СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОБОЛОЧЕК АНТЕННЫХ ОБТЕКАТЕЛЕЙ ИЗ КВАРЦЕВОЙ КЕРАМИКИ Российский патент 2011 года по МПК H01Q1/42 

Изобретение относится к ракетной технике, а точнее к технологии изготовления антенных обтекателей радиоуправляемых ракет из кварцевой керамики.

Известна технология получения кварцевой керамики и антенных обтекателей ракет из нее, включающая формование керамических заготовок методом водного шликерного литья в гипсовых формах, сушку, обжиг и мехобработку изделий (J.D.Walton, N.E.Poulos, Slip-cast fused silica. Special Report №43, Georgia Institute of Technology, Atlanta, USA, 1964). Для увеличения отвода тепла от керамической оболочки излучением в кварцевую керамику на стадии приготовления водного шликера вводили порошок Сr₂О₃ в количестве 2,5 мас.%.

Недостатком технологии является сравнительно низкая прочность и высокая пористость кварцевой керамики, что ограничивает область применения изделий. Введение в шликер кварцевого стекла модифицирующей добавки порошка Сr₂О₃ в количестве 2,5 мас.% ухудшает реологические свойства суспензии, усиливает кристаллизуемость кварцевого стекла при обжиге и тем самым дополнительно ухудшает основные физико-технические свойства материала и оболочек, хотя и достигается поставленная задача - повышение излучательной способности.

Известен также способ получения слоистых изделий из кварцевой керамики путем послойного формования керамической заготовки: сначала (наружного слоя) из модифицированного шликера, затем из обычного шликера с последующей сушкой и обжигом изделий (А.с. СССР №660843, кл. С04В 35/14. Бюл. №18, 15.05.1978). Однако способ применим для производства изделий, не требующих точного расположения слоев. Для антенных обтекателей с высокими требованиями по геометрической и электрической толщине стенки в каждом сечении неоднородность и непредсказуемость расположения слоев после усадки заготовки при обжиге создает значительные трудности по радиодоводке обтекателей.

Известен способ упрочнения пористых огнеупорных изделий путем полной пропитки керамической заготовки водным или спиртовым раствором соединений хрома с последующим обжигом при температуре спекания материала (патент США №3789096, кл. 264-60, 1974). Пропитку осуществляют по всему объему путем погружения заготовки в раствор. Как и в предыдущих аналогах, соединения хрома вводятся до обжига материала или изделия, и они являются структурными элементами материала, положительно влияющими на одни и отрицательно на другие свойства материала и изделия. Применительно к кварцевой керамике такое техническое решение приводит к усилению кристаллизации кварцевого стекла, снижению термостойкости, прочности и ухудшению диэлектрических характеристик материала. Кроме того, в патенте не решен вопрос влагозащиты изделий из пористых и керамических материалов.

Наиболее близким техническим решением является способ изготовления оболочек антенных обтекателей из пористой кварцевой керамики, описанный в патенте РФ №2267837, МПК H01Q 1/42. Антенный обтекатель. Бюл. №01, 10.01.2006 г., который включает изготовление керамической заготовки методом водного шликерного литья с последующей сушкой и обжигом, мехобработку оболочки до заданного размера, упрочнение и герметизацию оболочки пропиткой по внутренней поверхности органополимером, например титанметилфенилсилоксановым олигомером ТМФТ ТУ 6-02-993-74, и нанесением на наружную поверхность уносимого влагозащитного покрытия толщиной 50-80 мкм.

Способ позволяет получать полуволновые антенные обтекатели из кварцевой керамики для ракет класса «земля-воздух», работающих на скорости полета до 5-10 М, таких как ракетные системы С-300, С-400. Недостатки способа связаны с ограниченностью оболочки из кварцевой керамики по теплозащите внедренного в поры керамики органополимера, термоэрозией керамического материала при увеличении скорости полета выше 10 М.

Плотная кварцевая керамика, структурно состоящая из ИК-прозрачных частиц кварцевого стекла и воздушных открытых пор, сравнительно хорошо пропускает тепловые инфракрасные лучи от высокотемпературного пограничного слоя (Т=2500-3000°С), что вызывает прогрев тонкой стенки керамической оболочки. На наружной поверхности оболочки обтекателя, особенно в ее носовой части, при скорости полета более 10 М происходит размягчение, плавление и унос материала (Т>1700°С), а внутренние слои оболочек толщиной 6-11 мм прогреваются выше температуры устойчивости упрочняющего органополимера (Т_раб=400-700°С).

Целью настоящего изобретения является повышение рабочих температур упрочненных органополимером оболочек из кварцевой керамики за счет отвода тепла излучением и снижением теплопередачи в материале оболочки, уменьшение скорости уноса материала с термонагруженных участков оболочки обтекателя при сохранении радиотехнических, прочностных и других характеристик обтекателя. Кроме того, целью изобретения является упрощение технологии изготовления слоистых оболочек обтекателей с применением обычной и модифицированной кварцевой керамики.

Поставленная цель достигается тем, что предложен способ изготовления оболочек из кварцевой керамики, включающий изготовление керамической заготовки, механическую обработку до заданных размеров, упрочнение и герметизацию оболочки за счет пропитки по внутренней поверхности органополимером, а также влагозащиту оболочки путем нанесения на наружную поверхность уносимого влагозащитного покрытия, отличающийся тем, что керамический материал оболочки по наружной поверхности или только в носовой части модифицируют на глубину 1-3 мм путем пропитки за счет капиллярных свойств пористой кварцевой керамики водным раствором соли хрома с плотностью 1200-1450 кг/м³ с последующей сушкой и термообработкой оболочки при температуре 450-750°С в течение 1-3 часов, при этом глубину пропитки регулируют количеством раствора, нанесенного на известную площадь модифицируемой поверхности.

В качестве керамической оболочки для полуволнового обтекателя используют оболочку из кварцевой керамики с открытой пористостью 7-12%, с размером пор 0,5-100 мкм и прочностью при изгибе не ниже 40 МПа, а в качестве хромсодержащего вещества применяют водорастворимую соль хрома, например СrСl₃·6Н₂О, с содержанием примесей щелочных металлов не более 0,1 мас.%, а основного вещества не менее 98 мас.%.

Способ отличается тем, что водный раствор модифицирующей добавки наносится на заданную поверхность оболочки послойным напылением, смачиванием тампоном или кистью при непрерывном взвешивании изделия. Экспериментальные и опытно-технологические исследования авторов изобретения образцов и натурных оболочек из кварцевой керамики показали возможность модифицирования поверхностного слоя изделий из кварцевой керамики ТУ 1-596-195-84, применяемой для изготовления антенных обтекателей, путем нанесения на ее поверхность водного раствора солей хрома методом напыления пульверизатором, смачивания поверхности тампоном или кистью с последующим пиролизом и термообработкой изделий при температурах 450-750°С в течение 1-3 часов.

Оптимальные результаты получены при использовании кварцевой керамики с открытой пористостью 7-12% при напылении водного раствора, например хрома треххлористого 6-водного (СrСl₃·6Н₂О) плотностью 1200-1450 кг/м³. Кварцевая керамика с такой пористостью хорошо впитывает водный раствор за счет капиллярного всасывания микронными порами (0,5-100 мкм) материала и обладает достаточной для полуволновых конструкций прочностью не менее 40 МПа.

Хром треххлористый 6-водный (ГОСТ 4473-78) выбран по причине большого содержания основного вещества (не менее 98%) и, главное, минимального количества (не более 0,1%) примесей щелочных металлов, отрицательно влияющих на диэлектрические характеристики радиопрозрачных материалов. Верхний предел плотности водного раствора ограничен технологическими факторами: выпадением кристаллического осадка в растворе при хранении, образованием кристаллической корки или отдельных кристаллов соединений хрома на поверхности изделия, что затрудняет процесс впитывания раствора и ухудшает качество поверхности изделия. Нижний - достаточностью концентрации основного вещества в растворе для образования в порах керамики оксида хрома в количестве не менее 0,5 мас.% за один проход через камеру напыления.

В качестве хромсодержащих водорастворимых соединений могут быть приняты хромовый ангидрид СrО₃, соли Сr(NО₃)₃, Cr(SO₄)₃ при суммарном содержании примесей щелочных металлов не более 0,1 мас.%.

Глубину пропитки контролировали по образцу-спутнику для заданного материала и пропитывающего раствора по окраске в изломе образца. В таблице приведены средние значения глубины h для выбранного материала и раствора СrСl₃·6Н₂О в зависимости от количества нанесенного и впитанного раствора на единицу площади (Р).

Зависимость глубины пропитки от количества наносимого раствора Р, г/см² 0,002 0,005 0,010 0,015 0,020 h, мм 0,5 1,5 2,6 3,9 5,1

Режим термообработки оболочек после пропитки был определен по дифференциально-термическому и рентгено-структурному анализам. Нижние пределы температуры (450°С) и времени выдержки (1 час) обусловлены полным завершением пиролиза всех рассмотренных хромсодержащих солей и образованием в структуре кварцевой керамики частиц Сr₂О₃, верхний предел температуры (750°С) - нецелесообразностью дальнейшей термообработки и возможным ухудшением свойств кварцевой керамики.

Как показали структурные исследования материалов, модифицированных предложенным способом, наночастицы Сr₂О₃ находятся в порах кварцевой керамики на поверхности зерен кварцевого стекла и не влияют на основные свойства материала (коэффициент термического расширения, термостойкость, радиопрозрачность и другие характеристики кварцевой керамики). В то же время частицы Сr₂О₃ препятствуют распространению тепловых ИК-лучей от пограничного слоя и увеличивают излучательную способность материала оболочки в области температур 1300-2200°С с 0,3-0,4 до 0,7-0,9. Кроме того, частицы Сr₂О₃ при нагреве поверхностного слоя до температуры плавления SiO₂ увеличивают эффективную вязкость расплава кварцевого стекла и снижают скорость уноса стенки обтекателя в газовом потоке. Сравнительные испытания на газодинамическом стенде образцов из обычной кварцевой керамики ТУ 1-596-210-85 и модифицированной за счет пропитки раствором СrСl₃ керамики показали, что массовая скорость уноса модифицированного материала для тепловых потоков 3000-4200 ккал/м²·с в два-три раза ниже и составляет 0,15-0,30 кг/ м²·с против 0,52-0.58 кг/м²·с, а коэффициент затухания радиосигнала на СВЧ при максимальном тепловом потоке снизился с 3,4 дБ до 0,7 дБ.

Пример выполнения способа

Отформованные и обожженные керамические заготовки обтекателя 9Б516 из кварцевой керамики ТУ 1-596-195-84 с пористостью 7-11% и прочностью при изгибе 40-65 МПа обрабатывали на токарно-винторезных станках до требуемых размеров. После сушки изделия устанавливали в покрасочную камеру на вращающуюся платформу весов и при помощи краскораспылителя КР-20 на всю наружную поверхность изделия наносили водный раствор соли хрома трехвалентного 6-водного СrСl₃·6Н₂О ГОСТ4473-78 с содержанием основного вещества >98 мас.%, а примесей щелочных и щелочноземельных металлов не более 0.05 мас.%. Плотность водного раствора составляла (1300±100) кг/м³. За два прохода через камеру на изделие напыляли 65-70 г раствора, что составило 0,0055-0,0060 г/см² на единицу площади изделия.

Исходя из таблицы такое количество нанесенного на поверхность изделия раствора обеспечивает всасывание модифицирующей добавки на глубину 2,0±0,2 мм. Это подтверждено и на образце-спутнике, вырезанном из технологического припуска изделия, на который наносили параллельно тот же раствор. Далее изделия сушили в комнатных условиях и термообрабатывали в электрической печи при температуре 600±50°С в течение 2-х часов.

Для модифицирования только носовой части или другой зоны оболочки напыление раствора производили через трафарет на заданный участок известной конфигурации и площади. В дальнейшем керамические оболочки подвергались герметизации и упрочнению путем пропитки по внутренней поверхности на специальной пропиточной установке ацетоновым раствором органополимера ТМФТ ТУ 6-02-933-74 с плотностью 0,960-0,980 г/см³ и последующей полимеризацией при температуре 220±10°С.

Последним этапом технологического процесса является нанесение на наружную поверхность оболочки способом пульверизации уносимого влагозащитного покрытия, состоящего из одного слоя эпоксидной грунтовки ЭП 0101 и 3-6 слоев фторопластовой эмали ФП-566 общей толщиной 50-80 мкм.

Предложенный способ изготовления антенных обтекателей из кварцевой керамики позволяет получать антенные обтекатели для ракет различного назначения, работающих на скоростях полета до 12 М при температуре на поверхности керамической оболочки 1800-2200°С.

По сравнению с прототипом и аналогами способ имеет следующие преимущества:

- исключает технологические процессы получения модифицированного шликера и поэтапное формование керамических слоев, создание специальной пропиточной установки;

- улучшает качество керамического материала в оболочке, так как исключается возможность кристаллизации SiO₂ на введенных в структуру керамики добавках Сr₂О₃ при обжиге изделий;

- расширяет технологические и конструктивные возможности создания слоистых оболочек с формированием модифицированного слоя по всей поверхности или в наиболее термонагруженной носовой части слоев требуемой толщины, в том числе и тонких (до 0,5 мм).

Предложенное техническое решение можно использовать для модифицирования поверхностных слоев и на изделиях из других керамических материалов, обладающих открытой пористостью и всасывающей способностью, как с применением водного раствора СrСl₃·6Н₂О, так и других водорастворимых соединений хрома, кобальта, никеля (для увеличения излучательной способности), титана (повышения диэлектрической проницаемости), алюминия (увеличение высокотемпературной прочности).

Изобретение касается получения антенных обтекателей для ракет различного назначения с радиолокационной системой управления, работающих на скоростях полета до 12 М при температуре на поверхности оболочки 1800-2200°С. Способ получения оболочек антенных обтекателей включает изготовление керамической заготовки, механическую обработку до заданных размеров, упрочнение и герметизацию оболочки пропиткой по внутренней поверхности органополимером и влагозащиту оболочки нанесением на наружную поверхность уносимого влагозащитного покрытия. Керамический материал оболочки по всей наружной поверхности или только носовой части модифицируют на глубину 1-3 мм пропиткой водным раствором соли хрома с плотностью 1200-1400 кг/м за счет капиллярных свойств пористой кварцевой керамики с последующей сушкой и термообработкой оболочки при температуре 450-750°С в течение 1-3 часов. Технический результат - повышение рабочих температур упрочненных органополимером оболочек из кварцевой керамики и уменьшение скорости уноса материала с термонагруженных участков оболочки обтекателя. 3 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Способ получения оболочек антенных обтекателей из кварцевой керамики, включающий изготовление керамической заготовки, механическую обработку до заданных размеров, упрочнение и герметизацию оболочки пропиткой по внутренней поверхности органополимером и влагозащиту оболочки нанесением на наружную поверхность уносимого влагозащитного покрытия, отличающийся тем, что керамический материал оболочки по всей наружной поверхности или только носовой части модифицируют на глубину 1-3 мм пропиткой водным раствором соли хрома с плотностью 1200-1400 кг/м³ за счет капиллярных свойств пористой кварцевой керамики с последующей сушкой и термообработкой оболочки при температуре 450-750°С в течение 1-3 ч.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве керамической оболочки для получения обтекателя используют оболочку из кварцевой керамики с открытой пористостью 7-12%, размером пор 0,5-100 мкм и прочностью при изгибе не ниже 40 МПа.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что водный раствор на заданную поверхность оболочки подается послойно напылением, смачиванием тампоном или кистью при непрерывном взвешивании изделия, а глубину пропитки регулируют по количеству раствора, нанесенного на единицу площади модифицируемой поверхности.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве хромсодержащего вещества применяют водорастворимую соль хрома с содержанием основного вещества не менее 98%, а примесей щелочных металлов не более 0,1% вес, например хром треххлористый 6-водный (CrCl₃·6H₂O).