Проблемы материалов, влияющие на долговременную стабильность точности MEMS-гироскопа, и меры противодействия

Основные положения

Продукт: MEMS-гироскоп для инерциальных приборов.

Особенности:

- Материалы: металлические сплавы, функциональные материалы, органические полимеры, неорганические неметаллы.
- Факторы, влияющие на стабильность: микроскопические дефекты, размер зерна, текстура, внутренние напряжения.
- Воздействие среды: рабочие характеристики зависят от перегрузки, вибрации и температурного циклирования.
- Регулирование микроструктуры: применение композитов SiC/Al для снижения плотности дислокаций и повышения прочности.

Преимущества: повышение долговременной точности и стабильности; целенаправленное управление микроструктурой обеспечивает надежность в различных условиях эксплуатации и особенно важно для аэрокосмической отрасли и высокоточного каротажа.

В последние годы, с быстрым развитием нефтяного каротажа, аэрокосмической отрасли, горнодобычи, геодезии и картографии, а также других областей, потребность в точности и долговременной стабильности прецизионных приборов, таких как MEMS-гироскоп, становится все более острой. Исследования показали, что размерная нестабильность материалов является одной из основных причин низкой точности и нестабильности инерциальных приборов. Размерная стабильность отличается от теплового расширения или характеристик при термоциклировании; это основной показатель свойств материалов для прецизионных механических деталей, который означает способность деталей сохранять исходные размеры и форму в заданной среде.

Материалы инерциальных приборов на основе MEMS-гироскопов

Существует четыре основные категории материалов для компонентов инерциальных приборов. Первая - металлы (такие как алюминий и алюминиевые сплавы, нержавеющая сталь, медь и медные сплавы, титановые сплавы, бериллий, золото и т.д.) и их композиционные материалы. Вторая - функциональные материалы (такие как железо-никелевые мягкомагнитные сплавы, самарий-кобальтовые твердые магнитные сплавы, алюминий-никель-кобальтовые твердые магнитные сплавы и т.д.). Третья - органические полимеры (такие как политетрафторэтилен, резина, эпоксидная смола и т.д.). Четвертая - неорганические неметаллы (такие как кварцевое стекло, обрабатываемая керамика и т.д.), причем наибольшую долю составляют металлы и их композиционные материалы.

В последние годы мы добились прорывов в области высокоточной механической обработки и технологий сборки с низкими или нулевыми напряжениями, однако по-прежнему обнаруживаем, что после поставки прибора его точность медленно дрейфует и не удается добиться долговременной стабильности. Фактически после того, как определены конструктивная схема, технология обработки деталей и процесс сборки, долговременная стабильность точности прибора зависит от внутренних свойств материала.

Внутренние свойства материала, такие как микроскопические дефекты, вторая фаза, размер зерна, текстура и т.д., напрямую влияют на размерную стабильность материала. Кроме того, материал прибора будет испытывать необратимые изменения размеров под совместным воздействием внешней среды, такой как поле напряжений, температурное поле и время. На рисунке 1 показана связь между точностью инерциального прибора, условиями эксплуатации, микроструктурой материала и изменением размеров. Если взять MEMS-гироскоп в качестве примера, его рабочие условия и условия хранения влияют на размерную стабильность материала. Даже если MEMS-гироскоп имеет систему термостатирования, при нестабильной микроструктуре материала, наличии метастабильной второй фазы или макро- и микроостаточных напряжений при сборке точность прибора будет дрейфовать.

Факторы, влияющие на изменение материала

К внутренним свойствам материалов MEMS-гироскопов главным образом относятся микроскопические дефекты, вторая фаза, зерна, текстура, внутренние напряжения и т.д. Внешние факторы среды в основном взаимодействуют с внутренними свойствами, вызывая изменение размеров.

1. Плотность и морфология микроскопических дефектов.

Микроскопические дефекты в металлах и сплавах включают вакансии, дислокации, двойники, границы зерен и т.д. Дислокация является наиболее типичной формой микроскопического дефекта; она относится к дефектам, образованным нерегулярным расположением атомов в регулярно организованных кристаллах, например отсутствием или добавлением половины атомной плоскости в краевой дислокации. Поскольку дислокация вносит свободный объем в идеальный кристалл, возникают изменения размеров материала, как показано на рисунке 2. При этом в случае одинакового числа атомов наличие дислокации приводит к появлению свободного объема вокруг атомов, что проявляется в увеличении размеров сплава.

2. Влияние зерен и текстуры на стабильность.

Зависимость между деформацией ε металла или сплава под действием приложенного напряжения σ и размером зерна d материала, плотностью ρ подвижных дислокаций, напряжением σ0, необходимым для начала движения первой дислокации, а также модулем сдвига G материала, выводится следующим образом:

Из формулы видно, что измельчение зерен может уменьшить возникающую деформацию, и это также является направляющим принципом регулирования микроструктуры в процессе стабилизации. Кроме того, в реальном производстве при использовании экструдированных прутков и прокатных листов для обработки компонентов прецизионных приборов необходимо также обращать внимание на анизотропию материала, как показано на рисунке 3. Если взять в качестве примера сплав 2024Al для рамы механического гироскопа, то рама на рисунке 3(a) обычно изготавливается из экструдированного прутка из алюминиевого сплава 2024. Из-за большой пластической деформации зерна приобретают преимущественную ориентацию и формируют текстуру, как показано на рисунках 3(b) и (c); текстура означает состояние, при котором ориентация кристаллов поликристаллического материала значительно отклоняется от случайного распределения.

Продукты в статье

3. Влияние окружающей среды на размерную стабильность материалов.

В целом инерциальные приборы должны сохранять долговременную стабильность точности в условиях больших перегрузок, вибрации и ударов, а также температурного циклирования, что выдвигает более строгие требования к стабилизации микроструктуры и свойств материалов. Если взять в качестве примера композиты SiC/2024Al приборного класса, то долговременная размерная стабильность достигается за счет стабилизационного процесса при изготовлении конструкций инерциальных приборов. Результаты показывают, что амплитуда изменения размеров (~1.5×10-4), вызванная процессом выдержки композита SiC/чистый алюминий при постоянной температуре (когда на изменение размеров влияет только внутреннее напряжение), больше, чем у алюминиевого сплава при выдержке при постоянной температуре (когда на изменение размеров влияет только выделение при старении) (~-0.8×10-4). Когда матрица становится алюминиевым сплавом, влияние внутренних напряжений композита на изменение размеров еще больше усиливается, как показано на рисунке 4. Кроме того, в разных условиях эксплуатации тенденция изменения внутренних напряжений одного и того же материала различна, и даже может проявляться противоположная тенденция изменения размеров. Например, у композитов SiC/2024Al при постоянной температуре 190 °C происходит высвобождение сжимающих напряжений и размер увеличивается, тогда как после 500 циклов холодного и горячего удара в диапазоне от -196 до 190 °C происходит высвобождение растягивающих напряжений и размер уменьшается.

Поэтому при проектировании и использовании композитов с алюминиевой матрицей необходимо полностью проверять их рабочую температурную нагрузку, начальное напряженное состояние и тип материала матрицы. В настоящее время идея проектирования процесса, основанная на стабилизации напряжений, заключается в проведении холодного и теплового удара, охватывающего рабочий температурный диапазон, высвобождении внутренних напряжений, формировании большого количества стабильных дислокационных структур внутри композитного материала и стимулировании большого количества вторичных выделений.

Меры по повышению размерной стабильности компонентов

1. Регулирование и оптимизация микродефектов.

Выбор новой системы материалов является эффективным способом управления микродефектами. Например, применение композитов SiC/Al приборного класса: керамические частицы SiC закрепляют дислокации в алюминиевой матрице, снижают плотность подвижных дислокаций или изменяют тип дефектов в металле. На примере композитов SiC/Al исследования показывают, что когда среднее расстояние между керамическими частицами в композите уменьшается до 250 нм, можно получить композит с дефектом упаковки, а предел упругости такого композита на 50% выше, чем у композита без дефекта упаковки, как показано на рисунке 5.

Следует отметить, что при разработке технологического маршрута структурного регулирования необходимо также выбирать подходящую систему материалов и параметры процесса холодного и теплового удара в сочетании с условиями напряженного состояния и диапазоном рабочих температур инерциального прибора. В прошлом выбор системы материалов и параметров процесса зависел от опыта и большого объема эксплуатационных данных, что приводило к недостаточной теоретической базе для проектирования процесса из-за отсутствия поддержки на уровне микроструктуры. В последние годы с непрерывным развитием аналитических методов испытаний количественная или полуколичественная оценка плотности и морфологии микроскопических дефектов стала возможной с помощью рентгеновского дифрактометра, сканирующего электронного микроскопа и просвечивающего электронного микроскопа, что обеспечивает техническую поддержку для оптимизации системы материалов и отбора технологических режимов.

2. Регулирование зерна и текстуры.

Влияние текстуры на размерную стабильность заключается в анизотропии, вызывающей изменение размеров. Как упоминалось ранее, рама MEMS-гироскопа предъявляет чрезвычайно строгие требования к перпендикулярности в осевом и радиальном направлениях, а погрешность обработки должна контролироваться на уровне микронов, чтобы не допустить смещения центра тяжести MEMS-гироскопа. По этой причине экструдированный пруток из 2024Al подвергали деформационной термообработке. На рисунке 6 показаны металлографические снимки экструдированного алюминиевого сплава 2024 после осевой деформации сжатия на 40%, а также снимки микроструктуры до и после термической деформации. До деформационной термообработки размер осевого зерна трудно рассчитать, однако после деформационной термообработки коэффициент равноосности зерна на краю прутка составляет 0.98, и равноосность зерна значительно возрастает. Кроме того, из рисунка видно, что разница сопротивления малой деформации между осевым и радиальным направлениями исходного образца составляет 111.63 MPa, что указывает на сильную анизотропию. После деформационной термообработки значения сопротивления малой деформации по оси и радиусу составили соответственно 163 MPa и 149 MPa. По сравнению с исходным образцом отношение сопротивления малой деформации по оси и радиусу изменилось с 2.3 до деформационной термообработки до 1.1 после нее, что указывает на лучшее устранение анизотропии материала после деформационной термообработки.

Поэтому, когда для обработки компонентов инерциальных приборов необходимо использовать алюминиевые прутки или листы, рекомендуется добавить этап деформационной термообработки, устранить текстуру, получить изотропную структуру 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 анализировать количественно.

Заключение

Исходя из острой потребности в долговременной стабильности точности инерциальных приборов, в этой статье систематически рассмотрено влияние размерной стабильности с точки зрения материаловедения и предложено, как улучшить долговременную стабильность точности инерциальных приборов, исходя из внутренних характеристик материалов. NF-1000 в керамическом корпусе LCC представляет собой модернизированный североискательный MEMS-гироскоп на базе MG-502, диапазон которого был увеличен с 50-100°/с до 500°/с, что стало важной вехой. Материалы имеют решающее значение для долговременной стабильности MEMS-гироскопов и являются основой для достижения их наилучших характеристик.

Надеюсь, что благодаря этой статье вы сможете понять знания о MEMS-гироскопах; если вы хотите узнать больше информации, можете ознакомиться с соответствующими продуктами и статьями.