Problemas materiais que afetam a estabilidade a longo prazo da precisão e contramedidas do giroscópio MEMS
**Produto:** Giroscópio MEMS para instrumentos inerciais
**Características:**
– **Materiais:** Ligas metálicas, materiais funcionais, polímeros orgânicos, não metais inorgânicos
– **Influenciadores de estabilidade:** Defeitos microscópicos, tamanho de grão, textura, tensão interna
– **Impacto Ambiental:** Desempenho afetado por sobrecarga, vibração e ciclos de temperatura
– **Regulamentação da Microestrutura:** Uso de compósitos SiC/Al para reduzir a densidade de discordância e melhorar a resistência
**Vantagens:** Melhora a precisão e estabilidade a longo prazo, o controle de microestrutura personalizado garante confiabilidade sob condições variadas, crucial para aplicações aeroespaciais e perfilagem de precisão.
Nos últimos anos, com o rápido desenvolvimento da exploração petrolífera, aeroespacial, mineração, topografia e mapeamento e outros campos, a precisão e a estabilidade a longo prazo de instrumentos de precisão, como o giroscópio MEMS, tornaram-se cada vez mais urgentes. Estudos têm mostrado que a instabilidade dimensional dos materiais é uma das principais razões para a baixa precisão e estabilidade dos instrumentos inerciais. A estabilidade dimensional é diferente da expansão térmica ou do desempenho do ciclo térmico, é o principal índice de desempenho de materiais de peças mecânicas de precisão, refere-se à capacidade das peças de manter seu tamanho e forma originais em um ambiente específico.
Existem quatro tipos principais de materiais componentes de instrumentos inerciais, um é o metal (como alumínio e liga de alumínio, aço inoxidável, cobre e liga de cobre, liga de titânio, berílio, ouro, etc.) e seus materiais compósitos; Em segundo lugar, materiais funcionais (como liga magnética macia de ferro-níquel, liga magnética dura de samário-cobalto, liga magnética dura de Al-níquel-cobalto, etc.); Terceiro, polímeros orgânicos (tais como politetrafluoroetileno, borracha, resina epóxi, etc.); O quarto é o não-metal inorgânico (como vidro de quartzo, cerâmica processável, etc.), dos quais a maior quantidade é metal e seus materiais compósitos.
Nos últimos anos, fizemos avanços na fabricação de usinagem de alta precisão e tecnologia de montagem baixa/sem estresse, mas ainda descobrimos que após a entrega do instrumento, há um lento desvio na precisão e não podemos alcançar estabilidade a longo prazo. Na verdade, após a determinação do projeto estrutural, processamento de peças e processo de montagem, a estabilidade a longo prazo da precisão do instrumento depende das características intrínsecas do material.
As propriedades intrínsecas do material (como defeitos microscópicos, segunda fase, tamanho de grão, textura, etc.) afetam diretamente a estabilidade dimensional do material. Além disso, o material do instrumento também sofrerá alterações dimensionais irreversíveis sob a interação com o ambiente externo (campo de tensão, campo de temperatura e tempo, etc.). A Figura 1 mostra a relação entre a precisão do instrumento inercial e as condições de serviço, microestrutura do material e alteração de tamanho. Tomando como exemplo o giroscópio MEMS, suas condições de trabalho e ambiente de armazenamento têm impacto na estabilidade dimensional do material. Mesmo que o giroscópio MEMS tenha um sistema de controle de temperatura, se a microestrutura do próprio material for instável, houver uma segunda fase metaestável ou se houver tensão residual macro/micro durante a montagem, a precisão do instrumento irá variar.
Figura 1 A relação entre a precisão dos instrumentos inerciais, condições de serviço, microestrutura e alterações dimensionais
As propriedades intrínsecas dos materiais do giroscópio MEMS incluem principalmente defeitos microscópicos, segunda fase, grão, textura e tensão interna, etc. Os fatores ambientais externos interagem principalmente com as propriedades intrínsecas para causar mudanças dimensionais.
1. Densidade e morfologia de defeitos microscópicos
Os defeitos microscópicos em metais e ligas incluem vagas, deslocamentos, gêmeos e limites de grãos, etc. O deslocamento é a forma mais típica de defeito microscópico, que se refere aos defeitos formados pelo arranjo irregular de átomos em cristais dispostos regularmente, como a ausência ou aumento do meio plano atômico de deslocamento de borda. Devido ao deslocamento introduzir volume livre em cristais perfeitos, são causadas alterações no tamanho do material, conforme mostrado na Figura 2. Porém, no caso do mesmo número de átomos, a existência do deslocamento faz com que apareça o volume livre ao redor dos átomos, o que se reflete no aumento do tamanho da liga.
Figura 2 Esquema do efeito da densidade de defeitos microscópicos em materiais na dimensão do material
2. Influência do grão e da textura na estabilidade
A relação entre a deformação ε do metal ou liga sob tensão aplicada σ e o tamanho de grão d do material, a densidade ρ da discordância móvel, a tensão σ0 necessária para o início da primeira discordância e o módulo de cisalhamento G do material é derivado:
Pode-se perceber pela fórmula que o refinamento do grão pode reduzir a deformação gerada, que também é a direção norteadora da regulação da microestrutura no processo de estabilização.
Além disso, na produção real, ao utilizar barras extrudadas e placas laminadas para processar componentes de instrumentos de precisão, também é necessário prestar atenção à anisotropia do material, conforme mostrado na Figura 3. Tomando como exemplo a liga 2024Al para estrutura de giroscópio mecânico , a estrutura na figura 3 (a) geralmente adota barra de liga de alumínio 2024 extrudada. Devido à grande deformação plástica, os grãos apresentarão orientação preferencial para formar textura, conforme mostrado na figura 3 (b) e (c), textura refere-se ao estado em que a orientação cristalina do material policristalino se desvia significativamente da distribuição aleatória.
Figura 3 Microestrutura da haste de liga 2024Al para estruturas de giroscópio mecânico
3. A influência do ambiente na estabilidade dimensional dos materiais
Em geral, os instrumentos inerciais precisam manter a estabilidade da precisão a longo prazo sob condições como grandes sobrecargas, vibrações e choques, e ciclos de temperatura, o que apresenta requisitos de estabilização mais exigentes para a microestrutura e propriedades dos materiais. Tomando como exemplo os compósitos SiC / 2024Al de grau instrumental, a estabilidade dimensional a longo prazo é alcançada com o processo de estabilização na fabricação de estruturas de instrumentos inerciais. Os resultados mostram que a amplitude da mudança de tamanho (~ 1,5×10-4) causada pelo processo de manutenção de temperatura constante do compósito SiC/alumínio puro (apenas a tensão interna influencia a mudança de tamanho) é maior do que a da liga de alumínio. processo de manutenção de temperatura constante (apenas a precipitação do envelhecimento influencia a mudança de tamanho) (~ -0,8×10-4). Quando a matriz se torna liga de Al, o efeito da tensão interna do compósito na mudança dimensional será ainda mais amplificado, conforme mostrado na Figura 4. Além disso, em diferentes ambientes de serviço, a tendência de mudança de tensão interna do mesmo material é diferente , e até mesmo a tendência oposta de mudança de tamanho será mostrada. Por exemplo, os compósitos SiC/2024Al produzem liberação de tensão de compressão a uma temperatura constante de 190 ° C, e o tamanho aumenta, enquanto a liberação de tensão de tração ocorre em 500 choques frios e quentes a -196 ~ 190 ° C, e o tamanho diminui.
Portanto, ao projetar e utilizar compósitos com matriz de alumínio, é necessário verificar completamente a carga de temperatura de serviço, o estado de tensão inicial e o tipo de material da matriz. Atualmente, a ideia de projeto de processo baseada na estabilização de tensões é realizar choques térmicos e frios cobrindo sua faixa de temperatura de serviço, liberar tensões internas, formar um grande número de estruturas de deslocamento estáveis dentro do material compósito e promover um grande número de precipitação secundária. .
Figura 4 Mudanças dimensionais em ligas e compósitos de alumínio durante envelhecimento em temperatura constante
1. Regulação e otimização de microdefeitos
A seleção de um novo sistema de materiais é uma forma eficaz de controlar microdefeitos. Por exemplo, o uso de compósitos de SiC/Al de grau instrumental, partículas de cerâmica de SiC para fixar o deslocamento na matriz de alumínio, reduzir a densidade do deslocamento móvel ou alterar o tipo de defeito no metal. Tomando como exemplo os compósitos SiC/Al, a pesquisa mostra que quando a distância média entre as partículas cerâmicas nos compósitos é reduzida para 250 nm, o compósito com falha de camada pode ser preparado, e o limite elástico do compósito com falha de camada é 50 % superior ao compósito sem falha de camada, conforme Figura 5.
Figura 5 Dois tipos de morfologia de material compósito
Deve-se ressaltar que ao desenvolver a rota do processo de controle organizacional, também é necessário selecionar o sistema de material apropriado e os parâmetros do processo de choque térmico e frio em combinação com as condições de estresse e a faixa de temperatura de trabalho do ambiente de serviço do instrumento inercial. No passado, a seleção do sistema de materiais e dos parâmetros do processo dependia da experiência e de um grande número de dados de desempenho, o que resultava em base teórica insuficiente para o projeto do processo devido à falta de suporte microestrutural. Nos últimos anos, com o desenvolvimento contínuo da tecnologia de testes analíticos, a avaliação quantitativa ou semiquantitativa da densidade e morfologia dos defeitos microscópicos pode ser alcançada por meio de difratômetro de raios X, microscópio eletrônico de varredura e microscópio eletrônico de transmissão, que fornece suporte técnico para materiais otimização do sistema e triagem de processos.
2. Regulação de grão e textura
O efeito da textura na estabilidade dimensional é a anisotropia que causa a mudança dimensional. Conforme mencionado anteriormente, a estrutura do giroscópio MEMS tem requisitos verticais extremamente rígidos na direção axial e radial, e o erro de processamento deve ser controlado na ordem de mícrons para evitar causar o desvio centróide do giroscópio MEMS. Por este motivo, a barra extrudada 2024Al foi submetida a tratamento térmico de deformação. A Figura 6 mostra as fotos metalográficas da deformação por compressão axial de 40% da liga de alumínio extrusada 2024 e as fotos da microestrutura antes e depois da deformação térmica. Antes do tratamento térmico de deformação, é difícil calcular o tamanho do grão axial, mas após o tratamento térmico de deformação, o grau equiaxial do grão na borda da barra é 0,98, e o grau equiaxial do grão é significativamente aumentado . Além disso, pode-se observar na figura que a pequena diferença de resistência à deformação entre o axial e o radial da amostra original é de 111,63 MPa, apresentando forte anisotropia. Após o tratamento térmico de deformação, os valores de resistência à pequena deformação axial e radial foram de 163 MPa e 149 MPa, respectivamente. Em comparação com a amostra original, a proporção de resistência à pequena deformação axial e radial mudou de 2,3 antes do tratamento térmico de deformação para 1,1, indicando que a anisotropia do material foi melhor eliminada após o tratamento térmico de deformação.
Figura 6 Diagrama esquemático de tratamento isotrópico, alterações microestruturais e testes de desempenho de haste de liga de alumínio
Portanto, quando barras ou placas de liga de alumínio devem ser utilizadas para processar componentes de instrumentos inerciais, recomenda-se aumentar o link de tratamento térmico de deformação, eliminar a textura, obter organização isotrópica e evitar a anisotropia da deformação. As informações estatísticas de textura podem ser obtidas por EBSD em SEM, TKD em TEM ou XRD tridimensional, e as alterações de textura podem ser analisadas quantitativamente.
Com base na necessidade urgente de estabilidade de precisão a longo prazo de instrumentos inerciais, este artigo revisa sistematicamente a influência da estabilidade dimensional do ponto de vista da ciência dos materiais e propõe como melhorar a estabilidade de precisão a longo prazo de instrumentos inerciais a partir das características intrínsecas. de materiais. O NF-1000, em um pacote de cerâmica LCC, é um giroscópio MEMS atualizado para localização do norte baseado no MG-502, e seu alcance foi aumentado de 50-100°/s para 500°/s, alcançando um marco. Os materiais são essenciais para a estabilidade a longo prazo e são a base para o seu melhor desempenho.
Espero que através deste artigo você possa entender o conhecimento do giroscópio MEMS, se quiser saber mais informações pode ler produtos e artigos relacionados.
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