Керамический материал для антенного обтекателя, антенный обтекатель и способ его изготовления

Изобретение относится к керамическому материалу для антенного обтекателя ракеты. Керамический материал содержит следующие компоненты, мас.%: 90-94 Si₃N₄ и 6-10 алюмосиликатов магния, включающих 3,2-5,2 мас.% SiO₂, 0,7-2 мас.% MgO и 2,1-4 мас.% Al₂O₃, и имеет плотность не ниже 2,5 г/см³ и диэлектрическую проницаемость не более 6,5. Антенный обтекатель изготавливают путем формирования гомогенной смеси из порошков Si₃N₄, SiO₂, MgO и Al₂O₃ с органическим связующим, распыления смеси, изостатического прессования, механической обработки сырого полуфабриката, термообработки с целью удаления связующего и спекания. Технический результат изобретения - получение керамического материала с высокими показателями механической прочности, термостойкости и хорошими диэлектрическими свойствами в широком диапазоне температур. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 пр.

 

Настоящее изобретение относится к керамическому материалу для антенного обтекателя, антенному обтекателю и способу его изготовления.

В частности, настоящее изобретение относится к керамическому материалу для антенного обтекателя ракеты и, в общем, для авиакосмической промышленности и к соответствующему технологическому процессу.

Для материалов, используемых в таких применениях, необходимы особо жесткие требования к высокой механической прочности, высокой термостойкости и подходящим диэлектрическим свойствам.

В частности, материалы, используемые в антенном обтекателе, должны обеспечивать оптимальное механическое сопротивление и низкую диэлектрическую проницаемость в широком диапазоне температур.

Они должны быть способны выдерживать аэродинамические силы, атмосферные явления и термические удары в течение длительного периода времени и, в то же время, они должны быть прозрачными для электромагнитных волн.

Известно использование керамического материала для изготовления антенных обтекателей.

В частности известно использование керамических материалов на основе Si₃N₄ (нитрида кремния) для изготовления антенного обтекателя, за счет их подходящих механических свойств как при температуре окружающей среды, так и при высоких температурах и за счет их подходящей стойкости к термическим ударам.

Однако у таких материалов имеются проблемы во время стадии спекания в том, что нитрид кремния при атмосферном давлении имеет тенденцию разрушаться без предварительного плавления или спекания.

По этой причине стадия формирования изделий из таких материалов осуществляется прессованием. Это создает ограничение в том, что формирование прессованием позволяет получить только простые формы. Поэтому изготовление изделия, имеющего более сложные формы, требует выполнения последующих операций механической обработки заготовки.

Эти операции являются длительными, сложными и дорогостоящими из-за хороших механических характеристик материала. В частности, высокая твердость таких материалов требует сложных операций механической обработки и использования дорогостоящих инструментов.

Материал, содержащий нитрид кремния и алюмосиликат бария (BAS), был предложен в некоторых решениях предшествующего уровня техники.

Такие известные решения, хотя имеют высокую плотность и, таким образом, хорошие механические свойства, имеют высокую диэлектрическую проницаемость и, следовательно, плохие диэлектрические свойства.

Кроме того, способ изготовления антенных обтекателей, содержащих такие материалы, имеет вышеуказанные недостатки.

Кроме того, следует отметить, что большинство известных керамических материалов на основе нитрида кремния, изученных относительно применения в аэрокосмической промышленности, представляют проблемы для промышленного применения в том, что их свойства жестко связаны с их микроструктурой и макроструктурой, следовательно, даже небольшие изменения в их композиции и/или в процессе производства значительно изменяют их свойства.

Таким образом, целью настоящего изобретения является создание керамического материала для антенного обтекателя, который имеет высокие характеристики относительно механической прочности, термостойкости и диэлектрических свойств в широком диапазоне температур.

Другой целью настоящего изобретения является создание керамического материала для антенного обтекателя и способ изготовления антенных обтекателей, без проблем со спеканием.

Другой целью настоящего изобретения является создание способа изготовления антенного обтекателя, который является простым, недорогим и который позволяет получить антенный обтекатель, имеющий вышеуказанные механические, термические и диэлектрические свойства.

Эти и другие цели достигаются с помощью керамического материала для антенного обтекателя, содержащего:

- около 80-95% (% масс.) Si₃N₄; и

- около 5-15% (% масс) алюмосиликатов магния, включающих 2,5-12,5% (% масс.) SiO₂, 0,5-3% (% масс.) MgO и 2-6% (% масс.) Al₂O₃;

и имеющего плотность не ниже 2,5 г/см и диэлектрическую постоянную не более 6,5.

Значения диэлектрической проницаемости предпочтительно являются по существу постоянными или подвергаются небольшим колебаниям при изменении температуры. Значения диэлектрической проницаемости измеряются в диапазонах X, Ku и Ка.

Согласно предпочтительным осуществлениям указанная плотность составляет от 2,5 до 2,9 г/см³ и/или указанная диэлектрическая проницаемость составляет от 5,7 до 6,4.

В соответствии с предпочтительными осуществлениями указанная плотность составляет от 2,65 до 2,79 г/см³ и/или указанная диэлектрическая проницаемость составляет от 5,9 до 6,2. Выгодным образом от 15 до 35% (% масс.) Si₃N₄ представляет собой β-Si₃N₄. Это позволяет улучшить диэлектрические свойства материала.

Предпочтительно материал содержит 90-94% (% масс.) Si₃N₄; и около 6-10% (% масс.) алюмосиликатов магния, включая 3,2-5,2% (% масс.) SiO₂, 0,7-2% (% масс.) MgO и 2,1-4% (% масс.) Al₂O₃.

Особенно предпочтительная композиция материала в соответствии с настоящим изобретением содержит 90% (% масс.) Si₃N₄, 5,1% (% масс.) SiO₂, 1,4% (% масс.) MgO и 3,5% (% масс.) Al₂O₃.

В соответствии со вторым аспектом изобретение относится к антенному обтекателю, содержащему такой материал, демонстрирующему те же преимущества, что и у материала, то есть хорошую механическую и термическую стойкость, а также хорошие диэлектрические свойства для широкого диапазона температур.

В более общем случае изобретение относится к изделию, содержащему такой материал.

В соответствии с третьим аспектом изобретение относится к способу изготовления антенного обтекателя, включающему следующие стадии:

a. формирования гомогенной смеси из около 80-95% (% масс.) порошка Si₃N₄ и около 5-15% (% масс.) порошка алюмосиликатов магния, включающих 2,5-12,5% (% масс.) SiO₂, 0,5-3% (% масс.) MgO и 2-6% (% масс.) Al₂O₃;

b. добавления по меньшей мере одного органического связующего в смесь;

c. распыления смеси;

d. изостатического прессования смеси при температуре окружающей среды в специальной пресс-форме так, чтобы сформировать сырой полуфабрикат;

e. механической обработки сырого полуфабриката для придания ему по существу окончательной формы;

f. подвергания формованного сырого полуфабриката термическому циклу;

g. спекания сырого полуфабриката так, чтобы получить готовый продукт.

Такой способ имеет преимущество по сравнению с известными способами, так как он позволяет получить антенный обтекатель с высокой механической и термической стойкостью, а также хорошими диэлектрическими свойствами в широком диапазоне температур.

В частности, полный объем определенных стадий такого способа позволяет получить определенную микроструктуру, которая придает материалу и, таким образом, антенному обтекателю вышеуказанные признаки.

Кроме того, факт проведения механической обработки на сыром полуфабрикате позволяет улучшить обрабатываемость, использование материалов, скорость производственного процесса и механические характеристики готового продукта.

Когда требуется чистовая обработка спеченной детали, эти операции будут короче по сравнению с операциями предшествующего уровня техники, следовательно, сберегается время и срок службы инструмента.

Кроме того, совокупность технологических стадий и определенной композиции материала позволяет преодолеть проблему, связанную с промышленной применимостью, за счет оптимизации промышленного производства, а не только прототипов.

Стадия формирования гомогенной смеси предпочтительно включает следующие два подэтапа:

а′, смешивания Si₃N₄ с SiO₂ для формирования предварительной смеси;

а″, смешивания предварительной смеси с MgO и Al₂O₃.

Стадия а предпочтительно предусматривает стадию добавления воды к смеси так, чтобы сформировать суспензию.

Стадию d изостатического прессования выгодным образом проводят при давлении от 1500 до 1800 бар.

В соответствии с предпочтительными осуществлениями способа изобретения стадия f подвергания полуфабриката термическому циклу включает следующие подэтапы:

f. повышения температуры со скоростью 8°С/час до достижения температуры 300-390°С;

f′. выдерживания полуфабриката при температуре в течение 3-6 часов.

Стадию f подвергания полуфабриката термическому циклу предпочтительно выполняют в печи, которая содержит определенную опору или основание и/или систему для подачи газов так, чтобы обеспечить удаление органического связующего из заготовки. Это позволяет предотвратить разрушение полуфабриката за счет давления, создаваемого органическим связующим.

Стадию g спекания предпочтительно проводят при температуре 1500-1650°С и/или с жидкой фазой в инертной атмосфере, предпочтительно в атмосфере азота.

Тот факт, что такая температура является низкой, позволяет снизить инвестиционные и эксплуатационные расходы установки и, таким образом, производственного процесса.

Стадию g спекания выгодным образом осуществляют на основании из того же материала, что и материал полуфабриката. Это позволяет избежать деформации продукта.

Согласно некоторым осуществлениям стадии спекания g предшествует стадия нанесения антиоксиданта на поверхность продукта.

Для лучшего понимания изобретения и его преимуществ последующее является описанием некоторых иллюстративных и не ограничивающих осуществлений керамического материала для антенного обтекателя и способа изготовления антенного обтекателя изобретения со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг. 1 схематически представляет стадии способа изготовления антенного обтекателя в соответствии с настоящим изобретением; и

фиг. 2 показывает пример изделия, изготовленного с использованием материала изобретения, в ходе некоторых конкретных стадий изготовления.

Керамический материал для антенного обтекателя в соответствии с настоящим изобретением представляет собой материал на основе нитрида кремния, который фактически содержит около 80-95% (% масс.) Si₃N₄.

Предпочтительно около 15-35% (% масс.) Si₃N₄ представляет собой β-Si₃N₄. Фактически было установлено, что определенное контролируемое процентное содержание такой фазы позволяет получить низкую диэлектрическую проницаемость и тем самым улучшить диэлектрическую постоянную материала, то есть его способность быть прозрачным для электромагнитных волн.

В частности, материал изобретения является оптимальным для антенного обтекателя, т.е. для структур, подходящих для защиты антенны, таким образом, выражение "хорошие диэлектрические свойства" используется для указания способности материала быть прозрачным для энергии, излучаемой и принимаемой с помощью антенны.

Материал изобретения также содержит 5-15% (% масс.) алюмосиликатов магния, включающих 2,5-12,5% (% масс.) SiO₂, 0,5-3% (% масс.) MgO и 2-6% (% масс.) Al₂O₃.

Материал предпочтительно содержит 90-94% (% масс.) Si₃N₄; и 6-10% (% масс.) алюмосиликатов магния, включающих 3,2-5% (% масс.) SiO₂, 0,7-2% (% масс.) MgO и 2,1-4% (% масс.) Al₂O₃.

Особенно предпочтительная композиция материала в соответствии с настоящим изобретением содержит 90% (% масс.) Si₃N₄, 5,1% (% масс.) SiO₂, 1,4% (% масс.) MgO и 3,5% (% масс.) Al₂O₃.

Наиболее выгодные результаты были получены с использованием такой композиции.

В соответствии с настоящим изобретением керамический материал имеет плотность не ниже 2,5 г/см³ и предпочтительно от 2,5 до 2,9 г/см³.

Такая характеристика вместе с композицией имеет фундаментальное значение для определения свойств механической прочности материала и, таким образом, для изготовления продукта, пригодного для авиакосмической промышленности.

Кроме того, диэлектрическая проницаемость материала не превышает 6,5, в частности составляет от 5,7 до 6,4, при температуре окружающей среды и при высоких температурах в X, Ku и Ка диапазонах.

Согласно другому аспекту изобретение относится к изделию, содержащему такой материал и, в частности, к антенному обтекателю, содержащему такой материал. Предпочтительно это антенный обтекатель для применения в ракетах и, в общем, в авиакосмической промышленности, но он также может быть использован в различных контекстах, например в морских применениях.

Ниже приводится описание способа изготовления антенного обтекателя в соответствии с настоящим изобретением.

Способ по изобретению предлагает первую стадию формирования гомогенной смеси из около 80-95% (% масс.) порошка Si₃N₄ и около 5-15% (% масс.) порошка алюмосиликатов магния, включающих 2,5-12,5% (% масс.) SiO₂, 0,5-3% (% масс.) MgO и 2-6% (% масс.) Al₂O₃.

Предпочтительно материал содержит 90-94% (% масс.) Si₃N₄ и 6-10% (% масс.) алюмосиликатов магния, включающих 3,2-5,2% (% масс.) SiO₂, 0,7-2% (% масс.) MgO и 2,1-4% (% масс.) Al₂O₃.

Особенно предпочтительная композиция материала в соответствии с настоящим изобретением содержит 90% (% масс.) Si₃N₄, 5,1% (% масс.) SiO₂, 1,4% (% масс.) MgO и 3,5% (% масс.) Al₂O₃.

Такая стадия может быть выполнена смешиванием всех компонентов вместе или в два последовательных подэтапа, т.е. первый подэтап а′, который обеспечивает гомогенное перемешивание Si₃N₄ с SiO₂, так, чтобы сформировать предварительную смесь; и затем второй подэтап а″, который предусматривает смешивание предварительной смеси с MgO и Al₂O₃.

В обоих случаях смешивание предпочтительно происходит с добавлением воды, так как это облегчает последующую стадию распыления. Альтернативно могут быть использованы этанол или любой другой растворитель известного типа.

Смешивание должно гарантировать гомогенность и тесный контакт между порошками.

Такую стадию предпочтительно проводят в специальных мельницах или валковых смесителях.

За ней следует стадия b добавления по меньшей мере одного органического связующего в смесь.

Такое связующее является связующим известного типа и может быть, например, полиэтиленгликолем.

Оно приспособлено для облегчения смешивания, способствуя тесной связи между частицами порошка.

Затем смесь распыляется известным образом, предпочтительно с помощью распылителя, снабженного циклоном, в соответствии со стадией с.

В конце такой стадии смесь находится в форме гомогенной и стабильной аморфной дисперсии.

Затем проводят изостатическое прессование смеси при температуре окружающей среды в специальной пресс-форме (стадия d). Такое прессование проводят при давлении от 1500 до 1800 бар.

Пресс-форма имеет форму, совместимую с формой продукта, подлежащего изготовлению, и предпочтительно эластомерного типа.

В конкретном применении она цилиндрической формы и снабжена концентрическим цилиндрическим стержнем, так чтобы придать полую цилиндрическую форму смеси, как показано на фиг. 2.

После внесения смеси в цилиндр вводят стержень, затем форму герметизируют и смесь подвергают изостатическому прессованию.

Полученный продукт представляет собой сырой полуфабрикат.

В этот момент выполняют стадию е механической обработки сырого полуфабриката таким образом, чтобы придать полуфабрикату требуемую форму, которая по существу совпадает с конечной формой продукта, как показано на фиг. 2.

Как упоминалось ранее, такая стадия - осуществляемая на сыром полуфабрикате и таким образом на более пластичном продукте - позволяет получить значительные преимущества с точки зрения процесса и характеристик готового продукта.

Таким образом, в конце механической обработки, полуфабрикат, хотя еще сырой, по существу, имеет свою окончательную форму.

В соответствии с предпочтительным осуществлением такая форма является конусообразной или стреловидной формой.

Затем выполняют стадию f, подвергая формованный сырой полуфабрикат термическому циклу, предназначенному для удаления органического связующего.

Он оптимизирован в зависимости от определенной используемой композиции и размеров полуфабриката и его предпочтительно проводят на воздухе.

Согласно предпочтительным осуществлениям термический цикл включает подэтапы постепенного повышения температуры, в частности повышения температуры со скоростью 8°С/ч до достижения температуры 300-390°С (стадия f), и выдерживания полуфабриката при достигнутой температуре в течение 3-6 часов (стадия f).

Предпочтительно стадию f осуществляют в печи, в которой имеется определенная опора или основание и/или система подачи газов так, чтобы гарантировать постепенное и равномерное удаление органического связующего из заготовки.

Другими словами, органическое связующее, испаренное из материала, может оставаться захваченным внутри полости изделия, вызывая деформации или разрушения.

Чтобы это предотвратить, печь снабжена сеткой или основанием с отверстиями так, чтобы обеспечить прохождение через них такого связующего.

Альтернативно или дополнительно, печь может быть снабжена подходящей опорой, которая позволяет поместить заготовку с отверстием вогнутостью вверх.

Альтернативно или дополнительно могут быть предусмотрены системы для подачи газов, которые направляют движение газов в требуемом направлении.

В соответствии с предпочтительными осуществлениями способа изобретения выполняют стадию h нанесения антиоксиданта на поверхность готового продукта.

Такое нанесение предпочтительно проводят распылением.

Затем проводят стадию g спекания сырого полуфабриката так, чтобы получить готовый продукт.

Такую стадию предпочтительно проводят при температуре 1500-1650°С и/или с жидкой фазой в инертной атмосфере, предпочтительно в атмосфере азота.

Термический цикл спекания оптимизирован так, чтобы получить определенную микроструктуру.

Было установлено, что кинетика спекания сильно зависит от конкретной исходной композиции материала, в дополнение к температуре.

Стадию g спекания предпочтительно проводят на опоре, изготовленной из того же материала, что и полуфабрикат.

Пример

90% (% масс.) Si₃N₄, 5,1% (% масс.) SiO₂, 1,4% (% масс.) MgO и 3,5% (% масс.) Al₂O₃ смешивают в лопастной мешалке вместе с водой и полиэтиленгликолем так, чтобы получить суспензию.

Смесь распыляют и затем проводят изостатическое прессование при температуре окружающей среды в цилиндрической пресс-форме при давлении 1500 бар.

Полученный таким образом полуфабрикат подвергают наружной механической обработке станком с ЧПУ для придания ему оживальной формы.

Затем полуфабрикат подвергают следующему термическому циклу:

- повышение температуры со скоростью 8°С/ч до достижения температуры 300-390°С;

- поддержание температуры в течение 3-6 часов.

Продукт спекают при температуре до 1550°С в течение около двух часов, чтобы получить готовый продукт.

Готовый продукт подвергают стандартным испытаниям проверки со следующими результатами:

Причем измерение модуля Юнга и коэффициента Пуассона проводят с помощью метода изгиба на резонансной частоте на испытуемых образцах размером 80×10×8 мм в соответствии с указаниями стандарта EN 843-2.

Измерение сопротивления изгибу проводят в соответствии с нормативами стандарта EN 843-1 изгибом в 4-х точках на балках со скошенными краями (измерение 25×2,5×2 мм) с использованием универсального устройства Zwick Z050 со скоростью траверсы 0 на расстоянии 10 мм для верхних опорных призм и 20 мм для нижних. Испытание проводят на 5 образцах.

Измерение вязкости разрушения проводят с использованием метода балки с шевронным надрезом на изгиб в соответствии с нормативами стандарта FprEN 14425-3. Испытание на изгиб проводят с использованием универсального устройства Zwick Z050 со скоростью траверсы 0,02 мм/мин. Испытание проводят на трех испытуемых образцах (измерение 25×2,5×2 мм), предварительно надрезанных с помощью лезвия толщиной 0,1 мм.

Что касается коэффициента теплового расширения, испытания теплового расширения проводят с использованием дилатометра Netsch DIL Ε 402 на 25×2,5×2 мм испытуемых образцах до 1450°С в потоке аргона со скоростью нагрева 5°С/мин.

Измерения диэлектрической проницаемости проводят с помощью волновода, заполненного диэлектриком.

Измерения плотности проводят геометрически на спеченных образцах, используя метод Архимеда в соответствии со стандартом ASTM С373.

Выводы

Полученные результаты показывают, что используемые определенная композиция и сочетание определенных стадий способа позволяют получить материал с хорошими механическими характеристиками, хорошей термостойкостью и хорошими диэлектрическими характеристиками.

В вышеприведенном описании и в последующей формуле изобретения все числовые величины, указывающие количества, параметры, проценты и так далее, считаются предваряемыми во всех случаях термином "около", если не указано иное. Кроме того, все числовые количественные диапазоны включают все возможные комбинации максимальных и минимальных числовых значений и все возможные промежуточные диапазоны помимо тех, которые конкретно указаны в тексте.

Специалисты в данной области техники могут проводить дальнейшие модификации и изменения керамического материала, антенного обтекателя и способа изготовления в соответствии с настоящим изобретением с целью удовлетворения возможных и определенных требований, входящих в объем притязаний настоящего изобретения.

1. Керамический материал для антенного обтекателя, содержащий:
- около 90-94% (% масс.) Si₃N₄; и
- около 6-10% (% масс.) алюмосиликатов магния, включающих 3,2-5,2% (% масс.) SiO₂, 0,7-2% (% масс.) MgO и 2,1-4% (% масс.) Al₂O₃;
имеющий плотность не ниже 2,5 г/см³ и диэлектрическую проницаемость не более 6,5.

2. Керамический материал по п. 1, в котором указанная плотность составляет от 2,5 до 2,9 г/см³ и/или указанная диэлектрическая проницаемость составляет от 5,7 до 6,4.

3. Керамический материал по п. 1, в котором 15-35% (% масс.) Si₃N₄ представляет собой β-Si₃N₄.

4. Керамический материал по любому из пп. 1-3, содержащий 90% (% масс.) Si₃N₄; 5,1% (% масс.) SiO₂, 1,4% (% масс.) MgO и 3,5% (% масс.) Al₂O₃.

5. Антенный обтекатель, содержащий керамический материал по любому из пп. 1-4.

6. Способ изготовления антенного обтекателя по п. 5, включающий следующие стадии:
a. формирования гомогенной смеси из около 90-94% (% масс.) порошка Si₃N₄ и 3,2-5,2% (% масс.) порошка SiO₂, 0,7-2% (% масс.) порошка MgO и 2,1-4% (% масс.) порошка Al₂O₃, причем общее количество указанных оксидов составляет около 6-10% (% масс.);
b. добавления по меньшей мере одного органического связующего к смеси;
c. распыления смеси;
d. проведения изостатического прессования смеси при температуре окружающей среды в специальной пресс-форме так, чтобы сформировать сырой полуфабрикат;
e. механической обработки сырого полуфабриката для придания ему по существу окончательной формы;
f. подвергания формованного сырого полуфабриката циклу термической обработки, предназначенному для удаления органического связующего;
g. спекания сырого полуфабриката так, чтобы получить готовый продукт.

7. Способ изготовления антенного обтекателя по п. 6, в котором стадия а формирования гомогенной смеси включает следующие два подэтапа:
а'. смешивания Si₃N₄ с SiO₂ для формирования предварительной смеси;
а". смешивания предварительной смеси с MgO и Al₂O₃.

8. Способ изготовления антенного обтекателя по п. 6 или 7, в котором стадия f подвергания полуфабриката циклу термической обработки включает следующие подэтапы:
f'. повышения температуры со скоростью 8°C/час до достижения температуры 300-390°C;
f". выдерживания полуфабриката при указанной температуре в течение 3-6 часов.

9. Способ изготовления антенного обтекателя по п. 6, в котором стадию f подвергания полуфабриката циклу термической обработки проводят в печи, которая содержит опору и/или систему подачи газов такие, чтобы обеспечить удаление из заготовки органического связующего.

10. Способ изготовления антенного обтекателя по п. 6, в котором стадию g спекания проводят на опоре, изготовленной из того же материала, что и полуфабрикат.