РАДИОПРОЗРАЧНЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ АНТЕННОГО ОБТЕКАТЕЛЯ Российский патент 2005 года по МПК C04B35/04 C04B35/00 

Описание патента на изобретение RU2263086C2

Изобретение относится к области композиционных материалов, а именно монолитных, прозрачных для микроволнового излучения обтекателей антенн и радиолокаторов летательных аппаратов, обладающих высокой прочностью и эрозионной стойкостью при температурах свыше 2000°С.

Возрастающие скорости летательных аппаратов, повышение их маневренности и дальности поражения целей, возможность их применения в любую погоду, повышение требований к радиотехническим характеристикам обусловили потребность в радиопрозрачных обтекателях антенн летательных аппаратов, обладающих рядом свойств, таких как устойчивость к аэродинамическим нагрузкам, эрозионная стойкость, проницаемость для радиоволн при высоких температурах (˜2000°С). Поэтому необходимы материалы для изготовления таких обтекателей, обладающие высокой прочностью, высокой эрозионной стойкостью, радиопрозрачностью и отсутствием абляции при высоких температурах, т.е. уноса массы с поверхности обтекателя высокотемпературным скоростным газовым потоком под воздействием тепла, механических сил и агрессивных сред этого потока.

Существует большое количество высокотермостойких материалов, устойчивых в окислительных и восстановительных средах, со стабильными диэлектрическими характеристиками и при низких, и при высоких температурах, на основе кварцевой керамики и стеклокерамических материалов, таких как ситаллы. Технология получения таких материалов не требует дорогостоящего оборудования и сырья, в основном это получение изделий из жидких шликеров и прессование порошковых масс, однако эти материалы имеют существенный недостаток - низкие прочностные свойства, что не позволяет использовать их в изделиях, несущих высокие нагрузки.

Известен радиопрозрачный композиционный материал на основе алюминиево-кремниевого оксинитрида, упрочненного нитридом бора, равномерно распределенного в виде дискретной фазы в алюминиево-кремниевой оксинитридной матрице. Композит получают путем приготовления однородной смеси порошков нитрида бора, нитрида алюминия, оксида кремния и оксида алюминия, компактирования этой смеси при повышенных температуре и давлении в течение времени, достаточного для образования матричной кремниево-алюминиево-оксинитридной структуры с распределенным внутри нее мелкодисперсным нитридом бора (патент США №5891815).

Известен также радиопрозрачный материал, работоспособный при 2000°С, получаемый путем приготовления порошковой смеси из 20-60 мас.% Si3N4, 12-40%BN, 15-40% SiO2 и 1-20% кислородсодержащих спекающих добавок, формования предварительной заготовки из этой смеси и горячего прессования ее в монолитный материал (патент США №5627542).

Также известен композиционный материал для радиопрозрачного обтекателя, состоящий из нитрида алюминия и распределенного в нем нитрида бора в количестве 0,01-35 об.%, получаемый путем смешивания порошков нитрида алюминия размером не более 74 мкм и нитрида бора размером не более 10 мкм, помещения порошка в форму и уплотнения его в неокисляющей среде при температуре, давлении и в течение времени, достаточных для образования керамической структуры (патент США №4666873).

Недостаток этих материалов заключается в том, что образующиеся на их поверхности при температурах эксплуатации защитные пленки оксида кремния и оксида алюминия при температуре свыше 1750°С разрушаются, и материал становится подвержен абляции и эрозии, что существенно снижает срок службы антенных обтекателей, выполненных из этих материалов.

Наиболее близким по составу к заявляемому является радиопрозрачный материал для обтекателей антенн, включающий дискретную фазу нитрида бора, распределенную в матрице из оксида алюминия. Частицы нитрида бора в среднем имеют длину 3-5 мкм и имеют форму чешуек, толщина которых в 10 раз меньше длины (патент США №4304870).

Недостаток этого материала, принятого за прототип, заключается в том, что температура 2000°С является для него физическим пределом из-за плавления оксида алюминия, что делает невозможным его применение в гиперзвуковых летательных аппаратах, где температуры эксплуатации составляют 2000°С и выше, а кроме того, технология получения и эксплуатация этого материала требуют предотвращения попадания на его поверхность щелочных и щелочноземельных ионов из-за склонности оксида алюминия к образованию высокоэлектропроводного и нетермостойкого β-глинозема, из-за чего материал становится подвержен эрозии. Эти недостатки ограничивают его применение в изделиях, работающих при температурах свыше 2000°С и гиперзвуковых скоростях.

Технической задачей данного изобретения является разработка материала для антенного обтекателя летательного аппарата, работоспособного при температурах свыше 2000°С, обладающего высокой прочностью, высокой эрозионной стойкостью и радиопрозрачностью как при низких, так и при высоких температурах, не требующего при изготовлении дорогостоящего оборудования и дефицитного сырья и легко поддающегося механической обработке.

Для решения поставленной задачи предложен радиопрозрачный материал для антенного обтекателя, содержащий керамическую матрицу и мелкодисперсные включения нитрида бора, отличающийся тем, что керамическая матрица содержит оксид магния, а содержание нитрида бора составляет 15-45 об.%.

Готовое изделие характеризуется монолитной структурой из оксида магния с мелкодисперсными включениями нитрида бора, имеет плотность 3,1-3,4 г/см3 в зависимости от содержания нитрида бора, диэлектрическую постоянную 7,5, тангенс потерь сухого образца 0,0006 (6×10-4), а после воздействия влаги в течение суток и сушки - 0,005, прочность 100 МПа, незначительную абляцию при 2500°С и хорошую способность к механической обработке.

Примеры осуществления.

Пример №1.

Для приготовления шликера брали 80 г оксида магния, 10 г размолотого до размера частиц 1-5 мкм нитрида бора и 30 мл дистиллированной воды. После затвердевания шликера полученную заготовку раздробили, подвергли обжигу при 1250°С и размололи. Полученный порошок засыпали в графитовую форму и подвергли горячему прессованию при температуре 1750°С и давлении 25 МПа. Содержание оксида магния в полученном материале составило 85 об.%, а нитрида бора - 15 об.%. В таблице приведены химический состав и свойства предлагаемого материала (примеры 1-3) и материала по прототипу (пример 4).

Пример №2.

По примеру №1 получен материал с содержанием оксида магния 66 об.% и нитрида бора 34 об.%. Исходное количество оксида магния - 67 г, а частиц нитрида бора размером 7-10 мкм - 24 г.

Пример №3.

По примеру №1 получен материал с содержанием оксида магния 55 об.% и нитрида бора 45 об.%. Было взято 57 г оксида магния и 34 г порошка нитрида бора.

Пример №4 по материалу-прототипу.

Получен горячепрессованный образец из 154 г Al2О3 и 46 г BN. Механическое смешение проходило в шаровой мельнице в течение 2 часов в среде изопропилового спирта с последующей сушкой. Температура горячего прессования полученной смеси составляла 1750°С, давление - 25 МПа. Содержание в готовом материале оксида алюминия составляло 65 об.%, а нитрида бора - 35 об.%. Свойства полученного материала приведены в таблице.

Таблица№примераСостав материалаСвойства полученных образцовПрочность, МПаАбляция*Тангенс потерьПлотность, г/см3Диэлектрическая постояннаяРабочая температура,
°С
1MgO-85%, BN-15%120отсутствует6·10-43,49923002MgO-66%,
BN-34%
110отсутствует4·10-43,247,52300
3MgO-55%, BN-45%100Появление небольшого матового пятна на рабочей поверхности4·10-43,09723004Al2O3-65% BN-35%110Значительный размыв поверхности со следами растекания расплава4·10-43,567,61950* - В графе «абляция» описано изменение поверхности материала под воздействием потока продуктов сгорания природного газа с коэффициентом избытка воздуха 1,1-1,2 при температуре 1200°С, скорости потока 1000 м/с и статическом давлении 0,1 МПа.

Как видно из таблицы, предлагаемый радиопрозрачный материал имеет хорошую устойчивость к абляции при температурах выше 2000°С, высокую прочность, достаточно низкую плотность и хорошую радиопрозрачность, характеризуемую диэлектрической постоянной и тангенсом потерь. Материал прототипа с матрицей на основе оксида алюминия обладает примерно такой же прочностью и радиопрозрачностью, но имеет более высокую плотность, а следовательно, утяжелит изделие и деструктирует при более низкой температуре (1950°С) из-за плавления оксида алюминия.

Таким образом, применение предлагаемого радиопрозрачного материала для изготовления антенных обтекателей позволит повысить надежность и ресурс изделий нового поколения, в том числе гиперзвуковых летательных аппаратов.

Похожие патенты RU2263086C2

название год авторы номер документа
РАДИОПРОЗРАЧНОЕ ЗАЩИТНОЕ ПОКРЫТИЕ С ВЫСОКОЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬНОЙ СПОСОБНОСТЬЮ ДЛЯ МАТЕРИАЛОВ И ИЗДЕЛИЙ НА ОСНОВЕ КВАРЦЕВОГО СТЕКЛА 2014
  • Шамшетдинов Каюм Билялович
  • Келина Ирина Юрьевна
  • Бородай Феодосий Яковлевич
  • Бородай Светлана Прохоровна
  • Зарюгин Геннадий Давыдович
RU2549662C1
ТЕПЛОЗАЩИТНОЕ ПОКРЫТИЕ 2012
  • Шамшетдинов Каюм Билялович
  • Келина Ирина Юрьевна
  • Чевыкалова Людмила Александровна
  • Бородай Феодосий Яковлевич
  • Рудыкина Валентина Николаевна
  • Алексеев Дмитрий Владимирович
RU2497783C2
Истираемое уплотнительное покрытие (рабочая температура до 800С) 2022
  • Валеев Руслан Андреевич
  • Каблов Евгений Николаевич
  • Фарафонов Дмитрий Павлович
  • Патрушев Александр Юрьевич
  • Ярошенко Александр Сергеевич
  • Серебряков Алексей Евгеньевич
  • Лизунов Евгений Михайлович
RU2791541C1
Устройство для снижения температуры элементов гиперзвукового аппарата 2021
  • Шкарупа Игорь Леонидович
  • Хмельницкий Анатолий Казимирович
RU2768313C1
Антенный обтекатель 2017
  • Антонов Владимир Викторович
  • Воробьев Сергей Борисович
  • Часовской Евгений Николаевич
  • Келина Ирина Юрьевна
  • Шамшетдинов Каюм Билялович
RU2662250C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОБОЛОЧКИ АНТЕННОГО ОБТЕКАТЕЛЯ ИЗ РЕАКЦИОННО-СВЯЗАННОГО НИТРИДА КРЕМНИЯ 2010
  • Курская Ираида Николаевна
  • Рудыкина Валентина Николаевна
  • Келина Ирина Юрьевна
  • Шаталин Анатолий Степанович
  • Шеянов Виктор Юрьевич
  • Шамшетдинов Каюм Билялович
  • Ганичев Александр Иванович
RU2453520C1
Гетеромодульный керамический композиционный материал и способ его получения 2019
  • Кульков Сергей Николаевич
  • Буякова Светлана Петровна
  • Бурлаченко Александр Геннадьевич
  • Мировой Юрий Александрович
  • Дедова Елена Сергеевна
RU2725329C1
АНТЕННЫЙ ОБТЕКАТЕЛЬ 2011
  • Аноприенко Анатолий Иванович
  • Воробьев Сергей Борисович
  • Зарюгин Геннадий Давыдович
  • Келина Ирина Юрьевна
  • Полетаев Максим Евгеньевич
  • Русин Михаил Юрьевич
RU2451372C1
АНТЕННЫЙ ОБТЕКАТЕЛЬ 2011
  • Аноприенко Анатолий Иванович
  • Зарюгин Геннадий Давыдович
  • Колоколов Леонид Иванович
  • Прасолов Алексей Николаевич
  • Райлян Василий Семенович
  • Русин Михаил Юрьевич
RU2464679C1
Способ получения огнеупорной смеси, содержащей нитрид бора 2021
  • Манашев Ильдар Рауэфович
  • Зиатдинов Мансур Хузиахметович
  • Шаймарданов Камиль Рамилевич
RU2778748C2

Реферат патента 2005 года РАДИОПРОЗРАЧНЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ АНТЕННОГО ОБТЕКАТЕЛЯ

Изобретение относится к области композиционных материалов, а именно монолитных, прозрачных для микроволнового излучения обтекателей антенн и радиолокаторов летательных аппаратов, обладающих высокой прочностью и эрозионной стойкостью при температурах свыше 2000°С. Технический результат изобретения - разработка материала, обладающего высокой прочностью, высокой эрозионной стойкостью и радиопрозрачностью как при низких, так и при высоких температурах, не требующего при изготовлении дорогостоящего оборудования и дефицитного сырья и легко поддающегося механической обработке. Для решения поставленной задачи предложен радиопрозрачный материал для антенного обтекателя, содержащий керамическую матрицу из оксида магния и мелкодисперсные включения нитрида бора. Содержание нитрида бора составляет 15-45 об.%. При температуре 2300оС материал обладает плотностью 3,1-3,4 г/см3 и имеет диэлектрическую постоянную 7-9. 1 табл.

Формула изобретения RU 2 263 086 C2

Радиопрозрачный материал для антенного обтекателя, содержащий керамическую матрицу и мелкодисперсные включения нитрида бора, отличающийся тем, что керамическая матрица выполнена из оксида магния, а содержание нитрида бора составляет 15-45 об.%, при этом плотность материала при температуре 2300оС составляет 3,1-3,4 г/см3, а диэлектрическая постоянная - 7-9.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2005 года RU2263086C2

US 4304870 A, 08.12.1981.SU 1143726 A, 07.03.1983.SU 285572 A, 20.01.1971.JP 3115160 A, 16.05.1991.US 5627542 A, 06.05.1997.US 3811900 A, 21.05.1974.

RU 2 263 086 C2

Авторы

Каблов Е.Н.

Щетанов Б.В.

Берсенев А.Ю.

Максимов В.Г.

Даты

2005-10-27Публикация

2003-12-30Подача