CN106611895A - 用于天线罩的晶须增强的高断裂韧性陶瓷尖端 - Google Patents

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Abstract

本发明的名称是用于天线罩的晶须增强的高断裂韧性陶瓷尖端。天线罩尖端组件具有高断裂韧性，这归功于尖端以及附接尖端至天线罩的套管紧固件，其中尖端和套管紧固件二者均由氧化铝陶瓷材料和增强碳化硅晶须的混合物构造，并且天线罩由氧化物陶瓷基体复合材料构造。

Description

用于天线罩的晶须增强的高断裂韧性陶瓷尖端
技术领域
本公开内容涉及容纳雷达系统或其他类似的通信系统的航空器、火箭、导弹等的鼻锥体组件或天线罩尖端组件的构造。
发明背景
航空器、火箭、导弹等的鼻锥体通常包括容纳航空器、火箭、导弹等的雷达系统或其他类似通信系统的天线罩。在航空器、火箭、导弹等的运转期间，天线罩经历高速，其在天线罩的材料中产生高温。在火箭和导弹的尖端上的天线罩中是尤其是这样。
高温先进的火箭和导弹天线罩通常由单块陶瓷材料制造。这些单块陶瓷材料的实例包括玻璃陶瓷(Corning Incorporated的)、氮化硅(Ceradyne，Inc.的)和熔凝硅石。这些材料具有用于良好电力传输的低介电常数。天线罩通常构造为具有截锥(truncated cone)配置，其在圆锥配置的顶部具有顶开口和在圆锥配置的底部具有底开口。天线罩具有容纳雷达系统的内部体积。
天线罩的尖端通常与天线罩分开地构造。这样做的一个原因是天线罩的陶瓷材料在天线罩构造期间收缩。天线罩需要具有用于良好电力传输和雷达系统预报的精确的横截面尺寸，以及用于空气动力学的平滑的外部表面。这需要集中天线罩，和在车床上加工和抛光天线罩的外部表面。形成具有整体尖端的天线罩使得这些制造步骤不实际。另外，形成具有整体尖端的单块陶瓷材料的天线罩在尖端处产生具有易碎的单块陶瓷的天线罩。如果尖端通过飞行中的物体——即使为雨——直接冲击受到撞击，其可造成尖端和天线罩的严重故障。
通常使用单独的金属尖端构造高速陶瓷天线罩。金属尖端改善抗冲击性并且降低天线罩的单块陶瓷材料在使用期间的严重故障的可能性。然而，在天线罩的单块陶瓷材料上使用金属尖端产生许多问题。金属尖端阻碍信号从雷达系统传输，并且反射或散射雷达系统的信号，这产生降低雷达系统性能的大的盲点。
另外，金属尖端的热膨胀系数高于用于构造天线罩的单块陶瓷材料的热膨胀系数。这使得在金属尖端和陶瓷天线罩之间难以产生气密密封，该气密密封是保持天线罩的内部体积中受控环境以保护雷达系统组件所必需的。随着时间的推移，在金属尖端和易碎的陶瓷天线罩之间的热膨胀系数差异在天线罩的单块陶瓷材料中产生微裂隙，其使得金属尖端和天线罩之间的密封泄露，并且还使得金属尖端与陶瓷天线罩分离。
使用单独的单块陶瓷尖端附接至单块陶瓷天线罩也是有问题的。单块陶瓷尖端的易碎性质可以使得一旦物体甚至雨冲击造成严重故障。将单独的单块陶瓷尖端牢固地附接至易碎的陶瓷天线罩也是困难的。
发明内容
本公开内容的天线罩尖端组件由天线罩、附接至天线罩的单独尖端和用于将尖端附接至天线罩的套管紧固件组成。尖端具有外部螺纹表面，并且套管紧固件具有内部螺纹表面。当将尖端附接至天线罩时，套管紧固件内部螺纹表面拧紧在尖端外部螺纹表面上。
天线罩由氧化物陶瓷基体(matrix)复合材料构造。该材料具有连续的纤维，其消除天线罩的严重故障的可能性。天线罩具有良好的电子信号传输特性和低的热膨胀系数。天线罩具有截锥。天线罩的截锥配置构型由具有圆锥形配置的天线罩的外部表面限定。天线罩具有与外部表面相对的内部表面。内部表面围绕天线罩的内部体积。天线罩的长度在天线罩长度的相对端处的顶表面和底表面之间延伸。在天线罩的顶表面中提供向天线罩的内部体积打开的开口。
尖端被附接至天线罩的顶表面。尖端由氧化铝陶瓷材料和碳化硅晶须的混合物构造。尖端具有圆柱形配置的近端表面和圆锥形配置的远端表面。外部螺纹表面在尖端的近端表面上形成。外部螺纹表面延伸通过天线罩的顶表面中的开口并且进入天线罩的内部体积。
套管紧固件也由氧化铝陶瓷材料和碳化硅晶须的混合物构造。套管紧固件具有外部表面，该外部表面具有截锥配置，该截锥配置与天线罩的内部表面的配置互补。套管形成有螺纹内部表面，该螺纹内部表面与尖端的螺纹外部表面互补。套管螺纹内部表面拧紧在尖端的螺纹外部表面上，将尖端附接至天线罩。
在套管紧固件的外部表面和天线罩的内部表面之间提供玻璃密封。玻璃密封也在套管紧固件和尖端之间延伸。
用于构造尖端和套管紧固件的氧化铝陶瓷材料和碳化硅晶须晶体材料的混合物具有与用于构造天线罩的氧化物陶瓷基体复合材料的热膨胀系数紧密匹配的热膨胀系数(CTE)。这消除了金属尖端和单块陶瓷材料天线罩之间的热膨胀系数错配问题。例如，由具有30％晶须增强的氧化铝的Greenleaf WG-300制造的尖端和套管具有6.0×10-6的CTE，和由具有18％晶须增强的WG-150制造的尖端和套管具有7.0×10-6的CTE。这两种尖端和套管材料与使用Nextel-720纤维增强的氧化物CMC——其具有6.56ppm/C的平面内CTE——或采用Nextel-610纤维的氧化物CMC——其具有7.87×10-6/C的平面内CTE——具有紧密的CTE匹配。由氧化铝陶瓷材料和碳化硅晶须的混合物构造的尖端可承受高冲击，而没有严重故障。该尖端也不如金属尖端一样阻碍或反射雷达。
已讨论的特征、功能和优势可以在各种实施方式中单独地实现或可以在又其他实施方式中组合，其进一步细节利用以下描述和附图可见。
附图说明
图1是本公开内容的尖端的透视图的表示。
图2是本公开内容的尖端的侧视图的表示。
图3是本公开内容的紧固件套管的透视图的表示。
图4是紧固件套管的近端的平面图的表示。
图5是紧固件套管的远端的平面图的表示。
图6是紧固件套管的侧视图的表示。
图7是组装至天线罩的尖端和紧固件套管的横截面侧视图的表示。
图8是表示制造天线罩尖端的方法的流程图。
具体实施方式
图1是本公开内容的尖端12的透视图的表示。图2是尖端12的侧视图的表示。尖端12具有中心轴14。尖端12的外部表面配置是围绕中心轴14对称的。尖端外部表面配置包括近端表面部分16和远端表面部分18。近端表面部分16由外部螺纹表面22限定。在图1和2表示的尖端12的实例中，外部螺纹表面22由3/8-16螺纹组成。尖端12的远端部分18由外部圆锥形表面24限定。圆锥形表面24从圆锥形表面的圆形底边缘26延伸至圆拱的(rounded)顶表面28。在图1和2中表示的尖端12的实例中，圆拱的顶表面28具有0.125英寸的曲率半径。尖端12的总长度为1至6英寸，标称(nominally)约1.40英寸。外部螺纹表面22的长度为0.25至2英寸，标称约0.425英寸。取决于尖端12的应用，尖端的尺寸可以是不同的。
尖端12由采用晶须增强技术的陶瓷复合材料构造。尖端12的硬陶瓷基体用极其强的、坚硬的碳化硅晶体——通常称为晶须——增强。尖端12由陶瓷基体复合材料构造，该陶瓷基体复合材料为用碳化硅晶须增强的氧化铝陶瓷材料的混合物。用于构造尖端12的陶瓷基体复合材料的一个实例是Greenleaf Corporation的晶须增强的陶瓷材料在中，氧化铝陶瓷材料粉末和碳化硅晶须的混合物中碳化硅晶须的百分比为约30％。在用于构造尖端12的陶瓷复合材料的其他实例中，氧化铝陶瓷材料粉末和碳化硅晶须的混合物中碳化硅晶须的百分比在混合物的18％-30％的范围中。
在尖端12的构造中，制备了氧化铝陶瓷材料粉末和碳化硅晶须的混合物。将氧化铝陶瓷材料粉末和碳化硅晶须的混合物投入高温/高压压机内，用于形成将用于构造尖端12的坯料(blank)。该压机具有配置为由混合物的氧化铝陶瓷材料粉末和碳化硅晶须形成尖端12的模具。混合物位于压机中模具之间，并且在高温(高于3,000华氏度)下热压和在高压下压缩以形成尖端12的坯料。形成尖端12的坯料，其具有为圆柱形的尖端近端部分16和具有圆锥形配置的尖端远端部分18。坯料是致密的并且具有细粒尺寸(fine grain size)。在与压机的温度同时地施加至压机中的混合物的外部压力产生氧化铝陶瓷材料和增强碳化硅晶须的良好固结。
然后在尖端12的圆柱形近端部分16上加工外部螺纹表面22。螺纹表面22的螺槽(valley)的底部加工为浅的以降低负载下螺纹表面22的切口敏感性。坯料中的晶须有助于防止微裂隙在螺纹表面22加工期间形成和传播通过尖端近端部分16。
图3-6显示了本公开内容的套管紧固件32的表示。套管紧固件32具有中心轴34。套管紧固件32的外部表面配置是围绕中心轴34基本上对称的。套管紧固件32是基本上圆锥形的螺母。套管紧固件32的外部表面36具有截锥配置。外部表面36从大体环形近端表面38延伸至环形远端表面42。内部螺纹表面44从近端表面38延伸通过套管紧固件32的中心至远端表面42。工具界面槽46延伸跨越近端表面38的中心。在图3-6中表示的套管紧固件32的实例中，套管紧固件具有0.2至1.25英寸，标称约0.30英寸的轴长。近端表面38的直径为0.5至2.0英寸，标称约0.727英寸。远端表面42的直径为0.25至1.75英寸，标称约0.536英寸。内部螺纹表面44可以为1/4-16至1/2-16，标称3/8-16螺纹。取决于套管紧固件32的应用，套管紧固件32的尺寸可以是不同的。
构造套管紧固件32的方法与构造尖端12的方法类似。在构造套管紧固件32中，制备了氧化铝陶瓷材料粉末和碳化硅晶须的混合物。将氧化铝陶瓷材料粉末和碳化硅晶须的混合物投入高温/高压压机内，用于形成将用于构造套管紧固件32的坯料。压机具有配置用来形成套管紧固件32的坯料的模具。为了形成套管紧固件32的内部螺纹表面44，用外部螺纹加工石墨预制件，该外部螺纹与套管紧固件32的内部螺纹表面44互补。在压机加热和压缩混合物之前，将预制件放置在氧化铝陶瓷材料粉末和碳化硅晶须的混合物的中心。在压机中加热和压缩混合物为套管紧固件32的致密的、完成的陶瓷坯料期间，围绕预制件形成套管紧固件32的内部螺纹表面44。在热压形成套管紧固件坯料的混合物完成之后，具有外部螺纹表面的柔软的石墨预制件从套管紧固件坯料中清理，在套管紧固件32中留下成本有效的、清洁的、精确的内部螺纹表面44。因为内部螺纹表面44在压机中热压氧化铝陶瓷材料粉末和碳化硅晶须期间形成，所以不发生内部螺纹表面44的收缩。这使得能够生产高耐受内部螺纹表面44，该内部螺纹表面44与尖端12的加工的外部螺纹表面22紧密匹配。
作为使用氧化铝陶瓷材料粉末和碳化硅晶须的混合物构造天线罩尖端12和套管紧固件32的可选方案，氮化硅(Si3N4)可替代其使用。因为与WG-300材料(6.0×10-6/C)或甚至更高的金属相比，氮化硅材料具有通常3.0至3.5×10-6/C的低热膨胀，所以其与低CTE天线罩52材料是良好的，如通常的单块陶瓷材料，包括玻璃陶瓷(Corning Incorporated的)、熔凝硅石和较新的单块、高温的氮化硅天线罩(Ceradyne，Inc.的)。
图7是尖端12和套管紧固件32与其一起使用的天线罩52的横截面图的表示。天线罩52具有截锥配置。天线罩52的截锥配置由具有圆锥形配置的天线罩的外部表面54限定。天线罩52具有与外部表面54相对的内部表面56，其也具有图7的天线罩的表示中的圆锥形配置。内部表面56围绕包含雷达系统的天线罩的内部体积58。外部表面54和内部表面56从顶表面62延伸至天线罩52长度的相对端处的底表面64。在顶表面62中提供向天线罩52的内部体积58打开的开口66。
天线罩52由氧化物陶瓷基体复合材料构造。该材料具有连续的纤维，其消除天线罩52的严重故障的可能性。天线罩52具有良好的电子信号传输特性和低的热膨胀系数，这归功于用于构造天线罩的材料。
图7表示包括尖端12、套管紧固件32和天线罩52的天线罩尖端组件68。在图7中，尖端12的近端部分16插入通过天线罩52的顶表面32中的开口66。在套管紧固件32螺纹拧紧(screw threaded)在尖端近端部分16的外部螺纹表面22之前，将玻璃72粘合至套管紧固件32的内部螺纹表面44以及套管紧固件32的环形远端表面42和套管紧固件32的外部表面36。套管紧固件32接着被螺纹拧紧在尖端12的外部螺纹表面22上。套管紧固件32被继续螺纹拧紧在尖端12的外部螺纹表面22上，直到尖端远端部分18与天线罩顶表面62接合，和套管紧固件的外部表面36与天线罩52的内部表面56接合。
然后加热天线罩尖端组件68，使得尖端12和天线罩52膨胀。尖端12的热膨胀系数稍微小于天线罩52的热膨胀系数。由于热膨胀系数的轻微差异，这使得尖端12在天线罩52中变得松动。加热使得玻璃72融化并融合套管紧固件32至尖端12以及融合套管紧固件32和尖端12二者至天线罩52。当冷却天线罩尖端组件68时，天线罩52略微高的热膨胀系数将使玻璃密封72压缩，形成沿着套管紧固件32的外部表面62和天线罩52的内部表面56，以及套管紧固件32的远端表面42和尖端12的远端部分18之间的良好密封。玻璃密封72还将尖端12的外部螺纹表面22锁紧至套管紧固件32的内部螺纹表面44。当在飞行期间加热尖端12时，其将不会与天线罩52松开。
此外，本公开内容包括根据下述条款的实施方式：
条款1.一种天线罩尖端组件，其包括：
天线罩(52)，所述天线罩(52)具有外部表面和与外部表面相对的内部表面，所述天线罩(52)具有由内部表面包围的内部体积，并且所述天线罩(52)具有通过外部表面至内部体积的开口；
尖端(12)，所述尖端(12)具有圆柱形配置的近端表面和圆锥形配置的远端表面，所述尖端(12)的近端表面延伸通过所述天线罩(52)的开口并且进入所述天线罩(52)的内部体积；和，
所述天线罩(52)的内部体积中所述尖端(12)的近端表面上的套管(32)，所述套管(32)使所述尖端(12)附接至所述天线罩(52)。
条款2.根据条款1所述的天线罩尖端组件，进一步包括：
所述套管(32)施加压缩力至所述天线罩(52)的内部表面，和所述套管(32)施加张力至所述尖端(12)的近端表面。
条款3.根据条款1所述的天线罩尖端组件，进一步包括：
所述天线罩(52)的内部表面具有圆锥形配置；和，
所述套管(32)具有圆锥形配置的外部表面，其与所述天线罩(52)内部表面的圆锥形配置互补。
条款3.根据条款1或2所述的天线罩尖端组件，进一步包括：
在所述套管(32)和所述天线罩(52)的内部表面之间的玻璃密封(72)。
条款4.根据条款1所述的天线罩尖端组件，进一步包括：
所述尖端(12)的近端表面配置为外部螺纹表面；
所述套管(32)具有通过所述套管(32)的内部螺纹表面；和，
所述套管(32)的内部螺纹表面拧紧在所述尖端(12)的外部螺纹表面上。
条款5.根据条款4所述的天线罩尖端组件，进一步包括：
所述天线罩(52)具有圆锥形配置的长度，所述天线罩(52)的长度在所述天线罩(52)的长度的相对端处的顶表面和底表面之间延伸；和，
所述尖端(12)被附接至所述天线罩(52)的顶表面。
条款6.根据条款5所述的天线罩尖端组件，进一步包括：
所述尖端(12)由氧化铝陶瓷材料和碳化硅晶须的混合物构造。
条款7.根据条款5所述的天线罩尖端组件，进一步包括：
所述尖端(12)由氮化硅构造。
条款8.根据条款7所述的天线罩尖端组件，进一步包括：
所述天线罩(52)由陶瓷基体复合材料构造。
条款9.根据条款8所述的天线罩尖端组件，进一步包括：
所述套管(32)由氧化铝陶瓷材料和碳化硅晶须的混合物构造。
条款10.根据条款8所述的天线罩尖端组件，进一步包括：
所述套管(32)由氮化硅构造。
可以对本文描述和阐明的装置构造和其操作方法做出各种改进，而不背离本发明的范围，以上描述所包含的或在附图中所显示的所有物质旨在被阐释为示意性地，而不是限制性的。因此，本公开内容的宽度和范围不应被任一种以上描述的示例性实施方式限制，而应该仅由所附权利要求和其等价物限定。

Claims (13)

1.一种天线罩尖端组件，其包括：
天线罩(52)；
附接至所述天线罩(52)的尖端(12)，所述尖端(12)由陶瓷材料构造。
2.根据权利要求1所述的天线罩尖端组件，进一步包括：
所述陶瓷材料为氧化铝陶瓷材料和碳化硅晶须的混合物。
3.根据权利要求1所述的天线罩组件，进一步包括：
所述陶瓷材料为氮化硅。
4.根据权利要求2所述的天线罩尖端组件，进一步包括：
所述混合物中的所述碳化硅晶须在所述混合物的18％-30％的范围中。
5.根据权利要求2所述的天线罩尖端组件，进一步包括：
所述天线罩(52)由陶瓷基体复合材料构造。
6.根据权利要求5所述的天线罩尖端组件，进一步包括：
所述陶瓷基体复合材料是氧化物陶瓷基体复合材料。
7.根据权利要求2所述的天线罩尖端组件，进一步包括：
在所述尖端(12)和所述天线罩(52)之间的玻璃密封(72)。
8.根据权利要求2所述的天线罩尖端组件，进一步包括：
所述尖端(12)上的紧固件(32)，所述紧固件(32)将所述尖端(12)附接至所述天线罩(52)，所述紧固件(32)由氧化铝陶瓷材料和碳化硅晶须的混合物构造。
9.根据权利要求8所述的天线罩尖端组件，进一步包括：
所述紧固件(32)由氧化铝陶瓷材料和碳化硅晶须的混合物构造，所述混合物中的所述碳化硅晶须在所述混合物的18％-30％的范围中。
10.根据权利要求2所述的天线罩尖端组件，进一步包括：
所述尖端(12)具有第一热膨胀系数；
所述天线罩(52)具有第二热膨胀系数；并且，
所述第一热膨胀系数小于所述第二热膨胀系数。
11.根据权利要求2所述的天线罩尖端组件，进一步包括：
所述天线罩(52)具有圆锥形配置的长度，所述天线罩(52)的长度在所述天线罩(52)的长度的相对端处的顶表面和底表面之间延伸；和，
所述尖端(12)被附接至所述天线罩(52)的所述顶表面。
12.一种制造天线罩尖端组件的方法，其包括：
构造陶瓷基体复合材料的天线罩(52)，所述天线罩(52)具有圆锥形配置的长度，所述天线罩(52)的长度在所述天线罩(52)的长度的相对端处的所述天线罩(52)的顶表面和所述天线罩(52)的底表面之间延伸；
构造陶瓷材料的尖端(12)，所述尖端(12)具有圆柱形配置的近端表面和圆锥形配置的远端表面；
插入所述尖端(12)的所述近端表面通过所述天线罩(52)的开口并且进入所述天线罩(52)的内部体积；和，
使套管(32)附接在所述天线罩(52)的内部体积中所述尖端(12)的近端表面上，所述套管(32)与所述天线罩(52)的内部表面接合，并且所述套管(32)将所述尖端(12)附接至所述天线罩(52)的顶表面。
13.权利要求12所述的方法，进一步包括：
在所述尖端(12)的近端表面上形成外部螺纹表面；
在所述套管(32)中形成内部螺纹表面；和，
通过将所述套管(32)的内部螺纹表面螺纹拧紧在所述尖端(12)的外部螺纹表面上使所述套管(32)附接至所述尖端(12)的近端表面和使所述尖端(12)附接至所述天线罩(52)的顶表面。
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