一种均质陶瓷热结构件的连接结构

技术领域

本发明涉及航空结构材料应用领域，尤其涉及一种均质陶瓷热结构件的连接结构。

背景技术

随着航天技术的发展，各类飞行器的飞行速度、飞行时间不断提高，这使得其飞行器各处结构件面临的力、热考核愈发严厉。均质陶瓷材料由于其优异的耐高温性能、良好的绝缘特性，被认为是理想的热结构件材料。然而均质陶瓷材料脆性较大，难以直接与金属舱段连接。

目前通常采用的做法是均质陶瓷热结构件直接与金属连接端框连接，然而均质陶瓷材料脆性大、热膨胀系数低，为匹配均质陶瓷的较低的热膨胀系数，多采用低膨胀合金殷钢，均质陶瓷与殷钢的使用温度一般不超过200℃。当连接区的温度在200℃以上时，将超出了殷钢连接端框与均质陶瓷热结构件的使用极限，导致连接环升温膨胀破坏陶瓷热结构件，因此限制了耐温绝缘性能优异的均质陶瓷材料的更广泛应用。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种均质陶瓷热结构件的连接结构，通过在均质陶瓷热结构件与金属连接端框之间增加过渡转接框，以解决均质陶瓷热结构件连接区热匹配的问题。

本发明实现上述目的所采用的技术方案如下：

一种均质陶瓷热结构件的连接结构，包括：均质陶瓷热结构件(101)、过渡转接框(102)和金属连接端框(103)；其中，所述过渡转接框(102)介于所述均质陶瓷热结构件(101)和所述金属连接端框(103)之间，用于作为所述均质陶瓷热结构件(101)和所述金属连接端框(103)之间的连接件；所述过渡转接框(102)的第一端部嵌入所述均质陶瓷热结构件(101)的内部，并与所述均质陶瓷热结构件(101)的内壁连接固定；所述过渡转接框(102)的第二端部外套在所述金属连接端框(103)的外部，并与所述金属连接端框(103)的外壁连接固定；所述过渡转接框(102)采用纤维增强陶瓷基复合材料或高强高模树脂基复合材料制成。

进一步地，所述均质陶瓷热结构件(101)采用熔融石英陶瓷或氮化硅陶瓷制成。

进一步地，所述过渡连接框采用石英纤维增强二氧化硅陶瓷基复合材料、氧化铝纤维增强陶瓷基复合材料或碳纤增强树脂基复合材料制成。

进一步地，所述金属连接端框(103)采用钛合金材料或殷钢制成。

进一步地，所述均质陶瓷热结构件(101)采用熔融石英陶瓷材料制成，所述过渡转接框(102)采用石英纤维增强二氧化硅陶瓷基复合材料制成，所述金属连接端框(103)采用TA15钛合金制成。

进一步地，所述均质陶瓷热结构件(101)采用均质氮化硅陶瓷材料制成，所述过渡转接框(102)采用氧化铝纤维增强陶瓷基复合材料制成，所述金属连接端框(103)采用TA15钛合金制成。

进一步地，所述过渡转接框(102)的第一端部与所述均质陶瓷热结构件(101)的内壁之间采用胶接及销钉固定；所述过渡转接框(102)的第二端部与所述金属连接端框(103)的外壁之间采用胶接及销钉固定。

进一步地，所述均质陶瓷热结构件(101)的内部还设有隔热组件(202)，该隔热组件(202)位于所述过渡转接框(102)的第一端部外侧。

进一步地，所述隔热组件(202)选用隔热瓦或气凝胶，或隔热瓦和气凝胶的组合件。

进一步地，所述均质陶瓷热结构件(101)、过渡转接框(102)及金属连接端框(103)的外壁上还设有一层外防热层(203)，该外防热层(203)为喷涂的一层烧蚀涂层或铺覆的一层隔热瓦。

进一步地，在所述过渡转接框(102)的内部，且在所述均质陶瓷热结构件(101)与所述金属连接端框(103)相互靠近的端部所在的区域设置有内部载荷装置(201)。

本发明的技术方案达到的技术效果如下：

本发明通过避开现有的均质陶瓷热结构件直接连接金属连接端框的研究思路，采用过渡转接框连接均质陶瓷热结构件和金属连接端框，过渡转接框采用热膨胀系数低且耐高温的纤维增强陶瓷基复合材料或高模高强树脂基复合材料制成。这样的连接结构使得均质陶瓷热结构件能够有效进行热流阻隔以保护内部载荷装置，同时均质陶瓷热结构件与过渡转接框相连，避免了均质陶瓷热结构件由于与金属连接端框热匹配性能差而导致开裂的问题，保证了内部载荷装置的正常工作，极大扩宽了均质陶瓷材料的应用，避免了目前均质陶瓷热结构件与金属连接端框热匹配温度低的问题。另外本发明也拓宽了均质陶瓷热结构件和金属连接端框选用成熟的均质陶瓷材料制造，金属连接端框也可以选用更多成熟的合金材料制造，极大拓展了均质陶瓷的使用范围。本发明的连接结构可应用于各类领域中均质陶瓷热结构件与金属结构的连接，且对于类似结构的装置均有借鉴意义。

附图说明

所包括的附图用来提供对本发明实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本发明的实施例，并与文字描述一起来阐释本发明的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为实施例中的一种均质陶瓷热结构件的连接结构的示意图。

图中：

101-均质陶瓷热结构件；

102-过渡转接框；

103-金属连接端框；

201-内部载荷装置；

202-隔热组件；

203-外防热层。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供了一种均质陶瓷热结构件的连接结构，包括耐高温的均质陶瓷热结构件101、过渡转接框102和金属连接端框103。其中，所述过渡转接框102介于所述均质陶瓷热结构件101和所述金属连接端框103之间，用于作为所述均质陶瓷热结构件101和所述金属连接端框103之间的连接件.所述过渡转接框102的第一端部(即图1中的上端部)嵌入所述均质陶瓷热结构件101的内部，并与所述均质陶瓷热结构件101的内壁之间采用胶接及销钉固定.所述过渡转接框102的第二端部(即图1中的下端部)外套在所述金属连接端框103的外部，并与所述金属连接端框103的外壁之间采用胶接及销钉固定。所述过渡转接框102采用纤维增强陶瓷基复合材料或高强高模树脂基复合材料制成。

作为一种优选的实施方式，为了保证所述均质陶瓷热结构件101既能耐高温又能电气绝缘，所述均质陶瓷热结构件101采用熔融石英陶瓷材料或氮化硅陶瓷材料制成。

作为一种优选的实施方式，为了更好地保证所述过渡转接框102能同时连接所述均质陶瓷热结构件101与所述金属连接端框103，所述过渡转接框102采用石英纤维增强二氧化硅陶瓷基复合材料、氧化铝纤维增强陶瓷基复合材料、M40J碳纤维增强树脂基复合材料中的一种。

作为一种优选的实施方式，所述金属连接端框103采用钛合金材料(例如TA15钛合金)或殷钢制成。

作为一种更优选的实施方式，所述均质陶瓷热结构件101采用熔融石英陶瓷材料制成，所述过渡转接框102采用石英纤维增强二氧化硅陶瓷基复合材料制成，所述金属连接端框103采用TA15钛合金制成。应用前述的材料配置，既能保证所述均质陶瓷热结构件101优异的电气绝缘性能的同时兼顾一定的高温性能，熔融石英陶瓷材料属于耐高温透波材料，大面积温度可耐1100℃。

作为另一种更优选的实施方式，所述均质陶瓷热结构件101采用均质氮化硅陶瓷材料制成，所述过渡转接框102采用氧化铝纤维增强陶瓷基复合材料制成，所述金属连接端框103采用TA15钛合金制成。应用该种配置方式，既能保证所述均质陶瓷热结构件101优异的电气绝缘性能的同时兼顾一定的高温性能，氮化硅材料属于耐高温透波材料，大面积温度可耐1400℃。

作为一种优选的实施方式，为了进一步保证耐温性，本连接结构还包括隔热组件202，所述隔热组件202设置在所述均质陶瓷热结构件101的内壁上(具体位置如图1所示)，所述隔热组件202用于内部载荷装置201的隔热。当需要启动内部载荷装置201工作时，内部载荷装置201可以在均质陶瓷热结构件101和隔热组件202的保护下正常工作。作为一种更优选的实施方式，所述隔热组件202为隔热瓦、气凝胶或二者的组合件。

作为一种优选的实施方式，为了进一步保证耐温性，本连接结构还包括外防热层203，所述外防热层203设置在所述均质陶瓷热结构件101、过渡转接框102、金属连接端框103的外壁上，所述外防热层203用于所述均质陶瓷热结构件101、过渡转接框102、金属连接端框103的隔热。

作为一种更优选的实施方式，所述外防热层203为喷涂的烧蚀涂层或铺覆的隔热瓦。具体选材和铺覆工艺需要根据连接结构使用环境确定。如果温度在均质陶瓷热结构件101、过渡转接框102、金属连接端框103的耐温范围以内，可不做外隔热处理，这种情况下可以不含所述外防热层203。

以下表1所示为材料物理性能测试数据，均质陶瓷热结构件材料熔融石英陶瓷热膨胀系数在400℃时不足0.8×10

表1材料物理性能

注1：线膨胀系数在室温-400℃区间内随温度上升而上升。

注2：碳纤维增强树脂基复合材料线膨胀系数可通过材料微观结构调控改变线膨胀系数。

以下表2示出了熔融石英陶瓷材料在室温-1200℃时材料弯曲强度，随着温度升高熔融石英陶瓷材料弯曲强度逐步升高，使由熔融石英陶瓷材料制备的热结构件在温度达到1100℃时仍具备良好的结构强度。但是在高温条件下熔融石英陶瓷材料会逐步软化，丧失模量，实测在1230时熔融石英陶瓷材料制备的试样因软化已不具备开展力学测试的条件。因此在考虑留有余量的前提下，可认为熔融石英陶瓷热结构件大面积使用温度为1100℃。除较好的耐温能力外，熔融石英热结构件更重要的优点是成本低，通用性强。

以下表2示出了氮化硅复相陶瓷材料在室温-1500℃时材料弯曲强度，随着温度升高氮化硅复相陶瓷材料弯曲强度快速上升后逐步下降，当温度上升至1400℃，氮化硅复相陶瓷高温弯曲强度与其室温弯曲强度相近，因此可认为氮化硅复相陶瓷材料制备的热结构件在温度达到1400℃时仍具备良好的结构强度。但是随着温度进一步升高至1500℃时材料弯曲强度下降至138MPa，同时氮化硅复相陶瓷在超过1400℃时易氧化影响材料电性能，因此氮化硅复相陶瓷材料热结构件大面积使用温度为1400℃。

表2均质陶瓷材料弯曲强度

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件部位，仅仅是为了便于对相应零部件部位进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。