微光夜視儀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中材料的選擇

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摘要：本文基于微光夜視儀的使用特點(diǎn)，對(duì)比多種常用材料，提出對(duì)所有的機(jī)械零件選擇使用同一種材料的大膽設(shè)想，為保證微光夜視儀光學(xué)系統(tǒng)的更好的工作。

關(guān)鍵詞：微光夜視儀；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；材料選擇

微光夜視儀是一種應(yīng)用于軍事作戰(zhàn)中的精密光學(xué)儀器，其中光學(xué)系統(tǒng)中光學(xué)元件的安裝定位精度、雜光的干擾等，會(huì)直接影響光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量。機(jī)械系統(tǒng)是微光夜視儀的重要組成部分，由于該夜視儀是軍事作戰(zhàn)中用于頭盔上的微光夜視成像系統(tǒng)，對(duì)重量、體積指標(biāo)要求非常嚴(yán)格，所以在進(jìn)行機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，要在保證夜視儀性能的前提下，應(yīng)盡力使其整個(gè)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，重量輕。為提高我軍作戰(zhàn)能力，所以有必要對(duì)微光夜視儀做結(jié)構(gòu)優(yōu)化。因此，微光夜視儀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的任務(wù)是按照光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的軸向要求、光學(xué)元件的間隔以及同心度要求，使微光夜視儀光學(xué)系統(tǒng)各部分組成一個(gè)穩(wěn)定的整體，并保證光學(xué)系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求。同時(shí)鏡筒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足：不影響光學(xué)系統(tǒng)性能、光學(xué)元件的安裝無(wú)應(yīng)力、鏡筒與光學(xué)元件的接口、消雜光、重量和體積等總體要求。但是由于質(zhì)量和體積的限制，野戰(zhàn)中嚴(yán)酷的高低溫環(huán)境影響，使用傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)理念很難滿足系統(tǒng)的要求。

本文對(duì)所有的機(jī)械零件選擇使用同一種材料，以保證惡劣環(huán)境下機(jī)械零件均勻地膨脹和收縮，避免不同的膨脹會(huì)造成卡環(huán)松脫，并且保證微光夜視儀光學(xué)系統(tǒng)的正常工作。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最直接目標(biāo)就是選擇使用一種熱膨脹系數(shù)近似于零的材料進(jìn)行構(gòu)架。微光夜視儀鏡座和鏡筒是保證微光夜視儀光學(xué)系統(tǒng)性能的關(guān)鍵部件，所以鏡座及鏡筒的材料選擇、鏡座的結(jié)構(gòu)形式以及鏡筒的設(shè)計(jì)對(duì)光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量起著關(guān)鍵的作用；在滿足微光夜視儀結(jié)構(gòu)力學(xué)性能要求的前提下，還要盡量降低系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，并且能適用于野戰(zhàn)中嚴(yán)酷的高低溫環(huán)境，所以鏡座及鏡筒材料的選擇必須保證機(jī)械系統(tǒng)的精度及穩(wěn)定性。（1）機(jī)械性能穩(wěn)定性。一方面為了減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量，應(yīng)該選擇低密度的材料；另一方面，為了提高結(jié)構(gòu)的剛性，應(yīng)該采用高彈性模量的材料。所以，高比剛度是選擇微光夜視儀結(jié)構(gòu)材料的關(guān)鍵指標(biāo)。并且為了在加工后能保證高精度，所選材料的尺寸穩(wěn)定性應(yīng)該良好。（2）熱性能穩(wěn)定性。應(yīng)該選用低熱膨脹系數(shù)的材料作結(jié)構(gòu)材料，并考慮結(jié)構(gòu)之間的熱補(bǔ)償，以使光學(xué)系統(tǒng)在野戰(zhàn)惡劣的高低溫環(huán)境下仍能保證良好的性能。另一方面，熱導(dǎo)率高還可以使結(jié)構(gòu)中的溫度梯度較小，并使結(jié)構(gòu)內(nèi)部熱平衡容易在短時(shí)間內(nèi)達(dá)到。基于以上分析，本文微光夜視儀結(jié)構(gòu)零件選擇使用機(jī)械性能和強(qiáng)度可以和金屬材料相媲美的復(fù)合材料。復(fù)合材料通過(guò)組元材料的協(xié)調(diào)作用，可以在很大程度上改善和提高單一常規(guī)材料的機(jī)械性能、物理性能和化學(xué)性能。非金屬?gòu)?fù)合材料具有可設(shè)計(jì)性及密度小的顯著特點(diǎn)，因此使用非金屬?gòu)?fù)合材料不僅可以滿足夜視儀機(jī)械性能和強(qiáng)度要求，而且可以減輕整個(gè)夜視儀的重量。幾種典型復(fù)合材料和常用材料性能對(duì)比如表1。碳纖維主要是由碳元素組成的一種特種纖維，其含碳量隨種類不同而異，一般在90%以上。碳纖維具有一般碳素材料的特性，如耐高溫、耐摩擦、導(dǎo)電、導(dǎo)熱及耐腐蝕等，但與一般碳素材料不同的是，其外形有顯著的各向異性、柔軟、可加工成各種織物，沿纖維軸方向表現(xiàn)出很高的強(qiáng)度。碳纖維比重小，因此有很高的比強(qiáng)度。碳纖維是一種力學(xué)性能優(yōu)異的新材料，它的比重不到鋼的1/4，碳纖維樹(shù)脂復(fù)合材料抗拉強(qiáng)度一般都在3500Mpa以上，是鋼的7～9倍，抗拉彈性模量為23000～43000Mpa亦高于鋼。碳纖維的主要用途是與樹(shù)脂、金屬、陶瓷等基體復(fù)合，制成結(jié)構(gòu)材料。碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合材料，其比強(qiáng)度、比模量綜合指標(biāo)，在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)材料中是最高的。在密度、剛度、重量、疲勞特性等有嚴(yán)格要求的領(lǐng)域，在要求高溫、化學(xué)穩(wěn)定性高的場(chǎng)合，碳纖維復(fù)合材料都頗具優(yōu)勢(shì)。碳纖維是20世紀(jì)50年代初應(yīng)火箭、宇航及航空等尖端科學(xué)技術(shù)的需要而產(chǎn)生的，現(xiàn)在還廣泛應(yīng)用于體育器械、紡織、化工機(jī)械及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。隨著尖端技術(shù)對(duì)新材料技術(shù)性能的要求日益苛刻，促使科技工作者不斷努力提高。20世紀(jì)80年代初期，高性能及超高性能的碳纖維相繼出現(xiàn)，這在技術(shù)上是又一次飛躍，同時(shí)也標(biāo)志著碳纖維的研究和生產(chǎn)已進(jìn)入一個(gè)高級(jí)階段。由碳纖維和環(huán)氧樹(shù)脂結(jié)合而成的復(fù)合材料，由于其比重小、剛性好和強(qiáng)度高而成為一種先進(jìn)的航空航天材料。因?yàn)楹教祜w行器的重量每減少1公斤，就可使運(yùn)載火箭減輕500公斤。所以，在航空航天工業(yè)中爭(zhēng)相采用先進(jìn)復(fù)合材料。有一種垂直起落戰(zhàn)斗機(jī)，它所用的碳纖維復(fù)合材料已占全機(jī)重量的1/4，占機(jī)翼重量的1/3。

據(jù)報(bào)道，美國(guó)航天飛機(jī)上3只火箭推進(jìn)器的關(guān)鍵部件以及先進(jìn)的MX導(dǎo)彈發(fā)射管等，都是用先進(jìn)的碳纖維復(fù)合材料制成的。碳纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料這樣的優(yōu)異性能可以滿足光學(xué)精密儀器高尺寸穩(wěn)定性以及高結(jié)構(gòu)精度的要求。采用碳纖維復(fù)合材料制造微光夜視儀可實(shí)現(xiàn)自身減重的目的。該復(fù)合材料已經(jīng)在航空航天和戰(zhàn)略武器等方面得到廣泛應(yīng)用，是不可取代的高級(jí)復(fù)合材料。幾種材料的比剛度和熱穩(wěn)定性比較如圖1所示。由表1和圖1可知，碳纖維增強(qiáng)環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料具有如下特點(diǎn):（1）密度小。碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料的密度不及鋼密度的五分之一，僅是鈦合金密度的0.47倍，所以可知，尺寸相同的的結(jié)構(gòu)件用碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料制作，要比用鋼制作輕80％，比用鈦合金制作輕53％。（2）比剛度高。碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料的比剛度約為鈦合金材料的2倍，所以可知，在相同質(zhì)量的前提下，碳纖維復(fù)合材料結(jié)構(gòu)剛度要比鈦合金的結(jié)構(gòu)剛度提高一倍，因此適用于結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)。（3）線膨脹系數(shù)小。碳纖維環(huán)氧樹(shù)脂基復(fù)合材料的線膨脹系數(shù)比鈦合金的線膨脹系數(shù)小一個(gè)數(shù)量級(jí)甚至更多。在微光夜視儀結(jié)構(gòu)中，要求在嚴(yán)酷高低溫環(huán)境下變形極小，所以只有采用碳纖維復(fù)合材料才能滿足。并且其與透鏡材料的線膨脹系數(shù)相近，這樣就可以避免在溫度升高或降低時(shí)，結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生較大的溫度梯度。從微光夜視儀的設(shè)計(jì)要求出發(fā)，考慮其特殊的軍事作戰(zhàn)環(huán)境，提出并詳細(xì)地總結(jié)了微光夜視儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中材料的選擇，為以后的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)做了準(zhǔn)備。

作者:張博 單位:黑龍江東方學(xué)院

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