JP2018155477A - 硬化ハイブリッド絶縁非酸化物断熱システム、及び硬化ハイブリッド絶縁非酸化物断熱システムを製造するための非酸化物セラミック複合材料を生成する方法 - Google Patents

硬化ハイブリッド絶縁非酸化物断熱システム、及び硬化ハイブリッド絶縁非酸化物断熱システムを製造するための非酸化物セラミック複合材料を生成する方法 Download PDF

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Abstract

【課題】高速打撃兵器等の高速ビークル用硬化ハイブリッド絶縁非酸化物(RHINO)断熱システムを製造するための非酸化物セラミック複合材料を生成する方法を提供する。【解決手段】ビークルの基礎構造用の断熱システム200が提供されている。断熱システム200は、ビークルの基礎構造を保護するための外層210を含む。断熱システム200は更に、ビークルの基礎構造に順応するための内層220を含む。断熱システム200はまた、外層210と内層220との間に挟まれた絶縁層230も含む。絶縁層230は、接着性を高めるために、外層210の内面を覆う高密度化部分232を有する多孔性低密度セラミック絶縁材料を含む。【選択図】図2

Description

本願は、ビークル用の断熱システムに関し、具体的には、硬化ハイブリッド絶縁非酸化物(RHINO)断熱システムと、例えば高速打撃兵器等の高速ビークル用硬化ハイブリッド絶縁非酸化物(RHINO)断熱システムを製造するための非酸化物セラミック複合材料を生成する方法を対象とする。
高速ビークル用の典型的な断熱システムには、幾つかの材料層が含まれる。材料層は、外層と、高速ビークルの基礎構造の表面に順応する内層との間に挟まれた絶縁層を含みうる。既知の断熱システムの一例として、絶縁層は、例えば比較的低密度の繊維状セラミック材料等の比較的剛性の材料を含む。外層は、例えばセラミックマトリックス複合材料等の、比較的高い温度耐性と比較的高い構造耐久性を有する実質的に剛性で比較的薄い部材を含む。内層は、比較的低いせん断剛性又は比較的低い引張剛性を有する弾性的に圧縮可能な材料を含む。内層は、外層がビークルの基礎構造の上にあるときに、ビークルの基礎構造に対して圧縮されながら予め組み込まれている。例えば高速打撃兵器等の高速ビークル用の改善された断熱システムを提供することが望ましい。
一態様では、ビークルの基礎構造用の断熱システムが提供される。断熱システムは、ビークルの基礎構造を保護するための外層を含む。断熱システムは更に、ビークルの基礎構造に順応するための内層を含む。断熱システムはまた、内層と外層との間に挟まれた絶縁層も含む。絶縁層は、接着性を高めるために外層の内面を覆う高密度化部分を有する多孔性低密度セラミック絶縁材料を含む。
別の態様では、ビークルの基礎構造用の断熱システムが提供される。断熱システムは、ビークルの基礎構造を保護するための、例えば炭素−繊維強化炭化ケイ素等の非酸化物セラミック複合材料の薄層を含む外側剛性層を含む。断熱システムは更に、ビークルの基礎構造に順応する内側順応層を含む。断熱システムはまた、内層と外層との間に挟まれた剛性セラミック絶縁層も含む。絶縁層は、約12lbs/ftと25lbs/ftとの間の密度を有する多孔性低密度セラミック材料を含む。
更に別の態様では、ビークルの基礎構造用の硬化ハイブリッド絶縁非酸化物断熱システムを製造するための非酸化物セラミック複合材料を生成する方法が提供される。本方法は、約12lbs/ftと25lbs/ftとの間の密度を有する多孔性低密度セラミック絶縁材料の層を所望のサイズと形状に形成することを含む。本方法は更に、約24lbs/ftと50lbs/ftとの間の密度を有する高密度化層部分を形成するために、多孔性低密度セラミック絶縁材料の層の層部分を高密度化することを含む。本方法はまた、多層高密度化層部分を、炭素−繊維強化炭化ケイ素等の非酸化物セラミック複合材料の薄層に混合抽出することも含む。本方法は更に、多孔性低密度セラミック絶縁材料の層の内面を順応材料の層で覆うことを含む。
他の態様は、以下の詳細な説明、添付の図面、及び別記の特許請求の範囲により明確になるであろう。
例示の実施形態に従って構成された硬化ハイブリッド絶縁非酸化物(RHINO)断熱システムによって包含された高速ビークルの基礎構造の、区分のみにおける幾つかのパーツを示す分解斜視図である。 RHINO断熱システムの材料層の断面を示す、図1の一部の拡大図である。 図1及び図2のRHINO断熱システムを製造するための非酸化物セラミック複合材料を生成する例示の方法を示すフロー図である。
本開示は、硬化ハイブリッド絶縁非酸化物(RHINO)断熱システム、及び硬化ハイブリッド絶縁非酸化物(RHINO)断熱システムを製造するための非酸化物セラミック複合材料を生成する方法を対象とする。断熱システムの特定の構成、及び断熱システムが実行される産業は変化し得る。以下の開示は、様々な実施形態の種々の特徴を実行するための数々の実施形態又は実施例を提供するものであることを理解すべきである。本開示を簡略化するために、構成要素及び配置構成の具体例が説明される。これらは単なる例であり、限定するものではない。
例として、以下の開示内容は、例えば高速打撃兵器等の高速ビークルを保護するためのRHINO断熱システムを説明したものである。RHINO断熱システムは、軍事及び航空宇宙の規制に従って断熱システムを製造するために、相手先商標製造会社(OEM)によって実行されうる。
例示の実施形態に従って構成されたRHINO断熱システムによって包含された例示の高速ビークル100を示す分解斜視図である図1を参照する。図1の分解斜視図に、区分のみにおける幾つかのパーツを示す。高速ビークル100は、後方円錐部分104と機首先端106との間に配置された前方円錐部分102を含む。
機首先端106は、タングステン材料を含みうる。後方円錐部分104は、チタニウム材料を含みうるリブ基礎構造108を有する。チタニウムのリブ基礎構造108は、これもまたチタニウム材料を含みうるバルクヘッド110の前方に配置される。後方円錐部分104は、約36インチ(91.44センチメートル)の長さを有し、前方円錐部分102は、約16インチ(40.64センチメートル)の長さを有する。断熱システム200は、前方円錐部分102と後方円錐部分104に配置される。
図1の(図1において数字「2」で指定される)部分の拡大図である図2を参照する。図2の拡大図に、RHINO断熱システム200の材料層の断面を示す。断熱システム200は、ビークル100の基礎構造(例:前方円錐部分102及び後方円錐部分104)を保護するための外層210を含む。断熱システム200は更に、ビークルの基礎構造に順応するための内層220を含む。断熱システム200はまた、内層210と外層220との間に挟まれた絶縁層230も含む。絶縁層230は、外層210との接着性を高め、外層210との整合性を向上させるための、外層210の内面212を覆う高密度化部分232を有する、多孔性低密度セラミック絶縁材料を含む。
図1と2に示す例示の実施形態では、外層210は、ビークルの基礎構造を保護するための、炭素−繊維強化炭化ケイ素(C−SiC)の薄い剛性層を含む。C−SiCの薄層210は、約0.04インチ(0.102センチメートル)と約0.08インチ(0.203センチメートル)との間の厚さを有する。C−SiCの薄層210は、華氏温度当たりの百万分の1部が約1.65(ppm/°F)の熱膨張係数を有する。ある実施形態では、外層210は、例えば炭素−炭化ケイ素、炭化ケイ素−炭化ケイ素、炭素−炭化ハフニウム、炭素−ホウ化ハフニウム、炭素−窒化ケイ素等の、約0.04インチ(0.102センチメートル)と約0.08インチ(0.203センチメートル)との間の厚さを有するセラミック繊維強化非酸化物セラミックマトリックス複合材料の薄層を含む。
内層220の例は、ビークルの基礎構造108に順応するためのシリコンの順応層222を含む。シリコンの順応層222は、絶縁層230の内面234を覆う室温の加硫(RTV)シリコン224で接合される。シリコンの順応層222は、約0.25インチ(0.635センチメートル)の厚さを有する。RTVシリコン224は、約0.01インチ(0.025センチメートル)の厚さを有する。ある実施形態では、内層220は、例えば絶縁層230の内面を覆う、シリコン又は歪分離パッド等の順応材料の層を含む。ある実施形態では、順応材料の層は、絶縁層230に接着接合される。
絶縁層230は、約1インチ(2.54センチメートル)の厚さを有する。絶縁層230の多孔性低密度セラミック材料は剛性であり、1立方フィート当たり約12ポンド(lbs/ft)と25lbs/ftとの間の密度を有する。絶縁層230は、約1.58ppm/°Fの熱膨張係数を有する。高密度化部分232は、約0.10インチ(0.254センチメートル)と約0.20インチ(0.508センチメートル)との間の厚さを有する。
外層210、内層220、及び絶縁層230の組み合わせが協働することにより、ビークルの基礎構造をその最大温度性能以下に維持しながら、断熱システム200を劣化させることなく断熱システム200が3000°F以上の温度に耐えることが可能になる。
以下の実施例は、一実施形態による断熱システム200を製造するための非酸化物セラミック複合材料を生成する方法を示すものである。この例示的な方法は、説明を意図したものであり、本発明の範囲を限定するものでは全くない。
図1及び図2に示す例示のRHINO断熱システム200を製造するための例示の非酸化物セラミック複合材料を生成する例示的な方法を示すフロー図300である図3を参照する。ブロック302において、多孔性低密度セラミック絶縁材料の層を所望のサイズと形状(すなわち最終的なサイズ及び形状)に形成(例えば機械加工)する。例示の多孔性低密度セラミック絶縁材料は、カリフォルニア州ハンティントンビーチに位置するボーイング社からパーツ番号HBMS−36−021−01で販売されている。例えば炭素又は炭化ケイ素発泡体等の、使用可能な他の多孔性低密度セラミック絶縁材料も可能である。プロセスは次にブロック304へと進む。
ブロック304において、多層高密度層部分を形成するために、多孔性低密度セラミック絶縁材料の層の層部分232を高密度化する。ある実施形態では、層部分232は、気孔を閉じるために、セラミックスラリーの湿潤処理及び後硬化を行った後に、セラミック樹脂の予備湿潤処理と熱分解を行うことにより高密度化され、これによって多層高密度化層部分が形成される。ある実施形態では、構造多孔性を除去して高密度化層部分232を形成するために、多孔性低密度セラミック絶縁材料を繰り返し熱分解させ、繰り返し高分子樹脂でコーティングする。ある実施形態では、高密度化層部分232は、約24lbs/ftと50lbs/ftとの間の密度を有する。
次に、ブロック306において、ブロック304からの高密度化層部分232は、例えばC−SiC210等の非酸化物セラミック複合材料の薄層に混合抽出される。更に具体的には、完全に高密度化されたC−SiC210の薄層を形成するために、C−SiC210の薄層を高密度化層部分232に層内処理し、C−SiC210の薄層に高分子樹脂を繰り返し浸透させ、また繰り返し熱分解させることによって、高密度化層部分232がC−SiC210の薄層に混合抽出される。また、ブロック308に示すように、多孔性低密度セラミック絶縁材料の層の内面は、RTVシリコン224で接合された順応材料222の層で覆われている。その後プロセスは終了する。
上述した例示の方法にしたがって作製された非酸化物セラミック複合材料は、例えば図1及び2に示す例示の断熱システム200等のいずれかの断熱システムを製造するのに好適である。特に、生成された非酸化物セラミック複合材料を使用して、高速ビークルの用途向けの断熱システムを製造することができる。
一体型ハイブリッド材料断熱システムが、例えば高速打撃兵器等の高速ビークル用に提供されることは明らかである。断熱システムは、低温ビークルの基礎構造又は高温ビークルの基礎構造に順応しうる。順応材料の層は、断熱システムがビークルの基礎構造の上に「浮かぶ」ように、多孔性低密度セラミック絶縁材料の層と非酸化物セラミック複合材料の薄層とを部分的に分離させる。また、例えばC−SiC等の非酸化物セラミック複合材料の薄層の熱膨張係数(すなわち上記の例示の実施形態における約1.65ppm/°F)と、絶縁層の熱膨張係数(すなわち上記の例示の実施形態における約1.58ppm/°F)は厳密に一致する。これにより、高温において低いストレスで絶縁層とC−SiCの薄層とが良好に接合される。
この結果、断熱がビークルの基礎構造の上で浮かんでいるときに、断熱システムを劣化させることなく、3000°Fの温度で動作する能力を有する(従来の断熱システムの現在の状態と比べて)重量効率の良い断熱システムが得られる。また結果的に、非酸化物セラミックマトリックス複合材料のサンドイッチ構成を含む断熱システムと比べて比較的簡単に製造できる断熱システムも得られる。
また、一体型ハイブリッド材料断熱システムにより、厚い積層板が要らなくなることも明らかである。例えば、C−SiCの薄層は、下層の低密度絶縁層とビークルの基礎構造によって安定化される。これにより、空力加熱負荷、音響負荷、又は機械的負荷下で座屈を防止するために追加の補強を必要としない半構造的シェルが得られる。更に、順応層により、ビークルの基礎構造と、低密度絶縁材料の半構造的シェルと、C−SiCの薄層との間の負荷経路が分断される。この結果、高温性能及び低重量を有するだけでなく、優れた絶縁特性、高い強度、及び耐損傷性も有する半構造的シェルが得られる。
以上の記述は、軍事及び航空宇宙の規制に沿った、例示的な非酸化物セラミック複合材料、及びOEM用の非酸化物セラミック複合材料を生成する例示的な方法を説明しているが、例示的な非酸化物セラミック複合材料及び当該方法は、適用可能な産業規準に従って、任意の産業において実施可能であると考えられる。
更に、本開示は以下の条項による実施形態を含む。
条項1.ビークルの基礎構造用の断熱システムであって、
ビークルの基礎構造を保護するための外層と、
ビークルの基礎構造に順応するための内層と、
外層と内層との間に挟まれた絶縁層であって、接着性を高めるために、外層の内面を覆う高密度化部分を有する多孔性低密度セラミック絶縁材料を含む、絶縁層と
を含む断熱システム。
条項2.多孔性低密度セラミック絶縁材料の高密度化部分が、約0.10インチ(0.254センチメートル)と約0.20インチ(0.508センチメートル)との間の厚さを有する、条項1に記載の断熱システム。
条項3.外層は、例えば炭素−炭化ケイ素、炭化ケイ素−炭化ケイ素、炭素−炭化ハフニウム、炭素−ホウ化ハフニウム、炭素−窒化ケイ素等の、約0.04インチ(0.102センチメートル)と約0.08インチ(0.203センチメートル)との間の厚さを有するセラミック繊維強化非酸化物セラミックマトリックス複合材料の薄層を含む、条項1に記載の断熱システム。
条項4.外層は、約1.65ppm/°Fの熱膨張係数を有する、条項1に記載の断熱システム。
条項5.絶縁層は、約1.58ppm/°Fの熱膨張係数を有する、条項4に記載の断熱システム。
条項6.(i)内層は、例えば絶縁層の内面を覆う、シリコン又は歪分離パッド等の順応材料の層を含み、(ii)外層、内層、及び絶縁層の組み合わせが協働することにより、ビークルの基礎構造をその最大温度性能以下に維持しながら、断熱システムを劣化させることなく断熱システムが3000°F以上の温度に耐えることが可能になる、条項5に記載の断熱システム。
条項7.順応材料の層は絶縁層に接着接合されている、条項6に記載の断熱システム。
条項8.ビークルの基礎構造用の断熱システムであって、
ビークルの基礎構造を保護するための非酸化物セラミック複合材料の薄層を含む外側剛性層と、
ビークルの基礎構造に順応する内側順応層と、
内層と外層との間に挟まれた剛性セラミック絶縁層であって、約12lbs/ftと25lbs/ftとの間の密度を有する多孔性低密度セラミック材料を含む、剛性セラミック絶縁層と
を含む断熱システム。
条項9.非酸化物セラミック複合材料の薄層は、約1.65ppm/°Fの熱膨張係数を有する炭素−繊維強化炭化ケイ素層を含む、条項8に記載の断熱システム。
条項10.剛性セラミック絶縁層が、約1.58ppm/°Fの熱膨張係数を有する、条項9に記載の断熱システム。
条項11.(i)多孔性低密度セラミック絶縁材料は、炭素−繊維強化炭化ケイ素層との接着性を高めるために、炭素−繊維強化炭化ケイ素層の内面を覆う高密度化部分を含み、(ii)外層、内層、及び絶縁層の組み合わせは協働して、ビークルの基礎構造をその最大温度性能以下に維持しながら、断熱システムを劣化させることなく断熱システムが3000°F以上の温度に耐えることが可能になる、条項10に記載の断熱システム。
条項12.多孔性低密度セラミック絶縁材料の高密度化部分が、約0.10インチ(0.254センチメートル)と約0.20インチ(0.508センチメートル)との間の厚さを有する、条項11に記載の断熱システム。
条項13.内側順応層が、室温の加硫(RTV)シリコンで接合され、絶縁層の内面を覆う、条項12に記載の断熱システム。
条項14.(i)多孔性低密度セラミック絶縁材料は、炭素−繊維強化炭化ケイ素層との接着性を高めるために、炭素−繊維強化炭化ケイ素層の内面を覆う高密度化部分を含み、(ii)外層、内層、及び絶縁層の組み合わせは協働して、ビークルの基礎構造をその最大温度性能以下に維持しながら、断熱システムを劣化させることなく断熱システムが3000°F以上の温度に耐えることが可能になる、条項8に記載の断熱システム。
条項15.多孔性低密度セラミック絶縁材料の高密度化部分が、約0.10インチ(0.254センチメートル)と約0.20インチ(0.508センチメートル)との間の厚さを有する、条項14に記載の断熱システム。
条項16.炭素−繊維強化炭化ケイ素層が、約0.04インチ(0.102センチメートル)と約0.08インチ(0.203センチメートル)との間の厚さを有する、条項15に記載の断熱システム。
条項17.ビークルの基礎構造用の硬化ハイブリッド絶縁非酸化物断熱システムを製造するための非酸化物セラミック複合材料を生成する方法であって、
約12lbs/ftと25lbs/ftとの間の密度を有する多孔性低密度セラミック絶縁材料の層を所望のサイズと形状に形成することと、
約24lbs/ftと50lbs/ftとの間の密度を有する多層高密度化層を形成するために、多孔性低密度セラミック絶縁材料の層の層部分を高密度化することと、
多層高密度化層部分を、非酸化物セラミック複合材料の薄層に混合抽出することと、
多孔性低密度セラミック絶縁材料の層の内面を順応材料の層で覆うことと
を含む方法。
条項18.多孔性低密度セラミック絶縁材料の層の層部分を高密度化することは、気孔を閉じるために、層部分のセラミックスラリーの湿潤処理及び後硬化を行った後に、次にセラミック樹脂の予備湿潤処理と熱分解を行い、これによって多層高密度化層部分を形成することを含む、条項17に記載の方法。
条項19.多孔性低密度セラミック絶縁材料の層の層部分を高密度化することは、約0.10インチ(0.254センチメートル)と約0.20インチ(0.508センチメートル)との間の厚さを有する多層高密度化層部分を形成するために層部分を高密度化することを含む、条項17に記載の方法。
条項20.多孔性低密度セラミック絶縁材料の層の内面を順応材料の層で覆うことは、多孔性低密度セラミック絶縁材料の層を室温の加硫(RTV)シリコンで接合されたシリコンの順応層で覆うことを含む、条項17に記載の方法。
開示の実施形態の様々な態様が示され、説明されてきたが、当業者であれば、本明細書を読むことで、変更例を想起するであろう。本願は、こうした変更例を含み、特許請求の範囲によってのみ限定される。

Claims (13)

  1. ビークルの基礎構造(108)用の断熱システム(200)であって、
    前記ビークルの基礎構造(108)を保護するための外層(210)と、
    前記ビークルの基礎構造(108)に順応するための内層(220)と、
    前記外層(210)と前記内層(220)との間に挟まれた絶縁層(230)であって、接着性を高めるために、前記外層(210)の内面(212)を覆う高密度化部分(232)を有する多孔性低密度セラミック絶縁材料を含む、絶縁層(230)と
    を含む断熱システム(200)。
  2. 前記多孔性低密度セラミック絶縁材料の前記高密度化部分(232)が、約0.10インチ(0.254センチメートル)と約0.20インチ(0.508センチメートル)との間の厚さを有する、請求項1に記載の断熱システム(200)。
  3. 前記外層(210)は、例えば炭素−炭化ケイ素、炭化ケイ素−炭化ケイ素、炭素−炭化ハフニウム、炭素−ホウ化ハフニウム、炭素−窒化ケイ素等の、約0.04インチ(0.102センチメートル)と約0.08インチ(0.203センチメートル)との間の厚さを有するセラミック繊維強化非酸化物セラミックマトリックス複合材料の薄層を含む、請求項1又は2に記載の断熱システム(200)。
  4. 前記外層(210)は、約1.65ppm/°Fの熱膨張係数を有する、請求項1から3のいずれか一項に記載の断熱システム(200)。
  5. 前記絶縁層(230)は、約1.58ppm/°Fの熱膨張係数を有する、請求項4に記載の断熱システム(200)。
  6. (i)前記内層(220)は、例えば前記絶縁層(230)の内面(234)を覆う、シリコン又は歪分離パッド等の順応材料の層(222)を含み、(ii)前記外層(210)、前記内層(220)、及び前記絶縁層(230)の組み合わせが協働することにより、前記ビークルの基礎構造をその最大温度性能以下に維持しながら、前記断熱システム(200)を劣化させることなく前記断熱システム(200)が3000°F以上の温度に耐えることが可能になる、請求項1から5のいずれか一項に記載の断熱システム(200)。
  7. 前記順応材料の層(222)は前記絶縁層(230)に接着接合されている、請求項6に記載の断熱システム(200)。
  8. 前記絶縁層(230)は、約12lbs/ftと25lbs/ftとの間の密度を有する多孔性低密度セラミック材料を含む、請求項1から7のいずれか一項に記載の断熱システム(200)。
  9. 前記順応材料の層(222)が、室温の加硫(RTV)シリコン(224)で接合され、前記絶縁層(230)の内面を覆う、請求項6に記載の断熱システム(200)。
  10. ビークルの基礎構造(108)用の硬化ハイブリッド絶縁非酸化物断熱システム(200)を製造するための非酸化物セラミック複合材料を生成する方法であって、
    約12lbs/ftと25lbs/ftとの間の密度を有する多孔性低密度セラミック絶縁材料の層を所望のサイズと形状に形成することと、
    約24lbs/ftと50lbs/ftとの間の密度を有する多層高密度化層部分を形成するために、前記多孔性低密度セラミック絶縁材料の層の層部分を高密度化することと、
    前記多層高密度化層部分を、非酸化物セラミック複合材料の薄層に混合抽出することと、
    前記多孔性低密度セラミック絶縁材料の層の内面(234)を順応材料の層(222)で覆うことと
    を含む方法。
  11. 前記多孔性低密度セラミック絶縁材料の層の層部分を高密度化することは、気孔を閉じるために、前記層部分のセラミックスラリーの湿潤処理及び後硬化を行った後に、セラミック樹脂の予備湿潤処理と熱分解を行い、これによって前記多層高密度化層部分を形成することを含む、請求項10に記載の方法。
  12. 前記多孔性低密度セラミック絶縁材料の層の層部分を高密度化することは、約0.10インチ(0.254センチメートル)と約0.20インチ(0.508センチメートル)との間の厚さを有する前記多層高密度化層部分を形成するために前記層部分を高密度化することを含む、請求項10又は11に記載の方法。
  13. 前記多孔性低密度セラミック絶縁材料の層の内面(234)を順応材料の層(222)で覆うことは、前記多孔性低密度セラミック絶縁材料の層を室温の加硫(RTV)シリコン(224)で接合されたシリコンの順応層で覆うことを含む、請求項10から12のいずれか一項に記載の方法。
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