiza la confiabilidad en condiciones variables, crucial para aplicaciones en el sector aeroespacial y de registro de precisión.En los últimos años, con el rápido desarrollo de la extracción de petróleo, la industria aeroespacial, la minería, la topografía y la cartografía y otros campos, la precisión y la estabilidad a largo plazo de instrumentos de precisión como el giroscopio MEMS se han vuelto cada vez más urgentes. Los estudios han demostrado que la inestabilidad dimensional de los materiales es una de las principales razones de la mala precisión y estabilidad de los instrumentos inerciales. La estabilidad dimensional es diferente de la expansión térmica o el rendimiento del ciclo térmico; es el principal índice de rendimiento de los materiales de piezas mecánicas de precisión y se refiere a la capacidad de las piezas para mantener su tamaño y forma originales en un entorno específico.Material de instrumento inercial basado en giroscopio MEMSHay cuatro tipos principales de materiales componentes de instrumentos inerciales, uno es el metal (como aluminio y aleaciones de aluminio, acero inoxidable, cobre y aleaciones de cobre, aleaciones de titanio, berilio, oro, etc.) y sus materiales compuestos; En segundo lugar, materiales funcionales (como aleaciones magnéticas blandas de hierro y níquel, aleaciones magnéticas duras de samario y cobalto, aleaciones magnéticas duras de al-níquel y cobalto, etc.); En tercer lugar, los polímeros orgánicos (como politetrafluoroetileno, caucho, resina epoxi, etc.); El cuarto son los no metales inorgánicos (como el vidrio de cuarzo, las cerámicas procesables, etc.), de los cuales la mayor cantidad es el metal y sus materiales compuestos.En los últimos años, hemos logrado avances en la fabricación de mecanizado de alta precisión y tecnología de ensamblaje baja/libre de tensión, pero todavía encontramos que después de la entrega del instrumento, hay una lenta deriva en la precisión y no podemos lograr una estabilidad a largo plazo. De hecho, una vez determinado el diseño estructural, el procesamiento de las piezas y el proceso de ensamblaje, la estabilidad a largo plazo de la precisión del instrumento depende de las características intrínsecas del material.Las propiedades intrínsecas del material (como defectos microscópicos, segunda fase, tamaño de grano, textura, etc.) afectan directamente a la estabilidad dimensional del material. Además, el material del instrumento también sufrirá cambios dimensionales irreversibles bajo la interacción con el entorno externo (campo de tensión, campo de temperatura y tiempo, etc.). La Figura 1 muestra la relación entre la precisión del instrumento inercial y las condiciones de servicio, la microestructura del material y el cambio de tamaño. Tomando como ejemplo el giroscopio MEMS, sus condiciones de trabajo y entorno de almacenamiento tienen un impacto en la estabilidad dimensional del material. Incluso si el giroscopio MEMS tiene un sistema de control de temperatura, si la microestructura del material en sí es inestable, hay una segunda fase metaestable o hay tensión residual macro/micro durante el ensamblaje, la precisión del instrumento variará.Figura 1 La relación entre la precisión de los instrumentos inerciales, las condiciones de servicio, la microestructura y los cambios dimensionales.Factores que influyen en el cambio material.Las propiedades intrínsecas de los materiales de giroscopio MEMS incluyen principalmente defectos microscópicos, segunda fase, grano, textura y tensión interna, etc. Los factores ambientales externos interactúan principalmente con las propiedades intrínsecas para provocar cambios dimensionales.1. Densidad y morfología de defectos microscópicos.Los defectos microscópicos en metales y aleaciones incluyen vacantes, dislocaciones, maclas y límites de grano, etc. La dislocación es la forma más típica de defecto microscópico, que se refiere a los defectos formados por la disposición irregular de los átomos en cristales dispuestos regularmente, como la ausencia o el aumento. del semiplano atómico de dislocación de bordes. Debido a que la dislocación introduce volumen libre en cristales perfectos, se provocan cambios de tamaño del material, como se muestra en la Figura 2. Sin embargo, en el caso del mismo número de átomos, la existencia de dislocación hace que aparezca el volumen libre alrededor de los átomos, lo que se refleja en el aumento del tamaño de la aleación.Figura 2 Esquema del efecto de la densidad de defectos microscópicos en materiales sobre la dimensión del material.2. Influencia de la veta y la textura en la estabilidadLa relación entre la deformación ε del metal o aleación bajo la tensión aplicada σ y el tamaño de grano d del material, la densidad ρ de la dislocación móvil, la tensión σ0 requerida para que comience la primera dislocación y el módulo de corte G de la material se deriva:De la fórmula se puede ver que el refinamiento del grano puede reducir la tensión generada, que también es la dirección rectora de la regulación de la microestructura en el proceso de estabilización.Además, en la producción real, cuando se utilizan barras extruidas y placas laminadas para procesar componentes de instrumentos de precisión, también es necesario prestar atención a la anisotropía del material, como se muestra en la Figura 3. Tomando como ejemplo la aleación 2024Al para marco giroscópico mecánico. , el marco de la figura 3(a) generalmente adopta una barra de aleación de aluminio 2024 extruida. Debido a una gran deformación plástica, los granos mostrarán una orientación preferencial para formar textura, como se muestra en las figuras 3(b) y (c), la textura se refiere al estado en el que la orientación cristalina del material policristalino se desvía significativamente de la distribución aleatoria.Figura 3 Microestructura de una varilla de aleación de 2024Al para marcos de giroscopio mecánicoProductos en el artículo3. La influencia del medio ambiente en la estabilidad dimensional de los materiales. En general, los instrumentos inerciales necesitan mantener una estabilidad de precisión a largo plazo en condiciones como grandes sobrecargas, vibraciones y golpes, y ciclos de temperatura, lo que plantea requisitos de estabilización más exigentes para la microestructura y las propiedades de los materiales. Tomando como ejemplo los compuestos de SiC/2024Al de grado instrumental, la estabilidad dimensional a largo plazo se logra con el proceso de estabilización en la fabricación de estructuras de instrumentos inerciales. Los resultados muestran que la amplitud del cambio de tamaño (~ 1,5×10-4) causada por el proceso de mantenimiento de temperatura constante del compuesto de SiC/aluminio puro (sólo la tensión interna influye en el cambio de tamaño) es mayor que la de la aleación de aluminio. proceso de mantenimiento de temperatura constante (solo la precipitación del envejecimiento influye en el cambio de tamaño) (~ -0,8×10-4). Cuando la matriz se convierte en aleación de Al, el efecto de la tensión interna del compuesto sobre el cambio dimensional se amplificará aún más, como se muestra en la Figura 4. Además, en diferentes entornos de servicio, la tendencia del cambio de tensión interna del mismo material es diferente. , e incluso se mostrará la tendencia de cambio de tamaño opuesta. Por ejemplo, los compuestos de SiC/2024Al producen liberación de tensión de compresión a una temperatura constante de 190 °C y el tamaño aumenta, mientras que la liberación de tensión de tracción se produce con 500 choques fríos y calientes a -196 ~ 190 °C y el tamaño disminuye.Por lo tanto, al diseñar y utilizar compuestos de matriz de aluminio, es necesario verificar completamente su carga de temperatura de servicio, estado de tensión inicial y el tipo de material de matriz. En la actualidad, la idea de diseño del proceso basada en la estabilización de tensiones es llevar a cabo choques térmicos y fríos que cubran su rango de temperatura de servicio, liberar tensiones internas, formar una gran cantidad de estructuras de dislocación estables dentro del material compuesto y promover una gran cantidad de precipitación secundaria. .Figura 4 Cambios dimensionales en aleaciones y compuestos de aluminio durante el envejecimiento a temperatura constanteMedidas para mejorar la estabilidad dimensional de los componentes.1. Regulación y optimización de microdefectosLa selección de un nuevo sistema de materiales es una forma eficaz de controlar los microdefectos. Por ejemplo, el uso de compuestos de SiC/Al de grado instrumental, partículas cerámicas de SiC para fijar la dislocación en la matriz de aluminio, reducir la densidad de la dislocación móvil o cambiar el tipo de defecto en el metal. Tomando como ejemplo los compuestos de SiC/Al, la investigación muestra que cuando la distancia promedio entre las partículas cerámicas en los compuestos se reduce a 250 nm, se puede preparar el compuesto con falla de capa y el límite elástico del compuesto con falla de capa es 50 % mayor que el del compuesto sin falla de capa, como se muestra en la Figura 5.Figura 5 Dos tipos de morfología de materiales compuestos.Cabe señalar que al desarrollar la ruta del proceso de control organizacional, también es necesario seleccionar el sistema de materiales apropiado y los parámetros del proceso de frío y choque térmico en combinación con las condiciones de estrés y el rango de temperatura de trabajo del entorno de servicio del instrumento inercial. En el pasado, la selección del sistema de materiales y los parámetros del proceso se basaba en la experiencia y una gran cantidad de datos de rendimiento, lo que resultaba en una base teórica insuficiente para el diseño del proceso debido a la falta de soporte de microestructura. En los últimos años, con el desarrollo continuo de la tecnología de pruebas analíticas, se puede lograr una evaluación cuantitativa o semicuantitativa de la densidad y morfología de los defectos microscópicos mediante un difractómetro de rayos X, un microscopio electrónico de barrido y un microscopio electrónico de transmisión, que proporciona soporte técnico para el material. optimización del sistema y cribado de procesos. 2. Regulación de veta y textura El efecto de la textura sobre la estabilidad dimensional es la anisotropía que provoca el cambio dimensional. Como se mencionó anteriormente, el marco del giroscopio MEMS tiene requisitos verticales extremadamente estrictos en la dirección axial y radial, y el error de procesamiento debe controlarse en el orden de micrones para evitar causar la desviación centroide del giroscopio MEMS. Por este motivo, la barra extruida de 2024Al fue sometida a un tratamiento térmico de deformación. La Figura 6 muestra las fotografías metalográficas de la deformación por compresión axial del 40% de la aleación de aluminio 2024 extruida y las fotografías de la microestructura antes y después de la deformación térmica. Antes del tratamiento térmico de deformación, es difícil calcular el tamaño del grano axial, pero después del tratamiento térmico de deformación, el grado equiaxial del grano en el borde de la barra es 0,98 y el grado equiaxial del grano aumenta significativamente. . Además, en la figura se puede ver que la pequeña diferencia de resistencia a la deformación entre el eje axial y el radial de la muestra original es de 111,63 MPa, lo que muestra una fuerte anisotropía. Después del tratamiento térmico de deformación, los valores de resistencia a la deformación pequeña axial y radial fueron 163 MPa y 149 MPa, respectivamente. En comparación con la muestra original, la relación de resistencia a pequeñas deformaciones axiales y radiales cambió de 2,3 antes del tratamiento térmico de deformación a 1,1, lo que indica que la anisotropía del material se eliminó mejor después del tratamiento térmico de deformación.Figura 6 Diagrama esquemático del tratamiento isotrópico, cambios de microestructura y pruebas de rendimiento de una varilla de aleación de aluminio.Por lo tanto, cuando se deben utilizar barras o placas de aleación de aluminio para procesar componentes de instrumentos inerciales, se recomienda aumentar el vínculo del tratamiento térmico de deformación, eliminar la textura, obtener una organización isotrópica y evitar la anisotropía de la deformación. La información estadística de la textura se puede obtener mediante EBSD en SEM, TKD en TEM o XRD tridimensional, y los cambios de textura se pueden analizar cuantitativamente.ConclusiónBasado en la necesidad urgente de una estabilidad de precisión a largo plazo de los instrumentos inerciales, este artículo revisa sistemáticamente la influencia de la estabilidad dimensional desde la perspectiva de la ciencia de materiales y propone cómo mejorar la estabilidad de precisión a largo plazo de los instrumentos inerciales desde las características intrínsecas. de materiales. El NF-1000, en un paquete cerámico LCC, es un giroscopio MEMS de búsqueda del norte mejorado basado en el MG-502, y su alcance se ha incrementado de 50-100°/s a 500°/s, logrando un hito. Los materiales son fundamentales para la estabilidad a largo plazo y son la base para su mejor rendimiento. Espero que a través de este artículo puedas comprender el conocimiento del giroscopio MEMS. 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