Высокотермостойкий радиопрозрачный композиционный материал Российский патент 2024 года по МПК C08L61/00 C08K7/00 C09K21/14 H01Q1/42 

Изобретение относится к области композиционных материалов, а именно монолитных, радиопрозрачных конструкций для защиты антенного оборудования при их эксплуатации в режимах одностороннего нагрева до 1400°С.

Известен из патента РФ 2784939 МПК С086 6/00 опубл. 01.12.2022 Способ получения высокотемпературного композиционного материала, в котором в качестве армированного кремнеземного наполнителя используют сплетенную в трикотажную ткань кремнеземную нить, а для поддержания ее сплетенного состояния в последнюю интегрируется арселоновая пряжа, удаляемая при нагреве до 400-600°С в течение 2-12 ч. в атмосфере воздуха, после чего проводят пропитку кремнеземного наполнителя порошкообразным фталонитрильным связующим, выкладывая расчетное количество связующего между слоями наполнителя так, чтобы самый нижний и самый верхний слои связующего составляли массы внутренний слоев, и выполняют спекание порошка при 50°С в течение 10 минут после выкладки каждого слоя. Высокотемпературный композиционный материал, полученный указанным способом, не может быть отнесен к радиопрозрачным материалам, так как в патенте не представлен параметрами радиопрозрачности - диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь.

Известна из патента РФ 2211201 МПК С04В 28/00, С04В 28/34 опубл. 27.08.2003 г. композиция стеклотекстолита и способ его изготовления, включающая стеклоткань с содержанием SiO₂ не менее 98% - 20÷22%, алюмофосфатное связующее - 38÷40% и порошок оксида алюминия - 38÷40%. Способ изготовления стеклотекстолита включает пропитку стеклоткани 15% раствором кремнийорганической смолы, нанесение на заготовки стеклоткани шликера из суспензии алюмофосфатной связки и порошка, выкладку пакета заготовки заданной толщины и после подсушки при 20÷25°С в течение 24 часов проиводят термопрессование при давлении 7,0-9,0 МПа и конечной температуре 270°С.

Основным недостатком указанного аналога является наличие в структуре материала органической составляющей - аппретирующей пленки из кремнийорганической смолы на поверхности стекловолокна, которая при температурах выше 400°С разлагается с выделением углерода (процесс карбонизации), что ухудшает радиотехнические свойства материала, особенно тангенса угла диэлектрических потерь. При этом падает прочность материала, так как после выгорания аппретирующей пленки усиливается воздействие кислой фосфатной связки на кварцевую ткань и разрушает ее. Одновременно изделия из такого текстолита изготавливаются методами механической обработки, что приводит к разрыву армирующего материала и падению прочности изделий.

Наиболее близким к заявленному изобретению является высокотермостойкий радиопрозрачный стеклопластик и способ его получения по патенту РФ №2610048 МПК С04В 35/80, опубл. 07.02.2017, выполненный на основе фосфатного связующего и аппретированного волокнистого наполнителя с защитным покрытием, нанесенным на ткань методом «золь-гель» технологии из насыщенных водных растворов солей алюминия и хрома. При этом указанный материал имеет стабильные характеристики по диэлектрической проницаемости (3,48÷3,62) и тангенс угла диэлектрических потерь (0,0021÷0,0071) при 10¹⁰ Гц с ростом показателей в зависимости от повышения температуры в диапазоне от 20°С до 1200°С.

Вместе с тем ряд технических объектов с антенным оборудованием должны сохранять свою работоспособность при температурах 1400°С, в том числе и в условиях аварийно-пожарных режимов. Поэтому использование в таких режимах вышеуказанного изобретения либо невозможно, либо требует дополнительных испытаний.

Задачей авторов заявляемого изобретения является разработка структуры и технологии получения высокотермостойкого радиопрозрачного композиционного материала (далее ВРКМ) для применения в технических объектах с антенным оборудованием, сохраняющего его работоспособность в условиях температурных воздействий до 1400°С в течение заданного времени.

Новый технический результат, обеспечиваемый использованием предлагаемого изобретения, заключается в возможности изготовления ВРКМ и сложных профильных изделий из него без механической обработки и разрушения армирующих компонентов, работающих при температурах 1400°С÷1500°С на их внешних поверхностях без потери или снижения значений диэлектрических характеристик в течение 60-250 секунд.

Указанные задачи и новый технический результат обеспечиваются тем, что ВРКМ, содержащий в качестве армирующего наполнителя сплетенную в трикотажную ткань кремнеземную нить, пропитанного порошкообразным фталонитрильным связующим для автоклавного формования полученной таким образом композиции, отличающийся тем, что при температуре 20°С и частоте 10⁶ Гц его диэлектрическая проницаемость равна 4,23, тангенс угла диэлектрических потерь - 0,02, при температуре 20°С и частоте 10⁸ Гц его диэлектрическая проницаемость равна 4,14, тангенс угла диэлектрических потерь - 0,002, а после воздействия высокоскоростного теплового потока с температурой 1800°С и временем выдержки 250 сек при температуре 1400°С на поверхности материала при частоте 10⁶ Гц диэлектрическая проницаемость материала составляет 2,71, а тангенс угла диэлектрических потерь - 0,0018.

Изобретение поясняется чертежами:

На Фиг. 1 представлена частотная зависимость тангенса угла диэлектрических потерь tgδ.

Осуществление изобретения

Все используемые реагенты и компоненты являются коммерчески доступными в РФ, все процедуры не оговоренные особо, осуществляли при нормальных условиях - при комнатной температуре или температуре окружающей среды в диапазоне от 18 до 25°С.

Общая схема получения ВРКМ

В качестве армирующего наполнителя в указанном материале и в формуемых из него изделиях использовано полотно РАТ.01 по ТУ PAT.1382867.001-2022, сплетенное их кремнеземной нити К11С6-170БА и арселоновой нити. В качестве матрицы (связующего) использовано порошкообразное фталонитрильное связующее ФНИ350 по ТУ 20.14.43-002-73047899-2020.

Технологический процесс получения высокотермостойкого радиопрозрачного композиционного материала и изделий из него состоит из следующих основных операций:

- раскрой полотна по картам раскроя и количеству слоев (в зависимости от габаритов изделия);

- удаление арселоновой пряжи из полотна после раскроя при температуре не менее 700°С в течение 12-16 часов в термопечи с принудительной продувкой воздухом (режим отличен в сравнении с аналогом по патенту РФ 2784939);

- укладка в матрицу расчетного количества слоев полотна с одновременной, равномерной послойной выкладкой между слоями расчетного количества порошкообразного связующего с его послойным спеканием при 50°С в течение 10 минут на каждый слой (режим отличен в сравнении с аналогом по патенту РФ 2784939);

- полученную композицию отверждают в автоклаве, нагревая до температуры 190°С со скоростью 0,5°С/мин с выдержкой в течение 4 часов под давлением 8 бар;

- постотверждение отформованного материала (плит, заготовок и др.) или изделия из него в термопечи при температуре 330°С в течение 8 часов и атмосферном давлении.

Физико-механические характеристики ВРКМ после испытаний изготовленных образцов, проведенных аккредитованной лабораторией в нормальных условиях (при 20°С), представлены в табл. 1.

После испытаний образцов материала с воздействием высокоскоростного теплового потока с температурой 1800°С и временем выдержки 250 сек при температуре 1400°С на поверхности материала, проведенные аккредитованной лабораторией Центрального института авиационных материалов (ЦИАМ) его механическая прочность составила:

- разрушающее напряжение при сжатии - 16 МПа;

- разрушающее напряжение при изгибе - 9,5 МПа.

Испытания по определению диэлектрической проницаемости ε' и тангенса угла диэлектрических потерь tgδ образцов ВРКМ проводились на измерительном комплексе Novocontrol BDS-80 производства фирмы NOVOCONTROL Technologies GmbH & Со. Результаты испытаний по определению значений диэлектрических характеристик образцов представлены в табл. 2.

После определения диэлектрических характеристик при частотах выше 10⁶ Гц с использованием функции Джоншера на указанном оборудовании были получены результаты диэлектрических характеристик (табл. 3, фиг. 1).

Кривая зависимости тангенса угла диэлектрических потерь и частот представлена на фиг. 1. Как видно из графической зависимости минимальное значение тангенса угла диэлектрических потерь фиксируется на частотах, близких к 10⁸ Гц. Это связано с релаксационными процессами, происходящими в соединениях связующего и армирующего наполнителя на частотах больше 10⁸ Гц и возрастанием при этом значения тангенса угла диэлектрических потерь. Эту особенность материала необходимо учитывать при установке и эксплуатации антенного оборудования на изделия.

Одновременно, как видно из представленных таблиц и графического материала, значение диэлектрической проницаемости остается стабильно постоянным независимо от термических режимов эксплуатации материала.

Изобретение относится к области композиционных материалов, а именно монолитных, радиопрозрачных конструкций для защиты антенного оборудования при их эксплуатации в режимах одностороннего нагрева до 1400°С. Высокотермостойкий радиопрозрачный композиционный материал, полученный автоклавным формованием из армирующего наполнителя в виде сплетенной в трикотажную ткань кремнеземной нити, пропитанной порошкообразным фталонитрильным связующим ФНИ 350. Радиопрозрачный материал при температуре 20°С и частоте 10⁶ Гц имеет диэлектрическую проницаемость 4,23, тангенс угла диэлектрических потерь - 0,02, при температуре 20°С и частоте 10⁸ Гц его диэлектрическая проницаемость равна 4,14, тангенс угла диэлектрических потерь - 0,002, а после воздействия высокоскоростного теплового потока с температурой 1800°С и временем выдержки 250 сек при температуре 1400°С на поверхности материала при частоте 10⁶ Гц диэлектрическая проницаемость материала составляет 2,71, а тангенс угла диэлектрических потерь - 0,0018. Технический результат - возможность изготовления высокотермостойкого радиопрозрачного композиционного материала и сложных профильных изделий из него без механической обработки и разрушения армирующих компонентов, работающих при температурах до 1400°С на их внешних поверхностях без потери или снижения значений диэлектрических характеристик в течение 60-250 секунд. 1 ил., 3 табл.

Высокотермостойкий радиопрозрачный композиционный материал, предназначенный для изготовления монолитных радиопрозрачных конструкций для защиты антенного оборудования при их эксплуатации в режимах одностороннего нагрева до 1400°С, полученный автоклавным формованием, отличающийся тем, что в качестве армирующего наполнителя используется сплетенная в трикотажную ткань кремнеземная нить, пропитанная порошкообразным фталонитрильным связующим ФНИ 350, при температуре 20°С и частоте 10⁶ Гц имеющий диэлектрическую проницаемость 4,23, тангенс угла диэлектрических потерь - 0,02, при температуре 20°С и частоте 10⁸ Гц - диэлектрическую проницаемость - 4,14, тангенс угла диэлектрических потерь - 0,002, а после воздействия высокоскоростного теплового потока с температурой 1800°С и временем выдержки 250 сек при температуре 1400°С на поверхности материала при частоте 10⁶ Гц диэлектрическая проницаемость материала составляет 2,71, а тангенс угла диэлектрических потерь - 0,0018.