KR101387828B1 - 자기질 실리카 내부 층을 포함하는 용융 실리카 바디 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 명세서의 실시예들에는 내부 표면의 적어도 일부에 인접한 자기질 실리카의 층을 포함하는 용융 실리카 바디를 개시한다. 다른 실시예들에 있어서, 본 명세서에는 내부 표면의 적어도 일부에 인접한 자기질 실리카의 층을 갖는 용융 실리카 바디를 제조하는 방법을 개시하고, 상기 방법은 내부 표면의 적어도 일부를 연화점까지 가열하는 단계를 포함한다. 일부 실시예들에 있어서, 상기 방법은 내부 표면에 대해 선형 국부 가열원을 선형 형상을 가로지르는 나선 형상과 같은 특정 방법으로 통과시키는 단계를 포함하며, 상기 바디의 내부 표면에 임시로 용해된 실리카 재료의 오버랩핑 구획들(overlapping swaths)을 작성하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

자기질 실리카 내부 층을 포함하는 용융 실리카 바디 및 그 제조 방법{FUSED SILICA BODY WITH VITREOUS SILICA INNER LAYER, AND METHOD FOR MAKING SAME}

본 발명은 자기질 실리카의 층을 포함하는 용융 실리카 바디 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

용융 실리카 세라믹 바디들은 실용적이며 다양한 응용들에 유리하다. 용융 실리카 세라믹 바디들은 슬립 캐스팅(slip casting) 및 다른 방법을 통해 용이하고 상대적으로 저렴하게 제조될 수 있다. 그들 바디들은 견고성, 내구성 및 경량성과 같은 다수의 이로운 특성이 있다. 일부 특정 응용들에 있어서, 용융 실리카 세라믹들은 부가적인 이로운 특성을 나타낸다. 이러한 특정 응용들 중 한 응용은 레이더 안테나 및 전자 기기들을 덮는 "레이돔(radome)"과 같은 전자기 윈도우이며, 용융 실리카 레이돔들은 에어크래프트(aircraft), 미사일 노즈콘(missile nosecones)과 같은 항공 우주 산업 응용에서 자주 발견할 수 있다. 용융 실리카의 유전 특성은, 용융 실리카가 안테나에 의해 송수신 되는 무선 주파수 에너지에 크게 간섭하지 않기 때문에 레이돔 응용에 특히 적당하게 된다. 용융 실리카의 장점들을 이용하는 다른 특정 응용은 제약 혼합(pharmaceutical mixing)이며, 세라믹 페슬(ceramic pestles) 및 도가니(crucibles)가 자주 이용된다. 본 응용에 있어서, 다시 실리카는 강하고 경량이며, 온도의 변화에 잘 적응되며, 붕해(crumbling)에 강하다. 실리카는 혼합되는 대부분의 시약과 서로 영향을 주지 않으며, 세라믹 그릇은 얼룩(staining)에 강하며 부식 또는 산화되지 않으며, 상대적으로 용이하고 깨끗하다.

그러나, 용융 실리카 바디들은 이들 여러 응용들에서 확실한 결함들이 있다. 그들 결함들 중 중요한 결함은 용융 실리카가, 완전히 밀도가 높지 않는 한, 투과성이며, 수분 및 다른 유체가 바디의 한 면에서 다른 면까지 벽 두께를 관통하는 것을 허용한다는 것이다. 이는 여러 이유로 수용될 수 없으며, 특정 이유들은 특정 응용에 좌우된다. 예를 들어, 슬립 캐스트(slip cast)의 경우에, 용융 실리카 바디들이 피부 또는 항공 우주 응용에서 레이돔으로서 사용되었고, 반-투과성 용융 실리카 벽은 수분이 외측 대기로부터 레이돔 벽을 관통하도록 하고, 시스템 성능에 중요한 내측에 위치한 민감한 전자 구성 요소들에 잠재적으로 도달한다. 이러한 민감한 구성 요소들은 오랜 기간 동안 환경 보호의 혜택을 누릴 수 있다. 이들 응용에 있어서, 수분의 침투는 레이더 장치 운영 품질에, 심지어 사람이 살기 어려운 환경에서도 심각한 어려움을 제공한다. 다른 예로서, 제약 혼합 응용에 있어서, 반-투과성 용융 실리카는 외부 수분이 용기 벽에 침투하여 용기 내측에 구성되어 있는 화학 약품을 오염시킨다. 또한, 실리카의 거친 질감은 용기의 내부에 시약 잔유물이 붙게 하고 완전히 제거되지 않게 된다.

용융 실리카 레이돔이 어떠한 보호 코팅이나 베리어 없이 이용되는 항공 우주 산업 응용에 있어서, 수분 침투 문제는 자신의 환경적으로 봉인된 것 내에 레이돔 내측의 민감한 전자 장치들을 더 둘러싸는 것을 필요로 한다. 레이돔 자체를 봉인하려는 시도가 있는 경우, 수분 전달 배리어 층으로서 유기, 무기 또는 유기-무기 조합의 코팅을 이용한다. 이들 재료 층들은 레이돔의 유전 성능과의 간섭을 최소화하고 레이돔 바디의 관련된 재료 특성에 맞게 선택되는 것이 일반적이다. 이들 코팅들 중 일부는 레이돔 재료의 어떤 다른 형태와 함께 상당한 성공으로 이용되었지만, 변화하여 일정치 않은 용융 실리카를 결과로서 얻었다. 많은 경우에, 그들 얇은 (통상 10 마이크로미터보다 얇은) 코팅들이 레이돔에 배치하는 데는 상당한 자금이 투자된다. 또한, 그들 많은 코팅은 정상적인 처리에 손상, 마모 및 찢어짐에 민감한 코팅을 남기면서 레이돔 외부에만 적용될 수 있다. 이러한 코팅의 약간의 응용에 있어서, 재료들은 베이스 레이돔 바디의 재료 특성들에 크게 영향을 줄 수 있고 수분 배리어 코팅 자체에 손상을 줄 수 있는 열처리가 요구될 수 있다. 또한, 이들 재료들의 부가는 RF 유전 프로필 및 레이돔의 성능을 저하시킬 수 있다.

본 발명의 실시예들은 용융 실리카 바디의 내부 표면의 적어도 일부에 얇고 균일한 유리화된 실리카층을 생성함에 의한 수분의 침투 및 다른 문제들을 다룬다. 이 층은 완전히 자기질(vitreous)이 되거나 적어도 충분히 자기질이 되어 수분 및 다른 유동체가 바디의 벽을 통해 관통하는 것을 방지한다. 본 발명에 따른 실시예들은 현존하는 바디 재료의 재료 특성을 변경하여 모체 자체의 용융된 실리카로부터 자발적으로 자기질 내부 층을 생성하기 때문에, 배리어 층이 완전히 접착되고 바디 자체에 집적되어, 접착 염려를 제거하면서 마모 및 찢어짐에 대한 부가적인 내구성과 박리(delamination)로부터 내구성을 층에 부여한다. 또한, 자발적인 자기질 실리카층의 유전 특성들은 레이돔 벽에 적용되는 이물질의 유전 특성들에 대한 개선을 제공한다.

특정 실시예들에 따라, 본 발명은 바디의 내부 표면의 적어도 일부에 인접한 자기질 실리카의 층을 포함하는 용융 실리카 바디에 관한 것이다. 본 실시예들 중 특정 실시예에 있어서, 자기질 실리카의 층은 바디의 리메인더(remainder)에 자발적으로 용융된다. 다른 실시예에 있어서, 자기질 실리카의 층은 수분에 실질적으로 영향을 받지 않는다. 다른 실시예에 있어서, 자기질 실리카의 층은 이론적으로 최대 밀도에 접근하는 밀도를 갖는다. 다른 실시예에 있어서, 용융 실리카 바디의 내부 표면은 오목 캐비티를 정의한다. 다른 실시예에 있어서, 자기질 실리카의 층은 용융 실리카 바디의 내부 표면 전체에 대해 실질적으로 연장된다. 다른 실시예에 있어서, 자기질 실리카의 층의 두께는 1인치의 약 천 분의 5 내지 1인치의 약 천 분의 20 사이가 된다. 다른 실시예에 있어서, 용융 실리카 바디는 내부 표면과 연결되는 표면을 포함하고, 연결 표면의 적어도 일부에 인접한 자기질 실리카의 층을 포함한다. 다른 실시예에 있어서, 용융 실리카 바디는 레이돔으로서 이용되도록 구성된다. 다른 실시예에 있어서, 용융 실리카 바디는 혼합 물질용 용기로서 이용되도록 구성된다. 다른 실시예에 있어서, 용융 실리카 바디는 슬립 캐스팅으로 형성된다.

다른 실시예들에 따라, 본 발명은 내부 표면의 적어도 일부에 인접한 자기질 실리카의 층을 포함하는 용융 실리카 바디를 제조하는 방법에 관한 것으로, 상기 방법은 내부 표면의 적어도 일부를 연화점까지 가열하는 단계를 포함한다. 특정 실시예에 있어서, 상기 방법은 내부 표면의 상대적으로 작은 영역을 동시에 가열하도록 구성된 가열원을 내부 표면의 적어도 일부에 대해 통과시키는 단계를 포함한다. 특정 실시예에 있어서, 가열원으로부터 방사하는 열은 2600℃ 내지 3200℃ 사이에 있다. 특정 실시예에 있어서, 상기 방법은 표면에 대해 가열원을 실질적으로 일정한 이격 거리를 두고 통과시키는 단계를 포함한다. 특정 실시예에 있어서, 가열원으로부터 열을 방사하는 패턴은 한 방향이 다른 방향보다 더 길고, 보다 긴 방향은 표면에 대해 가열원의 상대적인 이동의 방향에 대해 가로로 배치된다. 특정 실시예에 있어서, 가열원의 통과에 의해 표면 렌더링된 점성(surface rendered viscous)은 가열원의 이전 통과에 의해 이전에 렌더링된 점성을 오버랩하고, 특정 실시예에 있어서, 오버랩의 폭은 가열원의 상기 이전 통과에 의해 이전에 렌더링된 점성의 폭의 대략 절반이 된다. 다른 실시예에 있어서, 표면 용해 영역(surface melt region) 앞에 예열 존(preheat zone)을 제공하기 위하여, 가열원으로부터 방사하는 열은 상기 표면에 대해서 가열원의 상대적인 이동의 방향으로 실질적으로 경사(canted)된다. 다른 실시예에 있어서, 가열원은 내부 표면에 대해 나선형으로 이동되고, 일부 실시예들에 있어서, 나선형 이동은 바디의 회전 및 가열원의 선형 이동에 의해 생성되며, 일부 실시예에 있어서, 용융 실리카 바디의 회전 속도는 변한다. 다른 실시예에 있어서, 나선형 이동은 용융 실리카 바디의 회전축에 대해 내부 또는 외부로 상기 가열원의 이동(translation)을 포함하여, 가열원과 회전축으로부터 거리가 변한 내부 표면의 일부들 사이의 실질적으로 일정한 이격 거리를 유지한다. 특정 실시예에 있어서, 상기 방법은 용융 실리카 바디의 실질적인 일부를 유리화를 야기하는 온도보다 낮은 온도로 바이어스 가열하는 단계(bias heating)를 포함하고, 일부 실시예에 있어서, 바이어스 가열은 용융 실리카 바디의 실질적인 일부의 온도를 600℃ 내지 1000℃로 상승시킨다. 다른 실시예에 있어서, 상기 방법은 용융 실리카 바디를 어닐링하는 단계를 포함한다.

본 발명에 따르면, 현존하는 바디 재료의 재료 특성을 변경하여 모체 자체의 용융된 실리카로부터 자발적으로 자기질 내부 층을 생성하기 때문에, 배리어 층이 완전히 접착되고 바디 자체에 집적되어, 접착 염려를 제거하면서 마모 및 찢어짐에 대한 부가적인 내구성과 박리(delamination)로부터 내구성을 층에 부여한다. 또한, 자발적인 자기질 실리카층의 유전 특성들은 레이돔 벽에 적용되는 이물질의 유전 특성들에 대한 개선을 제공한다.

도 1a은 본 발명의 실시예들에 따라 유리화된 내부 층 및 유리화된 애프트 립(vitrified aft lip)을 갖는 용융 실리카 바디의 절단면도.
도 1b는 유리화된 내부 층을 갖는 용융 실리카 바디의 벽의 층들의 클로즈업 절단면도.
도 2a는 용융 실리카 바디 내에서 이동하고 그 내부 표면을 유리화하는 면적 가열원(area heat source)의 절단면도.
도 2b는 용융 실리카 바디의 내부 표면에 유리화의 오버랩핑 구획들(overlapping swaths)을 생성하는 면적 가열원의 절단면도.
도 2c는 용융 실리카 바디의 내부 표면에 유리화의 1/2 폭 오버랩핑 구획들을 생성하는 면적 가열원의 절단면도.
도 2d는 용융 실리카 바디 내에서 이동하고 그 내부 표면을 유리화하는 면적 가열원의 상면도.
도 3은 용융 실리카 바디 내에서 이동하고 그 내부 표면을 유리화하는 면적 가열원에 의한 헬리컬 경로의 투명한 측면 개략도.

본 발명의 특정 실시예는 자생적 용융 실리카층을 갖는 용융 실리카 바디를 개시한다. 이러한 바디 또는 피스(piece)는 많은 어떤 형상을 가질 수 있고, 1인치의 약 천 분의 30 보다 큰 임의 두께의 벽들을 가질 수 있다. 일부 실시예에 있어서, 피스의 형상은 회전(revolution)의 표면을 포함하고, 예시적인 실시예에 있어서, 피스는 원뿔 또는 아치 형상으로 될 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 피스는 플랫 중심을 더 가질 수 있고 컵과 같은 형상을 더 가정할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 유리화된 피스는 용융된 실리카 바디의 이점들이 자발적인 자기질 실리카 층의 존재에 의해 제공된 다른 임의 특성들 또는 수분 배리어에 의해 개선될 수 있는 어떠한 응용에 이용될 수 있다. 본 명세서에 언급한 항공 우주 레이돔 및 제약 용기 등은 특정 응용들은 단지 편리한 예로서 이용되며 이들에 한정하려는 의도는 없다.

본 발명의 실시예들에 따른 용융 실리카 바디 또는 피스(102)는 도 1a에 도시되어 있으며, 도 1b에는 그러한 바디 일부의 내부 상세도이다. 이러한 베이스 피스(base piece)는 예를 들어, 슬립 캐스팅(slip casting) 또는 신터링(sintering)과 같은 많은 방법에 의해 초기에 제조될 수 있다. 한 실시예에 있어서, 피스는 적어도 하나의 오목한 내부 캐비티(104)를 포함하고, 이 캐비티는 그 내부 표면의 일부 또는 전체에 대해 자기질 실리카(106)의 층을 포함한다. 그 내부 층은 피스의 전체 벽 두께에 비해서 상대적으로 얇고, 바디로부터 자발적으로 생성되는 바디 리메인더(108)와 집적 및 용융된다. 적어도 1인치의 천 분의 5의 두께(110)를 갖는 자기질 층은 내부 캐비티에 수분 침투에 실질적으로 영향을 주지 않도록 반복적으로 입증될 수 있는 배리어를 제공한다. 일부 실시예에 있어서, 자기질 층은 내부 볼록 표면과 연결 및 또는 접해 있는 림(112)으로 연장하고, 또한 자기질 층은 그 이상으로 연장할 수도 있다.

바디의 변경되지 않는 리메인더의 두께에 대한 자기질 층의 두께를 최소화하는 것은 일부 응용에 장점들을 제공할 수 있다. 이러한 변경되지 않는 바디는 자기질 층보다 더 많이 손상되는 경향이 있고, 자기질 층은 변경되지 않는 재료보다 더 균열을 전달하는 경향이 있으며, 변경되지 않는 재료의 장점은 최대 두께의 변경되지 않는 재료를 남김으로써 최대화된다. RF 응용에 있어서, 자기질 층은 변경되지 않는 재료와 상이한 유전 특성들을 나타낼 수 있다. 레이더 레이돔 응용(radar radome application)에 있어서, 자기질 실리카의 유전 특성들은 RF 에너지 전송에 덜 투명하게 되는 변경되지 않는 실리카의 특성들보다 덜 유리한 경향이 있다. 이들 응용 형태에 있어서, 자기질 실리카가 유효 실링 층을 설정하기에 충분한 두께, 일반적으로 1인치의 약 천 분의 20 내지 약 천 분의 50을 확립하기에 충분한 단지 두껍게 되는 것이 유리할 수 있다.

한편, 제약과 같은 다른 응용에 있어서, 자기질 실리카의 두꺼운 층은 예를 들어 믹싱 기기 및 믹싱되는 시약에 의한 스케이핑(scaping)에 견딜 수 있는 개선된 내구성에 도움이 될 수 있다. 전형적인 제약 응용은 1인치의 천 분의 50 정도 이상의 자기질 층을 활용할 수 있다.

유리화 공정은 자기질 층 내의 실리카의 밀도를 높인다. 2.13 gm/cc의 최대 가능한 실리카 밀도에 기초하여, 슬립 캐스트 실리카 바디는 최대 밀도의 약 90%인 약 1.92 gm/cc 밀도를 일반적으로 나타내며, 완전히 유리화된 층은 100% 밀도에 접근한다. 밀도 경사(114)는 자기질 층(106)과 유리화된 실리카 바디의 변경되지 않는 리메인더(116) 사이에 존재할 수 있으며, 밀도 경사 내에는 변경되지 않는 용융된 실리카로부터 자기질 실리카 쪽으로 천이하고 밀도가 내부 층 쪽으로 증가하는 재료를 포함한다. 자기질 실리카 층이 1인치의 천 분의 5 내지 20 사이의 두께를 갖는 상황에서, 밀도 경사 존은 일반적으로 1인치의 천 분의 30 내지 60 사이의 두께(118)를 갖는다. 그와 같은 천이 층의 존재는 바디의 전체 내구성에 기여할 수 있고, 또한 수분 배리어에 기여할 수 있다. 특정 최소 두께 이외에도, 바디 벽의 전체 두께(120)는 본 발명의 실시예에 제한되지 않으며, 어떠한 두께도 될 수 있다. 예를 들어, 레이돔은 전체 벽 두께의 4분의 1이 될 수 있다. 여러 층들의 두께는 파괴 테스트 및 육안 검사 및 측정에 의해 판단될 수 있다. 이는 일반적으로 백색이 되는 비유리화된 용융 실리카 바디의 지원을 받으며, 자기질 층은 일반적으로 클리어하다.

층을 유리화하기 위하여, 피스의 표면은, 실리카의 연화점 이상, 약 1700 ℃의 점성 유동과 유리화를 가능하게 하는 온도 존으로 취해져야 한다. 이는 확실히 원치 않는 현상을 피하는 방법에서 이를 실행하는 것이 유리하다.

원치 않는 현상들 중 첫 번째 현상은 실리카의 "보일링(boiling)" 및 중력으로 인한 기하학적 구조의 슬럼핑(slumping) 이다. 이들 및 다른 바람직하지 않은 영향은 피스의 유효 부분의 온도가 1740 내지 1760℃ 이상 상승할 때 관찰되기 시작한다. 이러한 영향은 버블링(bubbling), 부서짐(brittleness) 및 치수 안정성의 손실을 포함할 수 있다. 일단 가열된 실리카의 차후의 냉각은 표면에 버블을 냉동시키고 슬럼프를 표면 기하학적 구조로 고체화한다. 이들 바람직하지 못한 영향은 피스의 온도가 상승함에 따라 보다 현저히 나타나고, 피스의 전체 온도가 1900℃에 달하는 피스는 현저하게 실행 불가능하게 된다. 유리화에 필요한 최소 표면 온도와 피스의 전체의 최대 바람직한 피크 온도 사이의 범위가 너무 좁기 때문에, 상대적으로 좁은 범위 이상 가열되는 재료의 량과 그와 같은 가열 기간을 최소화하는 것을 주의해야 한다.

원치 않는 현상들 중 두 번째 현상은 던팅(dunting) 이다. 던팅은 결정 형성과 층간 및 층내 차이의 팽창 스트레인과 같은 요소들에 의해 야기된다. 실리카를 유리화하는데 필요한 표면 온도는 크리스토발라이트(cristobalite)를 포함하는 실리카의 여러 결정 형태에 대한 생성 온도를 초과한다. 크리스토발라이트는 본 관점에서 최고의 관심사이며, 실리카의 많은 형태가 넓은 온도 범위에서 상대적으로 낮은 열팽창의 계수를 특징으로 나타내기 때문에, 크리스토발라이트의 샤프-스텝 팽창/수축은 결정상이 알파-크리스토발라이트와 베타-크리스토발라이트 사이를 천이할 때 250℃에서 발생한다. 따라서, 상기 천이로부터 피스의 상당한 차동 팽창(differential expansion)과 부수적인 던팅 리스크를 피하기 위하여, 원치 않는 결정 형태, 특히 크리스토발라이트를 생성하기 않거나 단지 최소로 생성하면서 층을 유리화하는 것이 바람직하다. 이는 피스 내의 석영 또는 크리스토발라이트 결정을 성장시키는 시드 결정으로서 기능을 하는 바람직하지 않은 보다 소수의 관련이 없는 석영 또는 크리스토발라이트 결정을 포함하는 고순도의 용융 실리카 피스의 이용을 도울 수 있다. 그러나, 최적의 결과는 결정 생성 온도로 가열된 유리화되지 않은 실리카의 량을 최소화하고 또한, 피스에 적용되는 결정 생성 가열 동안 시간을 최소화하여 얻어진다.

따라서, 본 발명의 한 실시예에 있어서, 상기 고려된 문제점들이 실리카의 1700℃ 연화점 이상일 때 표면의 일부만을 취함으로써 조절되며, 이는 결정형성의 온도 존 이하 및 연화점 이하로 표면의 일부를 빨리 식히기 전에 간단히 조절된다. 이 간결하고 집중된 가열은 결정이 형성되도록 가열되는 실리카의 양과 실리카가 끓는 온도의 범위 및 그 범위에 실리카가 남도록 하는 시간을 최소화한다.

본 발명의 한 실시예에 있어서, 도 2a에 보여진 바와 같이 표면(202)의 집중된 초가열은 유리화되도록 표면의 다양한 일부들에 대해 국부 면적 초가열하는 가열원(204)를 통과시킴으로써 이루어진다. 이 집중된 가열원은 2600℃ - 3200℃의 온도 범위에서 전형적으로 동작하며, 표면의 국부 면적에 초가열하는 열 에너지를 전달할 수 있는 다른 장치 또는 토치(torch)를 구성할 수 있다. 도 2a에 도시된 예시 면적 가열원은 대개 표면을 향해 있는 플레임 영역(208)이 있는 연료 공급된 토치이다. 이 가열원은 유리화될 전체 표면 위에 연속적으로 통과시키며 플레임(flame)에 가장 가까이 있는 용융 실리카 표면을 녹이거나 또는 유체 상태의 실리카(210)의 패치로 방사 열을 보내고 일단 한번 면적 가열원이 다른 곳으로 이동하면 얇게 유리화된 실리카 층(212)으로 굳어진다.

양호한 실시예에 있어서, 면적 가열원은 포인트 가열원이라기 보다는 선형 또는 "리본(ribbon)" 가열원이다. 전형적으로 선형 가열원은 포인트 가열원보다는 더 자연스럽게 흐르도록 선형 초가열 존의 "용해 폭"(214)를 따라 용해된 실리카의 리본을 허용하며, 특히 원형 포인트 토치 플레임에 의해 실행되며 유리화된 표면의 피팅(pitting), 크레이터링(cratering) 또는 그루빙(grooving)을 발생시킬 수 있다. 면적 가열원으로 토치를 사용하는 또 다른 실시예에 있어서, 토치는 낮은 가스 속도를 이용하며 이는 높은 속도의 가스 토치를 사용할 때보다 용해 물질의 이동을 더욱 최소화한다.

면적 가열원의 이동은 유리화와 관련되며 면적 가열원 또는 피스가 외부에 대하여 움직인다. 본 발명의 다양한 실시예에서 면적 가열원은 정지 피스에 대한 모든 움직임을 실행할 수 있고, 피스는 정지 가열원에 대한 모든 움직임을 실행할 수 있으며, 면적 가열원 및 피스 둘 다 바람직한 관련된 움직임의 구성요소에 공헌할 수 있다.

피스에 관련된 면적 가열원의 움직임을 쉽게 설명하기 위하여, 도 2a에 도시된 바와 같이 세 개의 임의의 직각 축이 정의되어 있다. 이해를 돕기 위하여, 본 발명의 실시예는 처리된 피스의 회전 또는 대칭의 표면을 필요로 하지 않더라도 대체로 대칭인 회전 표면이다. 피스의 제 1 축은 회전축(216)이며, 대칭 피스의 리딩 팁(218)을 통과하며, 팁의 반대편 후미의 캐비티 입구의 중앙을 통과한다. 처리하는 동안 피스의 회전을 포함하는 본 발명의 실시예에서는 피스가 대략 회전축의 둘레를 회전한다. 처리되는 피스의 형상은 통상적으로 이 축에 대해 회전하는 표면과 비슷하며, 이 축에 대해 캐비티는 대략 대칭으로 처리된다. 그러나, 피스 및/또는 캐비티가 불규칙한 구조, 셸프, 또는 인덴테이션을 형성할 때 피스는 참 또는 정확한 회전 표면이 되지 않는다. 다른 두 개의 축들은 피스의 어떤 특정 포인트보다도 가열원에 대해 정의된다. 일부 실시예들에 있어서, 피스가 회전하기 때문에 가열원에 대해 안정적인 축들에 관해서 가열원의 움직임을 설명하는 것이 더 쉽다. 따라서, 제 2 축은 래디얼 축(220)이며, 면적 가열원의 방향에서 회전 축으로부터 확장하며, 회전 축에 수직이 된다. 제 3 축은 탄젠셜(tangential) 축(222)이며, 본 명세서에서 정의된 다른 두 축들에 수직이며, 일반적으로 면적 가열원에 가장 가까운 포인트에서 피스의 표면에 접선이 된다. 피스가 팁 페이싱 다운 및 애프트 에지 또는 캐비티 입구 페이싱 업으로 포지션되어도 면적 가열원의 포지셔닝 및 이동의 이해를 돕기 위해, 위와 아래의 개념이 사용된다. 이러한 것들은 편리한 참조만을 위해 사용되며, 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 피스는 그러한 순서로 처리되며, 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 도면에 보인 바와 같은 순서 또는 물리적 순서로 처리되지 않아도 된다.

바람직한 실시예에 있어서, 면적 가열원의 선형 초가열 영역은 유리화되는 표면 주위에 가열원의 주행의 방향에 가로로 배치되어, 면적 가열원의 선행 사이즈로 결정되는 용해 폭(214)을 처리하는 구획(swath)과 같은 가열원이 이동할 때 표면을 따라 연장하는 간단히 초가열 구획을 생성한다. 가열원은 심지어 유리화된 층이 원하는 모든 면적에 대해 가열하여 제공하는 어떠한 패턴으로도 표면에 대해 이동될 수 있다. 이를 성취하기 위하여, 가열원은 임의의 차원의 축들 또는 이 축들의 주위의 회전에 따른 이동에 의해 피스에 대해서 위치 지정이 가능하다.

도 3에 도시된 것처럼, 일반적으로 오목한 내부 표면으로 이용하기 위한 바람직한 본 발명의 실시예는 회전축의 주위에 면적 가열원의 상대적인 회전을 회전축을 따라 면적 가열원의 상대적으로 느린 이동과 조합하여, 오목한 내부 표면(304)의 전체에 대해 연속된 나선 스윕(sweeps)(302)에서 면적 가열원을 주사하는 헬리컬 "라스터링" 움직임(helical "rastering" motion)을 생성한다. (설명의 명료함과 간략화를 위하여, 본 발명이 특정 실시예들에 따른 특정 관점들 및 특징들, 즉 밀접하게 위치 지정, 오버랩핑 구획들, 플랫 시작 및 종료 구획들, 및 내부 표면의 여러 구간에 대한 여러 가열원들의 이용은 도 3에 도시하지 않음). 처리되는 바디에 대해 면적 가열원의 관련된 움직임은 가열원 또는 바디 또는 이들 모두를 이동시켜 성취될 수 있고, 예시적인 실시예에 있어서, 바람직한 헬리컬 움직임의 회전 성분은 바디를 회전시켜 성취된다.

캐비티가 원뿔형의 팁보다는 플랫 바닥을 특징으로 하는 경우에, 면적을 커버하는 어떤 움직임이 다시 이용될 수 있지만, 특정 움직임들은 최소량의 관련된 헛된 이동을 최소량으로 하여 표면의 유효 범위와 오버랩을 즉시 발생하는 편리함에 바랍직하게 될 수 있다. 한 예시적인 실시예는 회전축의 차단에서 표면에 대한 면적 가열원을 초기에 배치함으로서 회전축을 차단하는 플랫 또는 얕은 표면을 처리하고, 단부들 또는 곡선들 중 어느 것이 캐비티의 애프트 단부 쪽을 향해 위쪽으로 향하는 표면 지점에 플랫 또는 얕은 표면을 따라 지정하는 것으로부터 가열원을 나선형태로 움직인다(spiraling). 플랫 바닥 피스와 같은 위쪽 벽을 처리하는데 있어서, 가열원은 플랫 표면의 외부 에지에서 플랫 스파이럴의 연장을 헤릭스(helix)와 같은 3차원으로 시작할 것이다. 이와 같은 스파이럴 및 헤릭스를 실행하기 위하여, 움직임의 회전 성분이 피스를 회전하여 제공되는 한 실시예에 있어서, 회전 차단의 축에서 플랫 표면에 대해 초기에 위치 지정된 면적 가열원은 벽의 곡률(wall curvature)이 도달될 때까지 방사형 축을 따라 단호하게 바깥쪽으로 이동할 것이며, 이때, 방사형 축에 따른 이동은 느리거나 정지될 것이며, 회전축을 따라 위쪽으로의 이동은 시작하거나 가속될 것이다. 다른 실시예에 있어서, 처리되는 피스가 실질적 또는 완전히 평평할 때, 스파이럴 이동은 회전축을 따라 단지 작게 또는 이동하지 않게 되고, 전체 피스를 처리하는데 이용될 것이다.

가열의 일관성이 연료, 아크 또는 다른 가열원 파라미터와 같이 면적 가열원의 조정을 보상하여 개선될 수 있지만, 처리되어야 하는 표면상에 면적 가열원이 이동할 때 적용된 열이 여전히 변동될 수 있다. 이를 보상하기 위하여, 바람직한 실시예에 있어서, 면적 가열원에 의해 아래에 놓인 가열된 구획들은 표면상의 각각의 지점을 수회 가열하도록 연속으로 통과하여 오버랩된다. 이는 표면상의 지점이 면적 가열원에 의해 미싱(miss)되지 않도록 보장하고 또한, 다수의 가열이 단일 통과 동안 불완전한 가열로 유도되는 불규칙성을 보상하는 경향이 있으며, 이에 따라, 균일층 두께 전체를 성취하는 경향이 있다. 본 실시예에 있어서, 면적 가열원은 우선 위치(224)에 배치되어 제 1 구획(226)을 작성하고, 회전의 피스 축 주위에 가열원의 다음 회전 동안, 면적 가열원은, 스와치(226)의 폭보다 작은 량에 의해, 회전축을 따라, 위치(228)로 가로로 이동되어, 오버랩핑 면적(232)을 갖는 제 2 오버랩핑 구획(230)을 작성한다. 이는 이전에 가열된 면적의 부분들을 재가열하는 오버랩핑 구획들의 "푸시-브룸 효과(push-broom effect)"를 설정하며 두 개의 인접한 구획들 간의 손실된 마진이 존재하지 않는다.

바람직한 실시예에 있어서, 통과에 대한 면적 가열원의 가로 방향으로의 이동은 이전 통과 동안 실질적으로 구획 렌더링된 점성(swath rendered viscous)의 폭의 절반이 된다. 이는 오버랩핑 면적 가열원 이동의 두 통과에 의해 커버되는 표면 상의 각각의 지점을 유도하여, 표면상의 각각의 지점에 다시 용해할 기회를 제공하고, 점성 실리카 흐름의 균일성을 개선한다. 폭의 절반으로 오버래핑하는 것은 구획 내에 발생할 수 있는 크라우닝(crowning)에 대해 최대로 보상한다. 이러한 크라우닝은 에지에서의 온도보다 높은 가열원의 중간의 온도로 인한 것(이에 따라 표면 상의 구획의 중간)이며, 이러한 크라우닝은, 도 2c도 2c시된 것처럼, 그 에지들(238 및 240) 상에서 보다 구획(236)의 중간에서보다 큰 재료 두께(234)의 형태를 취할 수 있다. 면적 가열원을 위치(242)에서 위치(244)까지 이동시킴으로써, 이에 의해 가로 구획 폭의 절반 폭으로 연속 구획(246)을 오프세팅(offsetting)하며, 이어지는 통과에서 구획의 신너(thinner) 부분(248)은 이전 통과로부터 두껍게 되는 영향(influence)(234)의 면적에 적용되어 보상하고, 두껍게 되는 경향(250)의 면적이 신너 부분(240)에 적용되어 또한 보상한다. 위치(252) 내의 가열원 및 작성된 구획(254)에서 가열원이 다음 후속되는 통과에 있어서, 디커-영향 면적(thicker-influenced area)(258)은 이전의 신너 면적(260)에 적용되어 다시 두 면적을 보상한다.

특정 실시예에 있어서, 가열원은 표면과 물리적인 접촉이 되지 않지만, 도 2a에 도시된 것처럼, 이격 거리(206)에서 통과된다. 이러한 한 실시예에 있어서, 이격 거리는 일반적으로 약 1인치가 된다. 최적의 가열을 위해, 특정 회전 조정이 가열원에 제공될 수 있다. 상기 설명한 것처럼, 선형 가열원의 긴 차원은 주행 방향에 대해 가로로 최적으로 되고, 헬리컬 스캔에 있어서, 면적 가열원의 주행 방향은 실질적으로 회전축 주위가 되며, 따라서, 면적 가열원은 회전축에 실질적으로 평행한 긴 차원을 정렬하도록 방사축 주위에 회전으로 조정된다. 긴 차원을 따라 열의 균일한 적용을 위해, 면적 가열원은 유리화되는 표면 부분에 수직이 될 탄젠셜 축 주위를 회전으로 조정된다. 가열원이 오목 표면의 애프트 단부 쪽으로 이동함으로써, 방사축을 따라 캐비티의 직경은 일반적으로 연장하고, 표면의 "테이퍼 각도(cone angle)", 즉 회전축 및 방사축에 의해 정의된 평면에서 국부 내부 표면의 탄젠트는 회전 축과 나란하게 되는 쪽으로 일반적으로 이동한다. 가열원은 도 2b에 도시된 것처럼 각도(262)만큼 연속 통과에서 탄젠셜 축 주위에 회전으로 최적으로 조정되어, 그와 같은 연속된 통과의 지점에서 표면에 수직인 가열원을 유지한다.

도 2d의 상면도에 도시된 것처럼, 가열원에 대한 다른 회전 조정에 관하여, 특정 실시예에 있어서, 면적 가열원은 회전축에 나란한 축 주위에서 각도(264)만큼 조정되어 이동의 면적 가열원의 방향으로 가열원에서 방사하는 열 또는 플레임(266)을 투사하여, 열 또는 플레임은 관련된 이동으로 면적 가열원에 접근하는 표면의 부분(268)에 접촉한다. 특정 바람직한 실시예에 있어서, 가열원은, 열 또는 플레임의 직접, 정상 적용과 같이 발생하는 문제로 인하여, 가열원의 바디에 가장 가까운 표면에 접하는 가열 플럼(plume) 또는 플레임과 표면에 완전 수직이 될 축 주위에서 회전으로 조정되지 않는다. 이러한 문제점들은 증가된 열적 쇼크, 직접 정상 열 또는 플레임 투사로부터 용해 재료의 증가된 변위, 및 표면으로부터의 열을 바람직하지 않게 제거하고 면적 가열원의 메커니즘에 역으로 열을 바람직하지 않게 반영하는 인가된 열의 바운스-백(bounce-back)을 포함한다. 이들 바람직하지 않은 효과는 가열원의 움직임의 앞에 열 또는 플레임을 향하게 하여 제거 또는 감소되며, 이에 의해, 플레임 또는 열 플럼이 표면에 접촉한 이후에 주행 방향으로 표면을 따라 다시 향하게 한다(270). 이러한 리딩 플럼(leading plume)(272)은 또한 플레임 또는 열 플럼의 외부 프린지(outer fringes)로 들어올 때 표면의 일부(274)를 또한 미리 가열하여, 열의 이동을 제공하고 그러한 접근 부분에 의해 경험된 온도 변화의 시간 구배(time gradient)를 감소시킨다. 이러한 모든 이유로 인하여, 본 실시예들에서 면적 가열원은 표면에 수직으로부터 일반적으로 10 내지 15도의 본 실시예에서의 량으로 각도(264)만큼 그 주행 방향 쪽으로 축 주위를 조정된다.

추가적인 이동과 여러 축들 주위의 회전은 표면에 대하여 적당하게 열 플럼을 지정하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 내부 캐비티의 직경이 원추형 피스의 정상 쪽으로 증가할 때 표면의 커버리지(coverage)를 유지하기 위하여, 면적 가열원은 표면으로부터 일정한 이격 거리를 유지하도록 방사축을 따라 외부쪽으로 이동될 수 있다.

유리화 공정을 실행하는 과정에서, 처리되는 바디의 상이한 부분들 사이의 차이의 팽창은 그들 부분들 사이의 내부 스트레인을 도입하는 상이한 온도에서 있게 되는 바디의 여러 부분들에 의해 야기될 수 있다. 그러나, 이는 유리화을 위한 초가열되는 부분과 실리카 바디의 나머지 사이의 온도 차를 최소화함으로써 감소될 수 있다. 이를 성취하기 위하여, 특정 실시예에 있어서, 대부분 또는 모든 전체 피스는 초가열 처리 동안 바이어스 가열되며, 이는 바이어스 가열의 량만큼 초가열의 지점에서 온도차를 감소시키기 위함이다. 이러한 바이어스 가열은 원치 않는 결정 생성으로 유도될 온도 이하의 온도 범위, 본 실시예에서 일반적으로 600℃ 내지 1000℃의 온도에서 이용된다.

층간 및 층내 스트레스는 유리화 공정 동안 용해된 실리카를 보다 평활하면서 자연스럽게 허용하는 기술에 의해서도 감소될 수 있다. 상술한 여러 통과 가열 기술과 함께, 한 실시예에 있어서, 피스가 어닐링되는 유리화 이후에, 노(kiln) 또는 다른 오븐(oven)에서, 그러한 생성이 지연되는 동안 자기질 층에 배치된 스트레스를 허용한다. 이상적으로는 결정 생성을 피하기 위한 어닐링은 짧다.

일반적인 피스에 있어서, 처리될 내부 표면은 자기질 층의 생성으로부터 혜택을 받게 되는 다른 표면들에 인접할 수 있는데, 비록 이들 표면에 대해서, 자기질 층이 내부 층을 엄격하게 고려하지 못할 수 있다할지라도, 인접할 수 있다. 항공 우주 산업의 레이돔 응용, 제약 도가니 또는 페슬 응용 및, 다른 응용들에 있어서, 벽의 에지에서의 벽의 폭은 캐비티에 인접하는 림 또는 에지로서 표시될 수 있다. 레이돔 응용에 있어서, 그러한 에지는 미사일 또는 다른 에어프레임 내의 방위에 기초한 "애프트 에지(aft edge)"로 지칭된다. 피스의 내부 층을 유리화하기 위해 이용되는 처리는 인접한 림 또는 애프트 에지와 같은 층을 유리화시키는데 사용될 수도 있다.

본 발명에 따른 제조 장치와 이 제조 장치를 동작하는 방법은 본 발명의 실시예에 따른 내부 자기질 실리카 층을 갖는 용융 실리카 바디를 제조하고, 본 발명에 다른 실시예에 따른 방법을 실행하는데 사용되며, 이들 장치 및 방법에 대해서는 계류중인 특허출원의 명칭이 "Apparatus for producing a vitreous inner layer on a fused silica body, and method of operating same", 문서 번호 R691/65508(09W125)에 보다 상세히 기술되어 있으며, 이 참고문헌의 전체 내용은 본 명세서에 참고 문헌으로 포함되어 있다.

본 발명의 제한된 실시예들이 명확하게 설명 및 예시되어 있지만, 많은 변경안, 조합안 및 수정안들이 있을 수 있음은 본 기술 분야에 숙련된 사람들에게는 명백히 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 원리에 따라 구성되는 자기질 실리카 내부 층을 갖는 용융 실리카 바디와 이를 구성하기 위한 방법들이 본 명세서에 명백하게 기재된 것과 다르게 구체화될 수 있음을 알 수 있다. 또한, 본 발명은 다음 청구 범위에 정의된다.

Claims (26)

1. 유리화 된 부분(vitrified portion) 및 유리화 되지 않은 바디의 리메인더 (remainder)를 포함하는 용융 실리카 바디로서,
   상기 유리화 된 부분은, 상기 바디의 내부 표면을 유리화하여 상기 유리화되지 않은 바디의 리메인더 상에 자기질 실리카(vitreous silica)의 층을 형성함으로서 생성되는, 용융 실리카 바디.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 자기질 실리카의 층은 상기 바디의 리메인더에 용융되는, 용융 실리카 바디.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 자기질 실리카의 층은 실질적으로 수분에 영향을 받지 않는, 용융 실리카 바디.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 자기질 실리카의 층은 1.92 gm/cc 내지 2.13 gm/cc 사이의 밀도를 갖는, 용융 실리카 바디.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 내부 표면은 오목 캐비티를 형성하는, 용융 실리카 바디.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 자기질 실리카의 층은 상기 바디의 상기 내부 표면 전체에 대해 실질적으로 연장하는, 용융 실리카 바디.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 자기질 실리카의 층의 두께는 1인치의 약 천 분의 5 내지 1인치의 약 천 분의 20 사이인, 용융 실리카 바디.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 바디는 상기 내부 표면과 연결되는 표면과 상기 연결 표면의 적어도 일부에 인접한 자기질 실리카의 층을 포함하는, 용융 실리카 바디.
9. 제 1 항에 있어서, 상기 바디는 레이돔으로서 이용되도록 구성되는, 용융 실리카 바디.
10. 제 1 항에 있어서, 상기 바디는 혼합 물질용 용기로서 이용되도록 구성되는, 용융 실리카 바디.
11. 제 1 항에 있어서, 상기 바디는 슬립 캐스팅으로 형성되는, 용융 실리카 바디.
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