Способ получения защитного и упрочняющего слоя в оболочке антенного обтекателя из кварцевой керамики

Изобретение относится к области авиационной и ракетной техники, преимущественно к изготовлению антенных обтекателей ракет, и может найти применение в машиностроительной и других областях промышленности при создании изделий, обладающих высокой прочностью в сочетании с радиопрозрачностью во всем диапазоне температур эксплуатации. Технический результат изобретения - получение защитного и упрочняющего слоя на внутренней поверхности обтекателя, который обладает функцией герметичности, влагостойкости и упрочняющим эффектом. Способ получения защитного и упрочняющего слоя в оболочке антенного обтекателя из кварцевой керамики включает пропитку внутренней поверхности керамической оболочки ацетоновым раствором смеси кремнийорганической и фенолоформальдегидной смол в соотношении 1:2 соответственно, плотностью 0,940-0,980 г/см³. Полученный слой сушат при комнатной температуре в течение 3-6 часов, затем полимеризуют при температуре 220-240°С в течение 4-6 часов. Пропитку осуществляют методом сообщающихся сосудов в закрытом объеме или методом облива в закрытом объеме. 1 с. и 2 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области авиационной и ракетной техники, преимущественно к изготовлению антенных обтекателей ракет.

Кроме этого, может найти применение в машиностроительной, строительной и других отраслях промышленности при создании изделий, обладающих высокой прочностью в сочетании с радиопрозрачностью во всем диапазоне температур эксплуатации.

Материалом для изготовления обтекателей, работающих кратковременно при температуре выше 900°С, служит кварцевая керамика, обладающая, кроме хороших стабильных диэлектрических характеристик и стойкости к термоудару, высокой пористостью и недостаточной прочностью.

Известен керамический материал, который содержит в качестве добавки битумные масла [1], которые упрочняют керамику, защищают от коррозии и повышают ее водостойкость, но используемая добавка нерадиопрозрачна и не может быть использована для изготовления изделий типа антенных обтекателей и радиопрозрачных окон. Кроме того, битумные масла не термостойки и при температуре выше 100°С разлагаются с выделением большого количества углеродосодержащих продуктов, в результате чего происходит разупрочнение материала.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому способу является способ защиты пористой поверхности из неорганического оксидного материала [2], который заключается в пропитке поверхности материала водным или спиртовым раствором алкилтриалкилоксисилана - кремнийорганической смолы линейного строения, с предварительной обработкой поверхности исходного материала паром или водой с Са(ОН)₂ для лучшей адгезии и уменьшения пористости.

Недостатком этого способа является то, что используемая кремнийорганическая смола имеет невысокую температуру эксплуатации и начинает деструктировать при температуре 250°С, а образующаяся полимерная пленка не обладает «нулевой» пористостью и, следовательно, необходимой влагостойкостью. Кроме этого, необходима предварительная обработка поверхности паром или горячей водой с гидроксидом кальция Са(ОН)₂, а процесс образования защитного слоя трудоемок и требует специального оборудования.

Целью настоящего изобретения является обеспечение герметичности, влагостойкости кварцевой керамики в оболочке антенного обтекателя, а также сокращение технологического цикла за счет исключения предварительной обработки поверхности.

Эта цель достигается тем, что:

1. Способ получения защитного слоя в оболочке антенного обтекателя, включающий пропитку внутренней поверхности керамической оболочки раствором на основе кремнийорганической смолы, отличающийся тем, что пропитку осуществляют ацетоновым раствором смеси кремнийорганической и фенолоформальдегидной смол в соотношении 1: 2 соответственно плотностью 0,94-0,98 г/см³, сушат в течение 3-6 часов при комнатной температуре, затем полимеризуют при 220-240°С в течение 4-6 часов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что пропитку осуществляют методом сообщающихся сосудов в закрытом объеме.

3.Способ по п.1, отличающийся тем, что пропитку осуществляют методом облива в закрытом объеме.

Преимуществом предложенного технического решения перед прототипом и аналогом является то, что:

- разработан способ защиты пористой оболочки из кварцевой керамики, выполняющий три функции: упрочнения исходного материала, герметичности и влагостойкости;

- полимерный слой может работать длительно при 400°С и кратковременно при 700°С без изменения диэлектрических характеристик;

- деструкция полимера при работе антенного обтекателя выше 400°С не носит взрывного характера;

- обтекатель радиопрозрачен во всем диапазоне рабочих температур от - 40 до +700°С;

- пропитываемая поверхность не требует предварительной обработки и дорогостоящего оборудования;

- сокращено время технологического процесса.

Глубина пропитки в оболочке обеспечивается временем контакта пропитываемой оболочки и пропитывающего раствора и находится в пределах 0,5-1,0 мм в зависимости от пористости пропитываемой керамики и плотности пропитывающего раствора.

Образовавшийся полимерный слой после полимеризации не растворяется в растворителях и воде, имеет «нулевую» пористость, «нулевое» влагопоглощение и упрочняющий эффект на 30-50%.

Используемая кремнийорганическая смола - продукт ТМФТ (ТУ 6-02-933-74) - тетракс(метилфенилсилоксангидрокси)титан - полимер крестообразного строения с высокой степенью стойкости к термической и термоокислительной деструкциям, имеющий химическое сродство к пропитываемому материалу - кварцевой керамике. Для отверждения кремнийорганической смолы используют либо отвердитель, либо полимер другого класса с образованием сополимера пространственной структуры.

Главная цепь молекулы ТМФТ состоит из звеньев - О-Si-O-, т.е. из тех же звеньев, что и молекула диоксида кремния - кварцевой керамики.

Для получения сополимера используется фенолоформальдегидная смола новолачного типа - новолак (ГОСТ 18694-80).

Химическое взаимодействие между кремнийорганической смолой и новолаком (фенолоформальдегидной смолой) происходит благодаря реакционным группам - ОН, которых у молекулы ТМФТ - 4. Продуктом взаимодействия является сополимер трехмерной структуры, работающий длительно при температуре 400°С и кратковременно при 700°С.

Технологический процесс получения защитного слоя оболочки состоит в следующем:

- обезжиривание ацетоном внутренней поверхности керамической оболочки, механически обработанной в размер;

- приготовление ацетонового раствора ТМФТ: новолак в соотношении 1:2 соответственно плотностью 0,94-0,98 г/см³;

- закрепление оболочки в установке (установка для пропитки методом облива или методом сообщающихся сосудов);

- пропитка оболочки в течение 1 минуты;

- выгрузка оболочки из установки;

- сушка на воздухе в течение 3-6 часов в зависимости от плотности пропитывающего раствора;

- полимеризация при температуре 220-240°С в течение 4-6 часов.

Пропитка методом сообщающихся сосудов в закрытом объеме - необходимое условие, т.к. в противном случае весь раствор выльется наружу. При пропитке методом облива в закрытом объеме не происходит лавинообразного нарастания плотности пропитывающего раствора, и пропитанная поверхность в обоих случаях не имеет натеков в виде полос.

Примеры конкретного выполнения способа. (Пример 1-3 - пропитка методом сообщающихся сосудов, пример 4-6 - пропитка методом облива).

Пример 1.

Новолак взвесить, размельчить и растворить в ацетоне. Добавить расчетное количество ТМФТ и тщательно все перемешать.

Довести ацетоном смесь новолака и ТМФТ до плотности 0,98 г/см³ и профильтровать.

Оболочку, механически обработанную в размер, обезжирить и закрепить на пунсоне установки для пропитки.

Пропитку оболочки осуществляют методом сообщающихся сосудов. В бачки установки заливают приготовленный раствор и включают двигатель. Бачки с раствором поднимаются вверх и раствор через трубопровод и сливные отверстия поступает в полость между пуансоном и оболочкой. Дойдя до верхнего положения, бачки опускаются вниз, и раствор через сливные отверстия и трубопровод сливается в бачки. Время нахождения пропитывающего раствора в полости и, следовательно, в контакте с внутренней поверхностью оболочки равно 1 минуте.

Оболочку снимают с пуансона, сушат на воздухе 6 часов и помещают в термостат для проведения полимеризации. Температуру поднимают до 220°С со скоростью подъема 2°/мин и выдерживают при этой температуре 6 часов. Охлаждение инерционное до 80°С.

Пример 2

Довести ацетоном смесь новолака и ТМФТ до плотности 0,96 г/см³.

Пропитку оболочки осуществляют методом сообщающихся сосудов, как показано в примере 1.

Сушка на воздухе 4 часа.

Полимеризация осуществляется в термостате.

Температуру поднимают до 230°С со скоростью подъема 2°/мин и выдерживают при этой температуре 5 часов. Охлаждение инерционное до 80°С.

Пример 3

Довести ацетоном смесь новолака и ТМФТ до плотности 0,94 г/см³.

Пропитку оболочки осуществляют методом сообщающихся сосудов, как показано в примере 1.

Сушка на воздухе 3 часа.

Полимеризация осуществляется в термостате.

Температуру поднимают до 240°С со скоростью подъема 2°/мин и выдерживают при этой температуре 4 часа. Охлаждение инерционное до 80°С.

Пример 4

Пропитку оболочки осуществляют методом облива.

Приготовленный раствор смеси новолака и ТМФТ доводят ацетоном до 0,98 г/см³ и сливают его в полиэтиленовый бачок емкостью 3-5 литров.

Оболочку, механически обработанную в размер, обезжиривают, закрепляют в кантователе и герметически закрывают крышкой. Кантователь переворачивают на 180°. Из бачка, вставленного во фланец крышки, ацетоновая смесь новолака и ТМФТ переливается в полость оболочки, при этом воздух из полости вытесняется через отверстие в крышке. Затем кантователь поворачивают на 90° таким образом, чтобы оболочка заняла горизонтальное положение. Оболочку вращают вокруг горизонтальной оси со скоростью 1 оборот в секунду. При такой скорости вращения раствор смеси новолака и ТМФТ тонким слоем обволакивает внутреннюю поверхность оболочки и удерживается на ней в процессе всего времени пропитки за счет центробежной силы. Длительность пропитки - 1 минута.

После пропитки кантователь с оболочкой опускают бачком вниз для того, чтобы раствор из полости оболочки слился в бачок.

Оболочку сушат на воздухе 6 часов.

Полимеризация осуществляется в термостате. Подъем температуры до 220°С производят со скоростью подъема 27 мин и выдерживают при этой температуре 6 часов. Охлаждение инерционное до 80°С.

Пример 5

Довести ацетоном смесь новолака и ТМФТ до плотности 0,96 г/см³. Пропитку оболочки осуществляют методом облива, как показано в примере 4, в течение 1 минуты.

Оболочку сушат на воздухе 4 часа.

Полимеризация осуществляется в термостате. Подъем температуры до 230°С производят со скоростью подъема 2°/мин и выдерживают при этой температуре 5 часов. Охлаждение инерционное до 80°С.

Пример 6

Довести ацетоном смесь новолака и ТМФТ до плотности 0,94 г/см³.

Пропитку оболочки осуществляют методом облива, как показано в примере 4, в течение 1 минуты.

Оболочку сушат на воздухе 3 часа.

Полимеризация осуществляется в термостате. Подъем температуры до 240°С производят со скоростью подъема 27 мин и выдерживают при этой температуре 4 часа. Охлаждение инерционное до 80°С.

Заявленный способ пропитки внутренней поверхности антенного обтекателя из кварцевой керамики ацетоновым раствором смеси кремнийорганической и фенолоформальдегидной смолы позволяет получить защитный слой до 1 мм, который выполняет функции влагозащиты и герметичности, а также упрочняет кварцевую керамику на 30-50% с сохранением технических характеристик обтекателя во всем диапазоне рабочих температур до 700°С.

Источники информации

1. Патент Франции №2046539 МКИ С 04 В 41700, 1973 г.

2. Патент Франции №2182513 МКИ С 04 В 41/22, 1973 г. - прототип.

1. Способ получения защитного и упрочняющего слоя в оболочке антенного обтекателя из кварцевой керамики, включающий пропитку внутренней поверхности керамической оболочки раствором на основе кремнийорганической смолы, отличающийся тем, что пропитку осуществляют ацетоновым раствором смеси кремнийорганической и фенолоформальдегидной смол в соотношении 1:2 соответственно, плотностью 0,940-0,980 г/см³, сушат при комнатной температуре в течение 3-6 ч, затем полимеризуют при температуре 220-240°С в течение 4-6 ч.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что пропитку осуществляют методом сообщающихся сосудов в закрытом объеме.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что пропитку осуществляют методом облива в закрытом объеме.