由连续陶瓷细丝制造功能分级结构的方法技术

本发明专利技术是一种通过缠绕连续陶瓷细丝来构造多个陶瓷层以制备射频(RF)透明结构的方法。每一层的介电性质的特征在于细丝间的间距、细丝数和厚度。一旦构造了多个层，就将该结构从缠绕表面(例如心轴)移除，在单独的设置中用树脂渗透并烧制。脂渗透并烧制。脂渗透并烧制。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】由连续陶瓷细丝制造功能分级结构的方法


[0001]本专利技术是一种通过缠绕连续陶瓷细丝来构造多个陶瓷层以制备射频(RF)透明结构的方法。

技术介绍

[0002]高超音速导弹中的先进雷达系统影响传统天线罩技术中使用的材料和生产技术。需要通过雷达有效且更快地检测多个目标，同时承受高温、热机械负荷和恶劣环境因素，这对高端导弹天线罩的开发提出了挑战。
[0003]纤维增强陶瓷基质复合材料(FR
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CMC)是解决上述大多数问题的一个有前景的解决方案。这些复合材料通过使用陶瓷细丝诸如纤维制备2D(机织、纬编、编织、经编)或3D(3D机织、3D间隔)织物来制造[1,2]，然后通过陶瓷悬浮液来浸渍。根据具体应用，陶瓷纤维可以是氧化物或非氧化物[3
‑
5]。
[0004]开发导弹天线罩的陶瓷基质复合材料(CMC)技术在过去的几十年里已经获得了显著的进步。美国专利号5,738,750描述了开发多层天线罩层的方法，其中蜂窝结构在两侧覆盖有石英布堆，该石英布由被二氧化硅树脂(35重量％)渗透的二氧化硅纤维(65重量％)组成。无机树脂是聚硅氧烷或聚硅氮烷，其在热解后分别转化为二氧化硅或氮化硅。然而，没有明确提及如何通过接合这些层来形成天线罩形状的清晰描述。
[0005]在美国专利号7,118,802中，公开了以超过6马赫飞行的导弹的天线罩的要求。所提出的结构由一个胶体浸渍FR
‑
CMC的负荷承载层和一个隔热层组成。胶体是具有40
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50重量％固体负荷(氧化铝或二氧化硅)的陶瓷悬浮液，而隔热层是泡沫材料，其45％的开孔填充有陶瓷颗粒。这些层用耐高温粘合剂粘合。类似于先前提到的专利，该文献也缺少如何通过使用这些单独的层来使天线罩成形的清晰描述。
[0006]宽带HARM反辐射导弹的构造如参考文件[7]所示。根据该模型，3mm厚的低介电蜂窝结构夹在较薄的高介电层之间。类似于公开文献中公开的信息，没有关于如何构造宽带天线罩的解释。
[0007]陶瓷宽带导弹天线罩的制造对材料和生产技术的选择提出了若干限制。尽管用于超音速/高超音速导弹天线罩的材料几十年来众所周知，但采用高端技术来开发以高马赫数飞行的宽带天线罩相对较新。因此，关于陶瓷宽带天线罩的制造的信息有限，陶瓷宽带天线罩最可能是通过功能分级或通过满足宽带特性的夹层结构来制备的。
[0008]以前的努力主要集中于使窄/单频带下操作的较大和单层的陶瓷天线罩成形。模塑与工具加工结合(美国专利号2002/0163109)、汽缸的冷等静压和机械加工(美国专利号9,673,518、4,615,859和4,615,933)、粉浆浇注[8]、粉浆浇注后化学气相沉积(CVD)(美国专利号4,358,772)、增材制造(美国专利号2009/0096687)是文献中提到的一些技术。
[0009]基于上述信息，阻碍陶瓷宽带天线罩制造进展的因素可以总结如下：
[0010]·
陶瓷材料的易碎性质使其难以成形和烧结成没有缺陷的较大的工件。
[0011]·
多层结构的各个陶瓷层之间的CTE(热膨胀系数)不匹配，从而导致烧制过程中
出现微裂纹和分层。
[0012]·
由于沿孔隙链的结构破裂，难以通过孔隙率对介电常数进行分级。

技术实现思路

[0013]本专利技术是一种通过缠绕连续陶瓷细丝来构造多个陶瓷层以制备射频(RF)透明结构的方法。每一层的介电性质的特征在于细丝间的间距和细丝数。一旦构造了多个层，就将该结构从缠绕表面(例如心轴)移除，在单独的设置中用树脂渗透并烧制。
[0014]如本专利技术所述，通过陶瓷纤维网络制造陶瓷宽带导弹天线罩具有以下与众不同的特征：
[0015]·
本质上易碎的陶瓷材料以可弯曲且柔性的连续陶瓷细丝在心轴上成形。
[0016]·
细丝可以选自纤维、纤维束和织物。
[0017]·
细丝(从现在开始称为纤维)可以选自一系列氧化物或非氧化物陶瓷诸如SiO2、Al2O3、SiC或它们的混合组合物。
[0018]·
纤维可以来自纯陶瓷、添加了有机载体的陶瓷或PDC(聚合物衍生陶瓷)来源，在脱粘和烧制后转化为纯陶瓷。
[0019]·
有机和合成性质的纤维(棉、芳纶、Kevlar、聚丙烯腈和类似物)也可以用作在烧制时在结构中形成孔隙(低介电区)的牺牲层。
[0020]·
纤维可以在x、y和z方向上缠绕、卷绕或编织在诸如心轴的支撑体上(从现在开始该方法称为编织)。
[0021]·
通过根据图案编织具有特定介电常数的连续陶瓷纤维形成结构的每一层。模具上的缠绕角度、纤维之间的孔径(层孔隙率)和缠绕数(层厚度)是图案的限定参数，因此也是层的介电特征。换言之，介电层不一定由材料本身限定，而是由纤维网络设计限定。材料选择和层排列的这种灵活性增强了RF设计能力。
[0022]·
通过对整个厚度进行孔隙率分级的介电常数分级由陶瓷纤维网络的密度决定；主要由纤维间孔径决定。介电常数较低的层通过保持较大的纤维间间距获得。
[0023]·
孔隙率分级不是通过在烧制过程中使用难以控制的成孔剂使基质元件逐渐形成多孔而获得，而是通过陶瓷纤维网络的密度获得。
[0024]·
将模具上编织的层作为篮从模具上移除，并在真空或压力条件下用具有限定组成的树脂浸渍，从而产生已处于生坯状态的近净形状结构。这允许陶瓷的生坯加工，从而加速烧结体的典型加工时间。
[0025]·
仅使用一种类型的浆料(树脂)形成基质。因此，不用担心层之间树脂的不相容性。
[0026]·
在所有层中使用一种树脂消除了与CTE不匹配相关缺陷的风险，因为它代表了一种跨层的均质组成的基质。
[0027]·
树脂组成可以是纯陶瓷或无机的，其在烧结时通过氧化或热解转化为陶瓷。
[0028]·
由于纤维间空间填充了无机树脂，结构更坚韧。这种复合材料结构有助于结构在操作环境下逐渐失效，而不是如纯陶瓷体中那样突然和灾难性的破裂。
[0029]·
最终结构为近净形状，这避免了常规技术的复杂且耗时的过程导致生产率低下。
附图说明
[0030]图1示出了使用相同纤维在心轴上构建各层具有不同编织密度(纤维间孔径)和编织数(层厚度)的功能分级(介电分级)层。
[0031]图2示出了使用相同织物在心轴上构建各层具有不同卷绕密度和卷绕粗细度的功能分级层。
具体实施方式
[0032]纤维增强陶瓷基质复合材料(FR
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CMC)是先进且可定制的材料，与块状陶瓷相比具有改进的韧性和损伤容限[6]。从广义上讲，增强纤维可以分为无机纤维和有机纤维[4]。无机纤维可进一步分为非金属纤维和金属纤维，而有机纤维主要是碳纤维和聚合物纤维。陶瓷纤维与玻璃/矿物和单晶纤维同属于非金属无机本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种通过连续陶瓷纤维制造功能分级结构的方法，包括：
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以特定图案直接在支撑表面上编织连续陶瓷纤维，所述特定图案的特征在于每层的缠绕角度、方向、密度/纤维间孔径和缠绕数/厚度，所述缠绕角度、方向、密度/纤维间孔径和缠绕数/厚度可以针对多层设计的不同层而改变，以满足所需的机械、热学和电学要求，
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从所述支撑表面上移除所述结构，
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在所述结构上应用浆料渗透以填充纤维间间隙。2.根据权利要求1所述的方法，其中在编织之前用非粘性化学品涂覆所述支撑表面以便于移除所编织的结构。3.根据权利要求1所述的方法，其中所述渗透的过程在真空下进行，使具有优化流变学的所述浆料流动到所述纤维之间的开放空间中。4.根据权利要求3...

【专利技术属性】
技术研发人员：汉苏，
申请(专利权)人：阿塞尔桑电子工业及贸易股份公司，
类型：发明
国别省市：