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摘要：本文基于微光夜視儀的使用特點，對比多種常用材料，提出對所有的機械零件選擇使用同一種材料的大膽設想，為保證微光夜視儀光學系統的更好的工作。

關鍵詞：微光夜視儀；結構設計；材料選擇

微光夜視儀是一種應用于軍事作戰中的精密光學儀器，其中光學系統中光學元件的安裝定位精度、雜光的干擾等，會直接影響光學系統的成像質量。機械系統是微光夜視儀的重要組成部分，由于該夜視儀是軍事作戰中用于頭盔上的微光夜視成像系統，對重量、體積指標要求非常嚴格，所以在進行機械結構設計時，要在保證夜視儀性能的前提下，應盡力使其整個結構簡單，重量輕。為提高我軍作戰能力，所以有必要對微光夜視儀做結構優化。因此，微光夜視儀結構設計的任務是按照光學系統設計的軸向要求、光學元件的間隔以及同心度要求，使微光夜視儀光學系統各部分組成一個穩定的整體，并保證光學系統的性能指標要求。同時鏡筒結構設計應滿足：不影響光學系統性能、光學元件的安裝無應力、鏡筒與光學元件的接口、消雜光、重量和體積等總體要求。但是由于質量和體積的限制，野戰中嚴酷的高低溫環境影響，使用傳統的機械設計理念很難滿足系統的要求。

本文對所有的機械零件選擇使用同一種材料，以保證惡劣環境下機械零件均勻地膨脹和收縮，避免不同的膨脹會造成卡環松脫，并且保證微光夜視儀光學系統的正常工作。結構設計的最直接目標就是選擇使用一種熱膨脹系數近似于零的材料進行構架。微光夜視儀鏡座和鏡筒是保證微光夜視儀光學系統性能的關鍵部件，所以鏡座及鏡筒的材料選擇、鏡座的結構形式以及鏡筒的設計對光學系統成像質量起著關鍵的作用；在滿足微光夜視儀結構力學性能要求的前提下，還要盡量降低系統結構的質量，并且能適用于野戰中嚴酷的高低溫環境，所以鏡座及鏡筒材料的選擇必須保證機械系統的精度及穩定性。（1）機械性能穩定性。一方面為了減輕結構質量，應該選擇低密度的材料；另一方面，為了提高結構的剛性，應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構材料的關鍵指標。并且為了在加工后能保證高精度，所選材料的尺寸穩定性應該良好。（2）熱性能穩定性。應該選用低熱膨脹系數的材料作結構材料，并考慮結構之間的熱補償，以使光學系統在野戰惡劣的高低溫環境下仍能保證良好的性能。另一方面，熱導率高還可以使結構中的溫度梯度較小，并使結構內部熱平衡容易在短時間內達到?；谝陨戏治?，本文微光夜視儀結構零件選擇使用機械性能和強度可以和金屬材料相媲美的復合材料。復合材料通過組元材料的協調作用，可以在很大程度上改善和提高單一常規材料的機械性能、物理性能和化學性能。非金屬復合材料具有可設計性及密度小的顯著特點，因此使用非金屬復合材料不僅可以滿足夜視儀機械性能和強度要求，而且可以減輕整個夜視儀的重量。幾種典型復合材料和常用材料性能對比如表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、導電、導熱及耐腐蝕等，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，沿纖維軸方向表現出很高的強度。碳纖維比重小，因此有很高的比強度。碳纖維是一種力學性能優異的新材料，它的比重不到鋼的1/4，碳纖維樹脂復合材料抗拉強度一般都在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脂、金屬、陶瓷等基體復合，制成結構材料。碳纖維增強環氧樹脂復合材料，其比強度、比模量綜合指標，在現有結構材料中是最高的。在密度、剛度、重量、疲勞特性等有嚴格要求的領域，在要求高溫、化學穩定性高的場合，碳纖維復合材料都頗具優勢。碳纖維是20世紀50年代初應火箭、宇航及航空等尖端科學技術的需要而產生的，現在還廣泛應用于體育器械、紡織、化工機械及醫學領域。隨著尖端技術對新材料技術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80年代初期，高性能及超高性能的碳纖維相繼出現，這在技術上是又一次飛躍，同時也標志著碳纖維的研究和生產已進入一個高級階段。由碳纖維和環氧樹脂結合而成的復合材料，由于其比重小、剛性好和強度高而成為一種先進的航空航天材料。因為航天飛行器的重量每減少1公斤，就可使運載火箭減輕500公斤。所以，在航空航天工業中爭相采用先進復合材料。有一種垂直起落戰斗機，它所用的碳纖維復合材料已占全機重量的1/4，占機翼重量的1/3。

據報道，美國航天飛機上3只火箭推進器的關鍵部件以及先進的MX導彈發射管等，都是用先進的碳纖維復合材料制成的。碳纖維增強的復合材料這樣的優異性能可以滿足光學精密儀器高尺寸穩定性以及高結構精度的要求。采用碳纖維復合材料制造微光夜視儀可實現自身減重的目的。該復合材料已經在航空航天和戰略武器等方面得到廣泛應用，是不可取代的高級復合材料。幾種材料的比剛度和熱穩定性比較如圖1所示。由表1和圖1可知，碳纖維增強環氧樹脂基復合材料具有如下特點:（1）密度小。碳纖維環氧樹脂基復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，尺寸相同的的結構件用碳纖維環氧樹脂基復合材料制作，要比用鋼制作輕80％，比用鈦合金制作輕53％。（2）比剛度高。碳纖維環氧樹脂基復合材料的比剛度約為鈦合金材料的2倍，所以可知，在相同質量的前提下，碳纖維復合材料結構剛度要比鈦合金的結構剛度提高一倍，因此適用于結構輕量化設計。（3）線膨脹系數小。碳纖維環氧樹脂基復合材料的線膨脹系數比鈦合金的線膨脹系數小一個數量級甚至更多。在微光夜視儀結構中，要求在嚴酷高低溫環境下變形極小，所以只有采用碳纖維復合材料才能滿足。并且其與透鏡材料的線膨脹系數相近，這樣就可以避免在溫度升高或降低時，結構內部產生較大的溫度梯度。從微光夜視儀的設計要求出發，考慮其特殊的軍事作戰環境，提出并詳細地總結了微光夜視儀的結構設計中材料的選擇，為以后的總體結構設計做了準備。

作者:張博 單位:黑龍江東方學院

參考文獻

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