DE10035111A1 - Ultra-Leichtgewichts-Träger und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Ultra-Leichtgewichts-Träger und Verfahren zu seiner Herstellung

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Abstract

Es wird ein Ultra-Leichtgewichts-Träger für Spiegel-, Montage- oder Ablageeinrichtungen mit einem aus mindestens zwei Segmenten gebildeten Trägerkörper offenbart, der mindestens eine Funktionsfläche, insbesondere Spiegelfläche, Montagefläche, Ablagefläche, sowie Fügebereiche für eine Zusammenfügung der Elemente aufweist, wobei der Trägerkörper im wesentlichen aus Kohlenstoff, Silizium und Siliziumkarbid besteht, das Silizium oberhalb seiner Schmelztemperatur zumindest teilweise in einen Rohkörper infiltriert ist, der anfänglich im wesentlichen aus Kohlenstoff besteht und eine Faserverstärkung aufweist, das Silizium mit mindestens Teilen des Kohlenstoffs zu dem Siliziumkarbid umgesetzt ist, und wobei die den Trägerkörper bildenden Segmente beim Infiltrieren miteinander zu einem monolytischen Trägerkörper verbunden sind, wobei der Ultra-Leichtgewichts-Träger in einfacher und kostengünstiger Weise unter Vermeidung der Nachteile nach dem bisher bekannten Stand der Technik hergestellt ist, indem der Trägerkörper aus Segmenten zusammengesetzt ist, die in einem Vor-Silizierungsschritt unter Ausbildung von Rohsegmenten vor ihrer Verbindung zumindest teilweise siliziert sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Ultra-Leichtgewichts-Träger nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, ein Verfahren zur Herstellung eines Ultra-Leichtgewichts-Trägers nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 23, sowie ein Segment zur Durchführung des Verfahrens gemäß Patentanspruch 23 nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 41.
Derartige Ultra-Leichtgewichts-Träger werden für vielfältige Anwendungen, wie beispielsweise für Spiegel-, Montage- oder Ablageeinrichtungen benötigt, wobei jedoch wesentliche Parameter essentiell einzuhalten sind. Hierzu gehören beispielsweise Eigenschaften wie eine Formgenauigkeit des Trägers oder einer darauf befindlichen Fläche, eine Widerstandsfähigkeit gegenüber mechanischen, verschleißenden sowie chemischen Einflüssen und nicht zuletzt ein niedriges spezifisches Gewicht bei einer gleichzeitigen Stabilität, die sowohl hinsichtlich ihrer Geometrie als auch ihrer chemischen und physikalischen Eigenschaften - auch unter Belastung - und auch zeitlich erhalten bleibt. Des weiteren werden, insbesondere bei Spezialanwendungen, wie beispielsweise in der Raumfahrt, in Laboratorien oder in bestimmten, insbesondere Temperatur- oder Strahlungsmeßeinrichtungen hohe Anforderungen an eine Temperaturwechselbeständigkeit, verbunden mit einem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten gestellt. Ein weiterer wesentlicher und unter Umständen anwendungslimitierender Faktor von Ultra-Leichtgewichts- Trägern ist die Vermeidung von inneren Spannungen und Verformungen, die beispielsweise bei Veränderungen der Temperatur oder Feuchte auftreten können.
Weitere Anforderungen an einen Ultra-Leichtgewichts-Träger werden mit Blick auf Spezialanwendungen, wie beispielsweise für Spiegel-, Montage- oder Ablageeinrichtungen deutlich.
So werden insbesondere bei Spiegeloberflächen höchste Anforderungen an die Formgenauigkeit und Mikrogestalt der Spiegelflächen gestellt. Eine weitere wesentliche Eigenschaft ist mit Blick auf Spiegeloberflächen der Reflexionsgrad sowie die zeitliche Stabilität der Reflexionsfunktion. Bei insbesondere großen Spiegeln spielt des weiteren ihr Eigengewicht eine maßgebliche Rolle, da ein hohes Eigengewicht bereits bei Lageveränderungen des Spiegels zu Verformungen führt, die durch aufwendige Gegenmaßnahmen kompensiert werden müssen. Aufgrund ihres hohen Elastizitätsmoduls sind deshalb in der Vergangenheit vielfältige Metalle, wie beispielsweise Reinkupfer, Aluminium- und Molybdänlegierungen sowie druckgesintertes Beryllium als Spiegel benutzt worden, wobei bei letzterem die Polierbarkeit der Spiegelschicht durch eine Schicht von chemisch abgeschiedenem Nickelphosphid verbessert werden mußte, um Abweichungen ihrer Gefügestruktur an den Korngrenzen zu vermeiden.
Nachteilig wirkt sich weiterhin aus, daß Metalle eine hohe Wärmeausdehnung und somit eine geringe thermische Formbeständigkeit aufweisen.
Als alternative Spiegelwerkstoffe wurden in der Vergangenheit deshalb auch Glas- und Glaskeramiken eingesetzt. Hierbei erweisen sich jedoch zum einen ein aufwendiges Formgebungsverfahren sowie ein relativ hohes Raumgewicht von durchschnittlich 2,53 g/cm3, eine geringe Zugfestigkeit und nicht zuletzt ein sprödes Bruchverhalten als nachteilig. Als Ultra-Leichtgewichts-Träger für Spiegeleinrichtungen kommt Glas bzw. Glaskeramik deshalb nicht - allenfalls in kleinen - Apparaturen in Betracht, wobei zudem ihr Einsatzbereich als optische Komponente auf eine konstante oder eine maximale Temperatur von 423 K begrenzt ist. Für eine Anwendung in Bereichen mit hohen Temperaturänderungen, wie beispielsweise im Weltraum sind Glas, respektive Glaskeramiken deshalb nicht geeignet.
Als weiteres Material für einen Leichtbau-Spiegel-Träger bietet sich Aluminium an, das bei Anwendungen im Vakuum in reiner Form vorgesehen sein kann. Die zuvor genannten und für den Einsatz als Spiegelträger mangelhaften Eigenschaften von Metallen kommen jedoch auch hier zum Tragen, wobei zudem geringe Steifigkeit sowie ein sehr hoher Wärmeausdehnungskoeffizient den Einsatz dieses Materials begrenzen.
Stand der Technik sind weiterhin reflektierende Optiken auf Quarzglasbasis, die zwar aufgrund ihres äußerst niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten von nahezu 0 prädestiniert für sogenannte kryogene Anwendungen sind, wobei der thermische Ausdehnungskoeffizient jedoch im Bereich von 272 K bis 373 K auf 5,1 × 10-1 ansteigt. Ein weiterer Nachteil ist das hohe spezifische Gewicht von Quarzglas von 2,2 g/cm3, seine geringe Steifigkeit, die niedrige Zugfestigkeit sowie seine hohen Produktionskosten und insbesondere auch die Begrenzung des Durchmessers von derartig aufgebauten Spiegeln auf ca. 50 cm, was durch das komplexe Herstellungsverfahren bedingt ist (Quelle: W. Englisch, R. Takke, SPIE, Vol. 113, Reflective optics II., 1989, page 190-194).
Als ein Metall, das die für die Anwendung als Ultra- Leichtgewichts-Spiegel-Träger nachteiligen Eigenschaften der meisten anderen Metalle weitgehend vermeidet, ist Beryllium aufgrund seiner mechanischen und thermischen Eigenschaften, sowie seines niedrigen Raumgewichtes von 1,85 g/cm3 für die Herstellung derartiger Strukturen geeignet. So übersteigt die Steifigkeit von Beryllium die von Aluminium oder von Glaswerkstoffen um ein vielfaches. Auch die Polierbarkeit von beschichteten Berylliumplatten ist exzellent, so daß dieses Material prädestiniert für optische, respektive reflektierende Oberflächen ist.
Als besonders nachteilig beim Einsatz dieses Metalls haben sich jedoch dessen hohe Rohstoff- und Herstellungskosten, sowie die extrem hohe Toxizität von Beryllium und seiner Verbindungen erwiesen. Um Beryllium unter atmosphärischen Verbindungen als optische Komponente einsetzen zu können, muß dieses darüber hinaus zuvor mit Nickel beschichtet werden, wobei diese beiden Metalle jedoch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen und ein Einsatz einer derartigen optischen Komponente aus Beryllium und Nickel daher nur bei konstanten Temperaturen oder in sehr engen Temperaturbereichen möglich ist.
Unter Weltraumbedingungen können zwar auch unbeschichtete Spiegel aus Beryllium verwendet werden, wobei der hohe Wärmeausdehnungskoeffizient bei den hier typischen Temperaturwechseln zwischen annähernd 0 K und 700 K zu lokalen Verformungen auf der optischen Fläche führt, die Beryllium für den Einsatz in der Präzisionsoptik ausschließen und auch bei Satellitenspiegeln zu erheblichen Übertragungsproblemen führen können.
Derartige Spiegelstrukturen werden gegenwärtig auch aus monolithischer Keramik auf der Basis von Siliziumkarbid über die sogenannte Schlickerguß-Technik hergestellt. Bei diesem Formgebungsverfahren wird in eine als negativ ausgebildete Gipsform eine Siliziumkarbid-Pulversuspension eingefüllt, aus der sich in Abhängigkeit von der Verweilzeit in der Gipsform ein keramischer Scherben in Form eines positiven Bauteil- Grünkörpers mit unterschiedlicher Wandstärke bildet. Dieser Rohling wird anschließend in einem Sinterprozeß in Vakuum- oder Schutzgasöfen bei Temperaturen von bis zu 2200°C gesintert.
Als nachteilig und anwendungsbegrenzend erweist sich hierbei der aufwendige Formenbau zur Herstellung der Grünkörper sowie die auf bestimmte und kleine Geometrien begrenzten Baugrößen, nicht zuletzt jedoch auch die diesem Herstellungsverfahren eigenen hohen Ausschußraten. Da diese Siliziumkarbid- Formkörper bei der Trocknung und Sinterung einer Schwindung unterliegen, kann die erforderliche Maßhaltigkeit zudem nur durch eine kostspielige Nachbearbeitung mit Diamantwerkzeugen gewährleistet werden. Darüber hinaus muß der Sinterkörper aufgrund seines heterogenen Gefüges anschließend zusätzlich über eine chemische Gasphasenabscheidung (CVD) mit Siliziumkarbid beschichtet werden, um Rauhtiefen von weniger als 40 Angström erreichen zu können.
Zur Vermeidung der vorgenannten Probleme schlägt die EP 0 558 991 B1 ein Verfahren zur Herstellung von Reflektoren, Spiegeln oder Körpern zur Reflexion elektromagnetischer Wellen vor, wobei auf mindestens einer Oberfläche eines Träger-Formkörpers eine Außenschicht aufgebracht wird, deren Oberfläche die elektromagnetischen Wellen in eine definierte Richtung reflektieren. Ihre Außenschicht besteht hierbei aus metallischem Silizium, das entweder in Form von Siliziumpulver, Siliziumwafern oder Silizium-Formkörpern auf den Trägerkörper aufgebracht und mit diesem verbunden wird. Diese Verbindung erfolgt ebenfalls über Silizium, wobei das Silizium in geschmolzenem Zustand durch Kapillarkräfte von dem der Außenschicht gegenüberliegenden Seite des Träger- Formkörpers in diesen eindringt und bis zur Außenschicht hochsteigt.
Ein mit diesem Verfahren hergestellter Formkörper weist zwar ein relativ geringes spezifisches Gewicht auf und ist hinsichtlich seiner Größe nicht den zuvor genannten, insbesondere Gewichts-Limitierungen unterworfen, da er aus mehreren Teilelementen zusammensetzbar ist, auf die anschließend das metallische Silizium, gegebenenfalls in mehreren Schichten aufgebracht wird, er weist jedoch, insbesondere im Hinblick auf seine Herstellung, zahlreiche Nachteile auf. So ist insbesondere die Ausbildung einer größeren Trägerstruktur aus mehreren Teilelementen problematisch, da die einzelnen Teilelemente aus porösen CFC- oder CMC-Verbundwerkstoffen bestehen, die eine relativ geringe mechanische Belastbarkeit aufweisen und somit bei der Verwendung zur Herstellung einer größeren Trägerstruktur besondere Maßnahmen, beispielsweise im Hinblick auf eine ausgeprägte Unterstützung oder ausgefeilte Haltesysteme bedingen.
Somit ist das Handling einer derartigen aus mehreren Teilelementen zusammengesetzten Trägerstruktur schwierig, wobei Risse, Brüche und andere Verletzungen der Oberfläche nahezu unumgänglich sind. Ein weiterer Nachteil resultiert aus der aufwendigen flächendeckenden Aufbringung von Wafern, die insbesondere bei größeren Trägerstrukturen mangels Verfügbarkeit nicht in einem Stück aufbringbar sind, sondern mehrerer Arbeitsschritte bedarf.
Darüber hinaus ist es gemäß dem Verfahren nach der EP 0 558 991 B1 äußerst schwierig, bzw. unmöglich, eine homogene Verteilung des Siliziums in dem Träger-Formkörper zu gewährleisten, da das Silizium auf den beiden in Frage stehenden Seiten des Träger-Formkörpers in völlig unterschiedlicher Weise aufgebracht wird. So führt die einseitige Behandlung des Träger-Formkörpers mit Siliziumpulver, Siliziumwafern oder Siliziumformkörpern auf der reflektierenden Seite des Träger-Formkörpers einerseits und die Infiltration des geschmolzenen Siliziums durch Kapillarkräfte auf der gegenüberliegenden Seite des Träger- Formkörpers andererseits zwangsläufig zu Inhomogenitäten hinsichtlich des Siliziumgehaltes in dem Träger-Formkörper, was insbesondere bei Temperaturwechselbeanspruchungen zu Verformungen führt.
Darüber hinaus ist eine homogene Verbindung der reflektierenden Außenschicht mit dem Träger-Formkörper praktisch nicht erreichbar, so daß auch hier Verwerfungen der Spiegelfläche zu befürchten sind.
Hinsichtlich der Anforderung, die an einen Ultra- Leichtgewichts-Träger für Montage- oder Ablageeinrichtungen gestellt werden, sind insbesondere ein geringes Eigengewicht, eine hohe Stabilität bei Belastungen sowie Temperatur(wechsel)- sowie Formbeständigkeit von Interesse. Zudem erweist es sich als besonders vorteilhaft, wenn bestimmte Montage- oder Ablageeinrichtungen, wie beispielsweise Haken- oder Gewinde oder dergleichen Spezialanbausysteme direkt in den Ultra-Leichtgewichts-Träger integriert sind.
Solche funktionsorientierten Montage- oder Ablageeinrichtungen sind vielfach in Gebrauch, wobei diese in aller Regel aus Metall gefertigt sind. Derartige Metallträger weisen jedoch nicht nur ein in aller Regel hohes Gewicht, sondern auch alle bereits oben mit Blick auf eine Anwendung als Spiegeleinrichtung genannten Probleme auf. So muß bei derartigen Metallträgern in aller Regel zwischen einer leichten Transportierbarkeit einerseits und einer hohen Stabilität andererseits abgewogen werden. Eine, insbesondere Formstabilität, ist oft nur mit entsprechend dicken Materialstärken und einem damit einhergehenden hohen Gewicht erzielbar.
Abhilfe schafft an dieser Stelle die in der EP 0 987 096 beschriebene hochsteife Leichtgewichtsstruktur, die insbesondere für Meß-, Spann- und Bearbeitungszwecke geeignet ist. Diese Leichtgewichtsstruktur ist aus mehreren Segmenten zusammengesetzt, die über Silizium durch einen Schmelzvorgang oder durch Infiltrieren mit Silizium miteinander verbunden sind. Im wesentlichen besteht diese Struktur aus kohlenstoffaserverstärktem Siliziumkarbid.
Wie auch schon in der zuvor genannten EP 0 558 991 B1 erweist sich auch hier als nachteilig, daß die Segmente, aus welchen die Leichtgewichtsstruktur gebildet wird, aus einem im Hinblick auf mechanische Belastbarkeit relativ empfindlichen Material bestehen und deshalb bei der Verbindung der Segmente besondere Vorsichtsmaßnahmen ergriffen werden müssen, um ein Brechen des Materials zu vermeiden.
Darüber hinaus besteht bei einem Vorgehen gemäß der EP 0 987 096 während einer Infiltration mit Silizium in die Leichtgewichtsstruktur die Gefahr von Deformationen und Verwindungen der Leichtgewichtsstruktur, die umso gravierender ausfallen, je dünnwandiger die Leichtgewichtsstruktur ist. Somit muß bei einem Verfahren gemäß der EP 0 987 096 auf relativ dicke Materialstärken zurückgegriffen werden, was Gewichtsnachteile mit sich bringt.
Zusammenfassend läßt sich somit sagen, daß alle bisher bekannten Verfahren zur Herstellung einer Leichtgewichtsstruktur für Spiegel-, Montage- oder Ablageeinrichtungen, insbesondere in einer Ausbildung als Ultra-Leichtgewichts-Träger aufwendig in der Herstellung und somit teuer sind.
Somit liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Ultra- Leichtgewichts-Träger zur Spiegel-, Montage- oder Ablageeinrichtungen der unter Vermeidung der vorgenannten Nachteile in einfacher und kostengünstiger Weise herstellbar ist, sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung aufzuzeigen.
Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung nach Patentanspruch 1, einem Verfahren nach Patentanspruch 23 sowie durch ein Segment nach Patentanspruch 41 gelöst.
Insbesondere wird die Aufgabe durch einen Ultra- Leichtgewichts-Träger für Spiegel-, Montage- oder Ablageeinrichtungen mit einem aus mindestens zwei Segmenten gebildeten Trägerkörper gelöst, der mindestens eine Funktionsfläche, insbesondere Spiegelfläche, Ablagefläche, sowie Fügebereiche für eine Zusammenfügung der Segmente aufweist, wobei der Trägerkörper im wesentlichen aus Kohlenstoff, Silizium und Siliziumkarbid besteht, das Silizium oberhalb seiner Schmelztemperatur zumindest teilweise in einen Rohkörper infiltriert ist, der anfänglich im wesentlichen aus Kohlenstoff besteht und eine Faserverstärkung aufweist, das Silizium mit mindestens Teilen des Kohlenstoffs zu dem Siliziumkarbid umgesetzt ist, und wobei die den Trägerkörper bildenden Segmente beim Infiltrieren miteinander zu einem monolytischen Trägerkörper verbunden sind, wobei der Trägerkörper aus Segmenten zusammengesetzt ist, die in einem Vor-Silizierungsschritt unter Ausbildung von Rohsegmenten vor ihrer Verbindung zumindest teilweise siliziert sind.
Darüber hinaus wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines ultra-leichtgewichtigen Trägers für Spiegel-, Montage oder Ablageeinrichtungen mit mindestens einem aus mindestens zwei Segmenten gebildeten Trägerkörper gelöst, der mindestens eine Funktionsfläche, insbesondere Spiegelfläche, Montagefläche, Ablagefläche sowie Fügebereiche zum Zusammenfügen der Segmente aufweist, wobei der Trägerkörper im wesentlichen aus Kohlenstoff, Silizium und Siliziumkarbid besteht, das Silizium oberhalb seiner Schmelztemperatur zumindest teilweise in einen Rohkörper infiltriert wird, der anfänglich im wesentlichen aus Kohlenstoff besteht und eine Faserverstärkung aufweist, der Trägerkörper mit mindestens Teilen des Kohlenstoffs zu dem Siliziumkarbid umgesetzt wird, und wobei die den Trägerkörper bildenden Segmente aus einer Kohlenstoffmatrix beim Infiltrieren miteinander zu einem monolytischen Trägerkörper verbunden werden, wobei der Trägerkörper aus Segmenten zusammengesetzt wird, die in einem Vor-Silizierungsschritt unter Ausbildung von Rohsegmenten vor ihrer Verbindung zumindest teilweise siliziert werden.
Weiterhin wird die Aufgabe durch ein Segment auf Kohlenstoffbasis zur Herstellung eines ultra- leichtgewichtigen Trägers gelöst, wobei das Segment vor einer Fügung an ein weiteres Segment zumindest teilweise vor­ siliziert ist.
Der wesentliche Kern der Erfindung liegt darin, daß Segmente, aus denen der Trägerkörper zusammengesetzt ist, nicht, wie im Stand der Technik direkt zu dem Trägerkörper zusammengesetzt sind, sondern in einem Vor-Silizierungsschritt siliziert und zu Rohsegmenten ausgebildet sind.
Durch diesen Vor-Silizierungsschritt ist gewährleistet, daß die mechanische Belastbarkeit der Segmente, die anfänglich im wesentlichen aus Kohlenstoff bestehen und porös und brüchig sind, maßgeblich erhöht wird, so daß die in diesem Vor-Sili­ zierungsschritt gebildeten Rohsegmente hinsichtlich ihrer Handhabbarkeit und ihrer mechanischen Stabilität und Belast­ barkeit wesentlich gegenüber den Segmenten verbessert sind.
Somit kann aufgrund dieses Vor-Silizierungsschrittes auf vie­ le der bisher notwendigen Stütz- und sonstigen Sicherungsmaß­ nahmen bei der Handhabung der Rohsegmente verzichtet werden. Darüber hinaus bietet die Vor-Silizierung der den Trägerkör­ per bildenden Segmente auch den maßgeblichen Vorteil, daß die Rohsegmente hinsichtlich ihrer Steifigkeit und Stabilität da­ hingehend wesentlich verbessert sind, daß Deformationen und Verwindungen während des folgenden thermischen Infiltrations­ prozesses nicht mehr zu befürchten sind.
Ein maßgeblicher Vorteil dieser Vor-Silizierung der den Trä­ gerkörper bildenden Segmente ist dementsprechend auch die Möglichkeit nunmehr sehr dünnwandige Teile handhaben zu kön­ nen, ohne Deformationen und Verwindungen und daraus resultie­ rende Störungen der Geometrie des Trägerkörpers befürchten zu müssen.
Im Ergebnis resultiert die Vor-Silizierung der den Trägerkör­ per bildenden Segmente auch in einer maßgeblichen Gewichtser­ sparnis des fertigen Ultra-Leichtgewichts-Trägers, die durch die nunmehr handhabbaren dünnwandigen Teile ermöglicht ist.
Selbstverständlich ist auch eine "Grünkörper-Grünkörperfügung" gemäß der DE 198 37 768 möglich, wobei insbesondere auch die Fügung von einem Segment an ein Rohsegment vorgesehen ist.
Diese mechanische Belastbarkeit der Rohsegmente ist unter anderem deshalb von zentraler Bedeutung, da die Segmente Formabschnitte aufweisen, mit Hilfe derer sie zu größeren Struktureinheiten zusammengefügt sind. Da diese Formabschnitte mit unterschiedlichen Verfahren, beispielsweise formschlüssig, kraftschlüssig oder stoffschlüssig zusammenfügbar sind, treten, je nach Fügeart, an diesen Formabschnitten relativ hohe Kräfte auf, durch welche die Segmente während bzw. nach der Zusammenfügung beschädigt werden können, sofern eine Silizierung in einem Vor-Silizierungsschritt nicht stattfindet.
In dem erfindungsgemäßen Vor-Silizierungsschritt ist gewährleistet, daß die Rohsegmente hinsichtlich ihrer Stabilität und mechanischen Belastbarkeit im Vergleich zu den entsprechenden Eigenschaften der Segmente wesentlich verbessert ist. Hinsichtlich der Silizierungstechnik wird hierbei explizit auf das in der deutschen Patentanmeldung Nr. 198 50 468.3-45 offenbarte Verfahren zur Herstellung silizierter Formkörper verwiesen und Bezug genommen.
Bei der Ausbildung größerer, aus Segmenten zusammengesetzter Trägerkörper sind unterschiedliche Fügungen möglich, die je nach Anwendungsgebiet und der späteren gewünschten Endform des Trägerkörpers variieren können.
So sind beispielsweise formschlüssige Fügungen für relativ einfache Geometrien, wie beispielsweise flächige Trägerkörper mit Hilfe von beispielsweise Schwalbenschwanz-Verbindungen, aber auch mit Stift- oder Laschenverbindungen möglich.
Eine kraftschlüssige Zusammenfügung der Rohsegmente, beispielsweise mit Hilfe von Schrauben oder Paßstiften ist beispielsweise dann vorteilhaft, wenn die Rohsegmente nicht flächig zueinander, sondern in einem Winkel miteinander zusammengefügt und gegebenenfalls nachjustiert sind.
Ein besonders vorteilhaftes Fügeverfahren ist die stoffschlüssige Zusammenfügung der Rohsegmente, beispielsweise mit Hilfe von Phenolharz-Klebern, die mit Ruß und/oder Graphitpulver und/oder Siliziumkarbid-Pulver angereichert sein können. Der wesentliche Vorteil eines derartigen Klebeverfahrens ist die schnelle Ausführbarkeit sowie die Flexibilität hinsichtlich der Formgebung, ohne daß eine spezielle, vorgegebene Struktur des Rohsegmentes vorhanden sein muß. Es genügt hierbei völlig, daß die Rohsegmente annähernd die zur Fügung benötigte Struktur aufweisen, wobei eventuelle Lücken oder Löcher zwischen den Rohsegmenten mit dem jeweils verwendeten Phenolharz-Kleber und/oder mit Ruß und/oder mit Graphitpulver oder mit Siliziumkarbidpulver aufgefüllt werden können. Eine Auffüllung der Lücken mit beispielsweise PU-Schaum kommt hierbei ebenfalls in Betracht.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung sind die Rohsegmente dadurch zusammengefügt, daß zumindest die Formabschnitte der Segmente nach dem Zusammensetzen der Segmente gemeinsam mit silizium- und/oder kohlenstoff- und/oder siliziumkarbidhaltigen Substanzen infiltriert sind. Das Zusammensetzen der Segmente kann hierbei dadurch erfolgen, daß die Segmente beispielsweise in einer Fügeposition zueinander fixiert sind. Als vorteilhaft erweist sich hierbei, daß die Rohsegmente durch die gemeinsame Infiltration der Formabschnitte der Rohsegmente bereits fest zu einer Einheit verbunden sind, wodurch ein Verrutschen der Rohsegmente zueinander ausgeschlossen ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Rohsegmente durch Diffusion von zumindest einer verbindungsbildenden Komponente von zumindest einem Segment in zumindest ein weiteres zu fügendes Segment zu dem Trägerkörper zusammengefügt.
Bei diesem Fügeverfahren ist es zum einen möglich, ohne zusätzliche Materialien wie beispielsweise Klebstoff oder sonstige Verbindungselemente auszukommen, und darüber hinaus auch auf bestimmte Geometrien, wie beispielsweise Laschen oder dergleichen Formen verzichten zu können, da es bei dieser Fügetechnik, wie auch bei der oben genannten Fügetechnik einer gemeinsamen Infiltration der Rohsegmente möglich ist, die Segmente lediglich in einer Position zueinander zu fixieren. Die Diffusion kann beispielsweise durch Erwärmen auf eine vorgegebene Temperatur bewirkt werden, wobei eine Steuerung der Diffusionsrate beispielsweise mit Hilfe eines Temperaturgradienten oder eines Temperaturprogramms durchgeführt werden kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Rohsegmente durch eine oder mehrere chemische Reaktionen im Bereich einer Verbindungsstelle der Formabschnitte zu dem Trägerkörper zusammengefügt, wobei die chemische Reaktion insbesondere die thermische Umsetzung von Kohlenstoff mit Silizium zu Siliziumkarbid ist. Hieraus ergibt sich ebenfalls der Vorteil, daß keine weiteren zur Verbindung der Rohsegmente notwendigen Substanzen erforderlich sind, sowie daß keine spezielle Geometrie im Bereich der Formabschnitte zur Zusammenfügung der Rohsegmente zu dem Trägerkörper notwendig ist. Des weiteren ist der Trägerkörper auf diese Weise auf einfache und schnelle Weise in einer seiner endgültigen Form weitgehend angenäherten Form ausgebildet.
An dieser Stelle sollte erwähnt sein, daß alle genannten Fügeverfahren sowohl in sich ergänzender Weise als auch jeweils separat anwendbar sind, wobei insbesondere bei komplizierten Geometrien des Trägerkörpers die Kombination verschiedener Fügeverfahren, wie beispielsweise ein stoffschlüssiges Fügen der Rohsegmente in Kombination mit einer oder mehreren chemischen Reaktionen im Bereich einer Verbindungsstelle der Formabschnitte vorteilhaft sein können, wobei in diesem Fall als weitere chemische Reaktion die Pyrolyse und/oder Karbonisierung des eingesetzten Klebstoffes, insbesondere Phenolharz-Klebstoff, zum Tragen kommt und maßgeblich an der Zusammenfügung beteiligt ist, da auf diese Weise beispielsweise der Kohlenstoff, der für die Ausbildung von Siliziumkarbid notwendig ist, von seiten des Klebstoffes zur Verfügung gestellt wird. Ebenso ist es denkbar, eine siliziumhaltige Fügemasse, wie beispielsweise ein oder mehrere Silikon(e) einzusetzen, um eine zusätzliche Infiltration mit Silizium zu gewährleisten. Eine solche Fügemasse kann je nach Bedarf mit Fasern, insbesondere kurzen Fasern mit einer Länge im Bereich bis zu 5 mm, vorzugsweise bis zu 1 mm, angereichert sein, wobei sich der Gewichtsanteil und/oder die Art der enthaltenen Fasern nach der jeweiligen Anwendung richtet. So sind zum Überdecken eines sich unter Umständen ergebenden Fügespalts beispielsweise Fasern in Form einer Matte einsetzbar.
Gemäß einer weiteren und besonders vorteilhaften Ausführungsform bestehen die zur Verbindung der Rohsegmente verwendeten Materialien, gegebenenfalls nach einer Pyrolyse und/oder Karbonisierung aus im wesentlichen dem jeweils gleichen Werkstoff wie die Segmente selbst. Hierdurch ist es gewährleistet, daß der Ultra-Leichtgewichts-Träger eine im wesentlichen homogene Zusammensetzung aufweist, wodurch Verformungen durch beispielsweise Bimetall-Effekte, die bei einer Erwärmung auftreten können, vermieden werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Trägerkörper aus Rohsegmenten zusammengesetzt, die beim Vor- Silizierungsschritt und/oder nach dem Vor-Silizierungsschritt und/oder nach ihrer Zusammenfügung in zumindest einem Zwischen-Silizierungsschritt mit einer unter-stöchiometrischen Menge an Silizium siliziert sind. Die hierbei eingesetzte Menge an Silizium beträgt wenigstens 20% der stöchiometrisch benötigten Menge, wobei diese jedoch auf eine Menge von 70% bis 99% und besonders bevorzugt auf eine Menge von 85% bis 99, 99% der stöchiometrisch benötigten Menge gesteigert werden kann.
Diese Vor- bzw. Zwischen-Silizierung erfolgt entweder jeweils in einem Schritt, wobei zur besseren Steuerbarkeit der Infiltrationstiefe und -menge auch mehrere Teilschritte möglich sind.
Diese Ausführungsform der Erfindung ist insbesondere deshalb besonders vorteilhaft, da auf diese Weise die Silizierung und die Infiltration des Siliziums in den Trägerkörper genau dosiert und gesteuert werden kann, so daß eine bestimmte vorgegebene Menge an Silizium gezielt in bestimmte vorgegebene Bereiche des Trägerkörpers infiltriert werden kann und somit eine gezielt homogene oder auch gewollt inhomogene Verteilung des Siliziums in dem Trägerkörper möglich ist. An dieser Stelle wird nochmalig auf die Offenbarung der deutschen Patentanmeldung Nr. 198 50 468.3-45 verwiesen, worin für diese Erfindung geeignete Verfahren zur Herstellung silizierter Formkörper beschrieben sind.
Gemäß dieser Ausführungsform sind die Rohsegmente ein- oder mehrmalig solange siliziert, bis sie die gewünschten, insbesondere Festigkeits-Eigenschaften aufweisen, die für eine einfache und risikolose Handhabbarkeit auch von großen Strukturen, insbesondere auch im Hinblick auf eine weitere Silizierung und nach ihrer Zusammenfügung zu dem Trägerkörper notwendig sind. Um eine zusätzliche Stabilisierung des Trägerkörpers nach der Zusammenfügung der Rohsegmente zu dem Trägerkörper zu erreichen, ist es zudem vorteilhaft, den Trägerkörper in einem Zwischen-Silizierungsschritt, ebenfalls mit einer, vorzugsweise unterstöchiometrischen Menge an Silizium zu silizieren. Die Homogenität des resultierenden silizierten Trägerkörpers ist auf diese Weise zusätzlich verbessert.
Eine weitere, besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht des weiteren darin, daß der Trägerkörper aus Rohsegmenten zusammengesetzt ist, die nach dem zumindest einen Vor-Silizierungsschritt und/oder nach zumindest einem Zwischen-Silizierungsschritt hinsichtlich ihrer Form und ihrer Oberflächenausbildung durch Schleifen, Fräsen und dergleichen Formgebungs- und Oberflächenbearbeitungstechniken an ihre Endform angenähert sind. Als besonders vorteilhaft erweist es sich hierbei, wenn die Rohsegmente im Bereich ihrer Funktionsflächen, insbesondere im Bereich einer oder mehrerer Spiegelfläche(n) und/oder Montagefläche(n) und/oder Ablagefläche(n) an ihre Endform zumindest angenähert sind. Selbiges gilt entsprechend für die Fügeflächen der Rohsegmente, damit ein leichtes und reibungsloses Zusammenfügen der Rohsegmente möglich ist und ein Haken, beispielsweise aufgrund von Unebenheiten, vermieden wird.
Diese Annäherung an eine gewollte Endform gilt sowohl für die Rohsegmente vor ihrer Zusammenfügung zu dem Trägerkörper, als auch für den Trägerkörper selbst, wobei diese Bearbeitung unmittelbar nach der Zusammenfügung der Rohsegmente zu dem Trägerkörper oder erst nach einem Zwischen- Silizierungsschritt, bei welchem der Trägerkörper zusätzlich mit Silizium infiltriert, respektive siliziert ist, erfolgt. Diese Bearbeitung kann in einem oder in mehreren Arbeitsgängen erfolgen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Trägerkörper insbesondere im Bereich seiner Funktionsfläche(n) und/oder über die Fügebereiche hinweg einer wasser- und/oder lösungsmittelhaltigen Schlickerlösung, insbesondere Suspension, beschichtet. Diese Schlickerlösung, insbesondere Suspension, weist im wesentlichen Siliziumkarbid- und/oder Siliziumpulver und/oder Kohlenstoff, insbesondere in Form von Ruß und/oder Graphit auf, wobei diese Bestandteile vorzugsweise in verschiedenen Korngrößen vorliegen.
Der hierin begründete Vorteil liegt in einer hohen Packungsdichte im Schlicker, die z. B. durch eine bimodale Kornverteilung gewährleistet ist, wodurch, wie nachstehend ausgeführt wird, eine gute Polierbarkeit der mit der Schlickerlösung, insbesondere Suspension beschichteten Funktionsfläche(n) gewährleistet ist.
Gemäß dieser Ausführungsform der Erfindung ist der Trägerkörper im Anschluß an die Beschichtung seiner insbesondere Funktionsfläche(n) und/oder Fügebereiche mit der Schlickerlösung, insbesondere Suspension im wesentlichen vollständig bis zu seiner theoretischen Dichte so end­ siliziert, daß der Trägerkörper im Anschluß daran innig mit der Beschichtung verbunden ist.
Vorzugsweise enthält die wasser- und/oder lösungsmittelhalti­ ge Schlickerlösung, insbesondere Suspension weiterhin Stell­ mittel, Verflüssiger, Binder oder Additive, die jeweils alleine oder in Kombination enthalten sein können. Mit Hilfe dieser Stoffe ist die Schlickerlösung, insbesondere Suspension ohne weiteres mit unterschiedlichen Viskositäten auf die individuellen Bedürfnisse des jeweils herzustellenden Trägerkörpers einstellbar, so daß die Beschichtung je nach Anforderung durch Streichen, Spritzen, Spachteln, Bedrucken, Tauchen oder dergleichen andere Auftragungstechniken erfolgen kann.
Solche Stellmittel, Verflüssiger, Binder oder Additive, kurz Zusatzmittel, sind allgemein Substanzen, die einerseits eine gute Benetzung der Pulverbestandteile der Schlickerlösung, insbesondere Suspension, als auch eine gute Fließ-, Spritz-, Streich-, Walz-, Druck- oder Tauchbarkeit des damit behandelten Trägerkörpers gewährleisten.
An dieser Stelle sind an erster Stelle oberflächen­ spannungsverringernde Substanzen, wie beispielsweise Tenside oder Seifen zu nennen, die einerseits eine gute Verteilbarkeit und Sickerfähigkeit der Schlickerlösung, insbesondere Suspension gewährleisten als auch Substanzen, die - ähnlich wie bei Lackfarben - eine Selbstglättung der beschichteten Oberfläche bewirken.
Weiterhin können als Zusatzmittel Substanzen in der Schlickerlösung, insbesondere Suspensionen enthalten sein, die eine anschließende Trocknung der Beschichtung, beispielsweise durch eine Dampfdruckerhöhung beschleunigen, was für eine schnelle Weiterverarbeitung vorteilhaft ist, oder verzögern was bei einer insbesondere komplizierter Geometrie vorteilhaft sein kann.
So ist es beispielsweise vorteilhaft, zur Beschichtung eines kugelförmigen Trägerkörpers für einen Spiegel eine zähflüssige Schlickerlösung, insbesondere Suspension wie beispielsweise eine Paste zu verwenden, während für einen flächigen Trägerkörper eine beispielsweise sehr dünnflüssige Schlickerlösung, insbesondere Suspension geeignet ist.
Darüber hinaus eignet sich eine zähflüssige bis feste Schlickerlösung, insbesondere Suspension in Form einer Paste als Mittel zum Befestigen etwaiger Funktionselemente an dem flächigen Trägerkörper, wobei auch ein direktes Modellieren mittels der Paste, gegebenenfalls mit einem pyrolysierbaren Gerüstkörper möglich ist. Die Paste kann hierzu mit den oben genannten Zusatzstoffen versehen sein, so daß eine jeweils funktionsoptimierte Anwendung gewährleistet ist.
An dieser Stelle sollte erwähnt sein, daß der Ultra- Leichtgewichtsträger der Erfindung nicht auf bestimmte Geometrien beschränkt ist, sondern jede benötigte geometrische Struktur aufweisen kann. Hierbei sind insbesondere Hohl-, Flächen- und Gerüststrukturen bevorzugt, die beispielsweise in Form von Waben oder Netzen oder dergleichen, insbesondere stabilitätsbildenden Strukturen ausgebildet sein können.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist zumindest eine Funktionsfläche des erfindungsgemäßen Ultra- Leichtgewichtsträgers mit einer vordefinierten Porosität ausgebildet.
Mit Blick auf einen Ultra-Leichtgewichtsträger für Spiegeleinrichtungen ist die zumindest eine Funktionsfläche hierbei im wesentlichen porenfrei ausgebildet, um optimale Reflektionseigenschaften zu gewährleisten, wobei die zumindest eine Funktionsfläche insbesondere bei einem Ultra- Leichtgewichtsträger für Montage- und/oder Ablageeinrichtungen mit einer Porosität ausgebildet ist, die einen gewissen Rauhigkeitsgrad gewährleistet, so daß beispielsweise Rutschfestigkeit auf dieser Funktionsfläche gewährleistet ist.
Selbstverständlich kann der Ultra-Leichtgewichtsträger mehrere Funktionsflächen mit unterschiedlichen Porositätsgraden aufweisen, die sich nach dem jeweiligen Anwendungsgebiet definieren.
Des weiteren ist ein Ultra-Leichtgewichtsträger vorgesehen, dessen zumindest eine Funktionsfläche im wesentlichen aus Siliziumkarbid besteht. Diese Ausführungsvariante erweist sich überall dort als äußerst vorteilhaft, wo höchste Ansprüche an die Widerstandsfähigkeit der Funktionsfläche gestellt werden.
Die Widerstandsfähigkeit der Funktionsfläche wird hierbei durch die besonderen chemischen und physikalischen Eigenschaften von Siliziumkarbid bedingt, die sich in einer extrem hohen Härte von 9,5 auf der Mohsschen Skala, einer hohen Festigkeit sowie einer mechanischen und chemischen Stabilität ausprägen. So besitzt Siliziumkarbid die größte thermische Stabilität unter den binären Verbindungen des Siliziums und ein Zerfall unter Abspaltung von Silizium findet unterhalb von ca. 2700°C praktisch nicht statt.
Darüber hinaus widersteht Siliziumkarbid dem Angriff der meisten wässrigen Säuren einschließlich Flußsäure und wird an der Luft wegen einer Schutzschicht aus Siliziumdioxid erst oberhalb von 1000°C oxidiert.
Soweit dies erforderlich ist, kann auch der gesamte Ultra- Leichtgewichtsträger im wesentlichen aus Siliziumkarbid bestehen, wobei auch bei dieser Ausführungsvariante unterschiedliche Silizierungs- und/oder Porositätsgrade realisiert sein können.
Um eine möglichst problemlose Handhabung bereits der Segmente als auch der silizierten Rohsegmente sowie des ausgebildeten Trägerkörpers zu gewährleisten ist es vorgesehen, daß, insbesondere der Trägerkörper eine Faserverstärkung aus Kohlenstoff, insbesondere Graphit aufweist.
Die Art der Faserverstärkung richtet sich hierbei insbesondere nach der speziellen gewünschten Geometrie des Ultra-Leichtgewichtsträgers, wobei Fasern, insbesondere in der Länge im Bereich von 1 mm bis 100 mm, aber auch Langfasern, Endlosfasern, Fasern in Form von Faserfilzen, Faserfliesen und Fasergeweben oder -waben Anwendung finden. Selbstverständlich können die genannten Faserarten beliebig miteinander kombiniert werden, wobei auch die Verwendung nur einer Faserart vorteilhaft sein kann.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung infiltriert das Silizium und/oder eine Siliziumlegierung die Segmente und/oder Rohsegmente und/oder den Trägerkörper bei einer Temperatur im Bereich von 800°C bis 2200°C, vorzugsweise oberhalb von 1000°C und insbesondere im Bereich von 1300°C bis 2100°C. Diese Infiltration findet vorzugsweise über eine Flüssigkeits- und/oder Gasphase statt.
Bezüglich des Infiltrationsverfahrens sei an dieser Stelle nochmals auf die deutsche Patentanmeldung Nr. 198 50 468.3-45 verwiesen. So kann die Infiltration entweder in indirektem Kontakt mit fluidem Silizium, beispielsweise mittels einer Dochtverbindung oder durch direkten Kontakt mit dem fluiden Silizium erfolgen. Die Zuführung ist hierbei entweder von unten nach oben oder von oben nach unten möglich, wobei bei dieser zweiten Variante eine Belegung des zu infiltrierenden Körpers mit Silizium oder Siliziumgranulat oder einer Kombination daraus erfolgt. Ebenso ist es möglich, das Silizium nicht in reiner Form, sondern in umhüllter Form einzusetzen. Die Tiefe der Infiltration kann hierbei entweder über die Temperatur oder über die Dauer des Infiltrationsprozesses gesteuert sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die vorgenannte Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines ultra-leichtgewichtigen Trägers für Spiegel-, Montage- oder Ablageeinrichtungen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 23 gelöst, wobei der wesentliche Kerngedanke der Erfindung hierbei darin besteht, daß der Trägerkörper aus Segmenten zusammengesetzt wird, die in einem Vor- Silizierungsschritt unter Ausbildung von Rohsegmenten vor Ihrer Verbindung zu dem Trägerkörper zumindest teilweise siliziert werden.
Diese Maßnahme ist besonders vorteilhaft, da auf diese Weise die insbesondere gegen Bruch- oder Rißbildung sowie während eines thermischen Infiltrationsprozesses mit Silizium gegen Deformation und Verwindung empfindlichen und mechanisch wenig belastbaren Segmente aus Kohlenstoff definiert verfestigt und hinsichtlich ihrer mechanischen Eigenschaften für die Herstellung eines ultra-leichtgewichtigen Trägers verbessert werden können, indem in zumindest einem Vor- Silizierungsschritt definiert Silizium in die Segmente infiltriert wird, und diese somit zu Rohsegmenten ausgebildet werden. Es ist hierbei selbstverständlich möglich innerhalb der Segmente, je nach Anforderung, einen Konzentrationsgradienten, respektive eine inhomogene Verteilung an Silizium zu erzeugen, so daß die Rohsegement durch die Vor-Silizierung in Bereichen einer höheren mechanischen und/oder thermischen Belastungsanforderung durch einen höheren Siliziumgehalt eine höhere Festigkeit erhalten, während in Bereichen mit einer geringeren mechanischen Belastungsanforderung wenig oder kein Silizium in das Segment infiltriert ist.
Ebenso ist es denkbar, beispielsweise einen flächigen Körper, insbesondere Segment, mit einer vordefinierten flächigen Struktur an beispielsweise Siliziumgranulat zu belegen und dieses anschließend in einer Wärmebehandlung in den Körper, insbesondere das Segment infiltrieren zu lassen. Auf diese Weise ist es möglich anfänglich poröse und wenig belastbare Segmente beispielsweise mit einer Gitter- oder Netzstruktur zu versehen und auf diese Weise Rohsegmente mit einer gegenüber dem ursprünglichen Segmenten deutlich höheren mechanischen Belastbarkeit zu erzeugen. So können auf diese Weise beispielsweise Kanten gegen ein Ausbrechen oder Zerbröseln gesichert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens der vorliegenden Erfindung werden die Rohsegmente beim Vor- Silizierungsschritt und/oder nach dem Vor-Silizierungsschritt und/oder nach einer Zusammenfügung zu einem Trägerkörper in zumindest einem Zwischen-Silizierungsschritt mit einer unterstöchiometrischen Menge an Silizium siliziert. Die hierbei eingesetzte Menge an Silizium beträgt wenigstens 20%, vorzugsweise 70% bis 99% und besonders bevorzugt 85% bis 99, 99% der stöchiometrisch benötigten Menge.
Selbstverständlich ist es möglich, einen Silizierungsschritt in mehrere Teil-Silizierungsschritte zu untergliedern, um beispielsweise einen hinsichtlich der räumlichen Struktur des Trägerkörpers unterschiedlichen Silizierungsgrad zu erhalten.
An dieser Stelle sollte erwähnt sein, dass, sofern der Silizierungsgrad im Verlauf der Herstellung des ultra- leichtgewichtigen Trägers das gewünschte Ausmaß erreicht hat, auch lediglich eine thermische Behandlung des ultra- leichtgewichtigen Trägers ohne Siliziumzugabe erfolgen kann.
Darüber hinaus ist es möglich die Rohsegmente und/oder den Trägerkörper nach dem zumindest einen Vor-Silizierungsschritt und/oder nach zumindest einem Zwischen-Silizierungsschritt und/oder einem Teil-Silizierungsschritt hinsichtlich ihrer Form und ihrer Oberflächenausbildung durch Schleifen, Fräsen und dergleichen Formgebungs- und Oberflächenbearbeitungstechniken insbesondere im Bereich von Funktionsflächen zu bearbeiten und an ihre Endform zumindest anzunähern. Diese Bearbeitung findet vorzugsweise im Bereich von Spiegelfläche(n) und/oder Montagefläche(n) und/oder Ablagefläche(n), aber auch an Fügeflächen statt.
Da durch eine zunehmende Silizierung die mechanische Belastbarkeit der Rohsegmente, beziehungsweise des aus Rohsegmenten zusammengesetzten Trägerkörpers erhöht wird, sinkt in umgekehrter Weise die Möglichkeit Rohsegmente respektive den Trägerkörper einfach zu bearbeiten.
Insofern findet eine weitgehende Annäherung der Rohsegmente beziehungsweise des Trägerkörpers an ihre Endform vorzugsweise in einem relativ niedrig silizierten Zustand statt, so daß beim vollständig silizierten Trägerkörper nur noch geringfügige Änderungen beziehungsweise Anpassungen an die gewollte Endform notwendig sind oder völlig außer acht bleiben können.
Selbstverständlich ist auch eine vollständige Bearbeitung eines vollsilizierten Rohsegements und/oder aus Rohsegmenten zusammengesetzten Trägerkörpers mit beispielsweise Diamantwerkzeugen möglich.
Erfindungsgemäß werden die Rohsegmente unter Ausbildung eines Rohkörpers form- und/oder kraft- und/oder stoffschlüssig zusammengefügt, wobei Fügetechniken, wie beispielsweise Kleben, Schrauben, Verbinden mittels Paßstiften oder Stift-, Laschen- oder Schwalbenschwanzverbindungen oder dergleichen Fügetechniken möglich sind.
Ebenso ist eine Zusammenfügung der Rohsegmente unter Ausbildung des Rohkörpers durch ein gemeinsames Infiltrieren mit silizium- und/oder kohlenstoff- und/oder siliziumkarbidhaltigen Substanzen möglich und vorgesehen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens können die Rohsegmente durch Erwärmen gemäß einem vorbestimmten Temperaturverlauf unter Ausbildung des Rohkörpers zusammengefügt werden, indem eine Diffusion von verbindungsbildenden Komponenten von zumindest einem Rohsegment in zumindest ein weiteres zu fügendes Rohsegment ermöglicht wird.
Gemäß einer anderen Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden die Rohsegmente durch wenigstens eine chemische Umsetzung im Bereich einer Verbindungsstelle oder Ausbildung des Rohkörpers zusammengefügt. Eine derartige Umsetzung kann beispielsweise in einer Karbidisierung des Siliziums bestehen, wobei der in den Rohsegementen enthaltene Kohlenstoff, welcher in Form von Ruß und/oder Graphit und/oder in Faserform vorliegt, mit bereits in den Rohsegmenten enthaltenem Silizium und/oder im Verlauf einer Umsetzung hinzuzufügendem Silizium zu Siliziumkarbid umgesetzt wird.
Eine derartige Umsetzung kann weiterhin beispielsweise in einer Pyrolyse und/oder Karbonisierung von kohlenstoff- und/oder siliziumhaltigen Substanzen bestehen.
Eine Fügung mittels eines Klebstoffs kann beispielsweise mit einem Phenolharzkleber erreicht werden, der mit Ruß und/oder Graphit und/oder Siliziumkarbid angereichert ist. Selbstverständlich sind an diese Stelle auch andere kohlenstoff- oder siliziumhaltige Klebstoffe (wie beispielsweise Fügemassen auf Silikonbasis sowie andere gängige Klebstoffe, beispielsweise auf Polyurethan- oder Acrylbasis denkbar), wobei das jeweilige Fügemittel, insbesondere Klebstoff oder sonstige Fügemasse mit Fasern angereichert sein kann.
Die Fasern können in Form von kohlenstoff- oder kohlenstoffhaltigen Kurzfasern, Langfasern, Endlosfasern, Faserfilzen, Faserfliesen, Fasergeweben oder Fasergewirken vorliegen, wobei zur Anwendung in dem Füge-Klebstoff insbesondere Kurzfasern mit einer Länge im Bereich bis zu 5 mm, vorzugsweise im Bereich bis zu 1 mm bevorzugt sind.
Gemäß einer weiteren Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden Rohsegemente mit Hilfe eines aushärtbaren Schaumes auf Kohlenstoffbasis, beispielsweise PU-Schaum aneinandergefügt, wobei Freiräume zwischen den Rohsegmenten mit dem Schaum ausgefüllt werden. Überstände an Schaum werden entfernt, insbesondere abgeschnitten. Vorzugsweise wird für diese Fügetechnik ein hochdicht aushärtender Schaum eingesetzt, der nach erfolgter Fügung und Aushärtung pyrolysiert und/oder karbonisiert und/oder graphitiert wird.
Die Art der jeweils anzuwendenden Fügetechnik richtet sich in erster Linie nach der zu erzeugenden Geometrie des ultra- leichtgewichtigen Trägers, wobei unterschiedliche Fügetechniken jeweils allein oder in Kombination mit anderen Fügetechniken angewandt werden können, um eine möglichst einfache und formorientierte Fügung zu gewährleisten. So ist eine Fügung mittels Schrauben oder Paßstiften oder dergleichen Verbindungselementen beispielsweise dann sinnvoll, wenn die zu fügenden Rohsegmente bis zu einer Zwischen-Silizierung relativ zueinander bewegbar gehalten werden sollen, um Nachjustierungen zu ermöglichen. Kraft­ beziehungsweise formschlüssige Fügetechniken wie beispielsweise eine Schwalbenschwanzverbindung sind beispielsweise bei flächigen Geometrien des herzustellenden ultra-leichtgewichtigen Trägers vorteilhaft.
Fügetechniken wie ein gemeinsames Infiltrieren der Rohsegmente, eine Diffusion von verbindungsbildenden Komponenten oder eine chemische Umsetzung im Bereich einer Verbindungsstelle von Rohsegmenten sind beispielsweise dann bevorzugt, wenn die Geometrie der Rohsegmente bereits weitgehend an ihre Endform angenähert ist und die Rohsegmente in der Geometrie des herzustellenden ultra-leichtgewichtigen Trägers leicht fixierbar sind, bis ein durch die Fügung monolytischer Rohkörper entstanden ist.
Gemäß einer weiteren Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zur Verbindung der Segmente Materialien verwendet, die, gegebenenfalls nach einer Pyrolyse und/oder Karbonisierung aus im wesentlichen dem jeweils gleichen Werkstoff bestehen wie die Rohsegmente selbst.
Diese Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens gewährleistet, daß hinsichtlich der Materialstruktur des Rohkörpers und späteren ultra-leichtgewichtigen Trägers keine Inhomogenitäten auftreten, die unter Einsatzbedingungen zu Verformungen, Brüchen, Rissen oder Zerstörung des ultra- leichtgewichtigen Trägers führen können. Derartige den ultra- leichtgewichtigen Träger hoch beanspruchenden Faktoren können beispielsweise große und/oder schnelle Temperaturwechsel, Schlag-, Druck- oder Zugbeanspruchungen aber auch Veränderungen in der Umgebungsfeuchte oder Umgebungsstrahlung sein.
Durch eine im wesentlichen homogene stoffliche Struktur des ultra-leichtgewichtigen Trägers ist somit gewährleistet, daß die Beanspruchungsgradienten aufgrund unterschiedlicher Materialien, die voneinander abweichende Eigenschaften aufweisen, unterbleiben.
Gemäß einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsvariante wird der aus dem Rohkörper hervorgegangene Trägerkörper, insbesondere im Bereich seiner Funktionsfläche(n) und/oder über die Fügebereiche hinweg mit einer wasser- und/oder lösungsmittelhaltigen Schlickerlösung, insbesondere Suspension aus Siliziumkarbid und/oder Siliziumpulver und/oder Kohlenstoff beschichtet, wobei der Kohlenstoff insbesondere in Form von Ruß und/oder Graphit vorliegt und die Komponenten der Schlickerlösung, insbesondere Suspension vorzugsweise in verschiedener Korngröße, insbesondere mit bimodaler Kornverteilung vorliegen, so daß eine hohe Packungsdichte im Schlicker gewährleistet ist.
Im Anschluß an die Beschichtung des Trägerkörpers wird dieser im wesentlichen vollständig bis zu seiner theoretischen Dichte so end-siliziert, daß der Trägerkörper in Anschluß daran innig mit der Beschichtung verbunden ist.
Des weiteren werden in der zur Beschichtung des Trägerkörpers verwendeten wasser- und/oder lösungsmittelhaltigen Schlickerlösung, insbesondere Suspension weiterhin Stoffe, wie Stellmittel, Verflüssiger, Binder oder Additive allein oder in Kombination zugesetzt.
Die Schlickerlösung, insbesondere Suspension wird erfindungsgemäß durch streichen, spritzen, spachteln, bedrucken, tauchen oder dergleichen Auftragungstechniken durchgeführt, wobei die jeweilige Auftragungstechnik insbesondere nach der Geometrie des ultra-leichtgewichtigen Trägers richtet. So ist es insbesondere bei flächigen Trägerkörpern vorteilhaft die Konsistenz der Schlickerlösung, insbesondere Suspension mit Hilfe der Stellmittel, Verflüssiger, Binder oder Additive relativ flüssig und fließfähig, insbesondere selbstverfließend und selbstglättend einzustellen, so daß die Ausbildung einer glatten und stoffeinheitlichen Oberfläche einfach möglich ist.
Im Hinblick auf andere Geometrien, wie beispielsweise Kugel- oder Gerüststrukturen ist es dagegen vorteilhaft die Schlickerlösung, insbesondere Suspension mit Hilfe der Stellmittel, Verflüssiger, Binder oder Additive so einzustellen, daß eine definierte Auftragung auf den Trägerkörper ohne ein ungewolltes Verlaufen oder Abtropfen von dem Trägerkörper möglich ist. Dies kann beispielsweise durch die Verwendung einer Schlicker-Paste erreicht werden.
Ebenso ist es mit Hilfe einer solchen Schlickerpaste möglich Funktionselemente an dem Trägerkörper zu realisieren, so dass die Notwendigkeit von Nacharbeiten an dem Trägerkörper zur nachträglichen Anbringung von Funktionselementen minimiert werden kann.
Durch die erfindungsgemäß geforderte hohe Packungsdichte in der Schlickerlösung, insbesondere Suspension aus Siliziumkaribid und/oder Siliziumpulver und/oder Kohlenstoff ist nach der im Anschluß an diese Beschichtung erfolgten vollständigen End-Silizierung eine gute Polierbarkeit des Trägerkörpers gewährleistet, so daß, insbesondere bei einer Anwendung als ultra-leichtgewichtiger Spiegelträger eine Erfüllung der hohen optischen Anforderungen ohne weiteres erreichbar ist.
Des weiteren wird erfindungsgemäß zumindest eine Funktionsfläche mit einer vordefinierten Porosität oder im wesentliche porenfrei ausgebildet.
Auf diese Weise ist es möglich extrem harte und glatte Flächen, beispielsweise für Spiegelanwendungen mit optimierten Spiegeleigenschaften, oder aber poröse und somit rauhe Funktionsflächen zu erhalten. Eine derartige rauhe Funktionsfläche weisen beispielsweise eine vorbestimmte Griffigkeit und/oder Rutschfestigkeit auf, die bei einer Verwendung des ultra-leichtgewichtigen Trägers für Montage- oder Ablageeinrichtungen vorteilhaft sein können.
Darüber hinaus kann ein ultra-leichtgewichtiger Träger auch mehrere unterschiedlich ausgebildete Funktionsflächen aufweisen, die sich hinsichtlich ihrer Porosität und somit auch Rauhigkeit unterscheiden. Dies ist beispielsweise dann sinnvoll, wenn der ultra-leichtgewichtige Träger mit einer Seite rutschfest aufliegen soll, während andere Bereiche, respektive Funktionsflächen des ultra-leichtgewichtigen Trägers als Spiegel oder als funktionsorientierte Montage- oder Ablagefläche dienen.
Des weiteren ist zumindest eine Funktionsfläche des ultra- leichtgewichtigen Trägers so siliziert, daß sie im wesentlichen aus Siliziumkarbid besteht. Der diesbezügliche Vorteil liegt in der bereits diskutierten extrem hohen Widerstandsfähigkeit von Siliziumkarbid gegenüber mechanischen und chemischen Einflüssen. Es ist auch eine vollständige Umsetzung des gesamten Kohlenstoffs des Trägerkörpers mit Silizium zu Siliziumkarbid, so daß ein im wesentlichen aus Siliziumkarbid bestehender ultra- leichtgewichtiger Träger entsteht möglich.
Das Infiltrieren des Siliziums und/oder einer Siliziumlegierung findet erfindungsgemäß in einem Temperaturbereich von 800°C bis 2200°C, vorzugsweise oberhalb 1000°C und insbesondere im Bereich von 1300°C bis zu 2100°C über eine Flüssigkeits- und/oder Gasphase statt, wobei über eine dezidierte Temperaturwahl lediglich ein Infiltrieren des Siliziums oder eine kombiniertes Infiltrieren des Siliziums und Karbidisieren des Siliziums möglich ist.
Durch eine gezielte Temperaturführung und Silizium-Zufuhr bei der Silciuminfiltration können hierbei in Abhängigkeit von
  • - dem Kohlenstofffasertyp und der Faservorbehandlung/-be­ schichtung,
  • - der Kohlenstofffaserlänge,
  • - der Faserorientierung bzw. der -anordnung
  • - dem Fasergehalt (-volumen)
  • - der Faserstruktur
  • - der Techniken zur Herstellung der Faserstrukturen (Faser- Matrix-Architektur)
  • - dem Formgebungsverfahren
  • - der Wahl der Matrixarten (Harze, Peche, chemische Gasphseninfiltration),
  • - der Prozessführung zur Matrixabscheidung (Pyrolysebedingungen),
  • - der Anzahl der Nachverdichtungszyklen sowie
  • - der Glüh- und Graphitierungstemperatur
die physikalischen Eigenschaften der siliziumhaltigen Kohlenstoffkomponenten innerhalb bestimmter Grenzen gesteuert werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die vorgenannte Aufgabe durch ein Segment auf Kohlenstoffbasis zur Herstellung eines ultra- leichtgewichtigen Trägers gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 41 gelöst, wobei das Segment vor einer Fügung an ein weiteres Segment zumindest teilweise vor­ siliziert ist.
Ein derartiges vor-siliziertes Segment weist gegenüber einem nicht vor-silizierten Segment den wesentlichen Vorteil auf, daß es hinsichtlich seiner, insbesondere mechanischen Belastbarkeit, wie beispielsweise Widerstandsfähigkeit gegenüber Brüchen oder Rissen, aber auch Deformationen und Verwindungen wesentlich verbessert ist.
Insofern leistet ein derartiges Segment einen wesentlichen Beitrag zur Verbesserung der Herstellbarkeit ultra- leichtgewichtiger Träger, was darauf beruht, daß das Handling der Segmente wesentlich erleichtert wird und auf aufwendige Vorrichtungs- und Vorsichtsmaßnahmen zur verletzungsfreien Verarbeitung der Segmente weitgehend verzichtet werden kann.
Ein weiterer wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht in der Verwendung eines ultra-leichtgewichtigen Trägers nach einem der Ansprüche 1 bis 22 und eines nach einem der Ansprüche 23 bis 40 hergestellten ultra- leichtgewichtigen Trägers als Reflektor für elektromagnetische Wellen, insbesondere auch für Licht.
Da an derartige Reflektoren hinsichtlich ihres Gewichts, ihrer Temperaturstabilität und insbesondere ihrer Reflektoreigenschaften hohe Anforderungen gestellt werden, bietet die Verwendung eines ultra-leichtgewichtigen erfindungsgemäßen Trägers wesentliche Vorteile gegenüber den bereits im Stand der Technik erwähnten Nachteilen bisher üblicher Reflektoren. Dies gilt insbesondere im Hinblick auf die optische Stabilität bei Temperaturwechselbeanspruchungen sowie hinsichtlich des geringen Wärmeausdehnungskoeffiezienten der erfindungsgemäß verwendeten Materialien.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung richtet sich auf die Verwendung eines ultra-leichtgewichtigen Trägers nach einem der Ansprüche 1 bis 22 oder eines nach einem der Ansprüche 23-40 hergestellten ultra-leichtgewichtigen Trägers als Maschinenbett, Meßbank oder dergleichen Montage- und/oder Ablagefläche.
Da der ultra-leichtgewichtige Träger, wie bereits mehrfach erwähnt aus Rohsegmenten zusammengefügt wird, die vor Ihrer vollständigen End-Silizierung im wesentlichen auf Endform bearbeitet sind, hergestellt wird, ist es möglich einen derartigen ultra-leichtgewichtigen Träger auf einfache Art und Weise funtionsorientiert mit beispielsweise Haken, Ösen, Bohrlöchern oder dergleichen Hilfseinrichtungen zur Montage oder Befestigung von unterschiedlichsten Gegenständen auszulegen. Ebenso ist es ohne weiteres möglich, beispielsweise vertiefte Ablageflächen in beliebiger Form in einen derartigen ultra-leichtgewichtigen Träger einzuarbeiten, so daß eine optimale funktionale Auslegung gewährleistet ist.
In Kombination mit den hinsichtlich mechanischer und chemischer Beanspruchungen optimierten Oberflächeneigenschaften des erfindungsgemäßen ultra- leichtgewichtigen Trägers bietet die Verwendung eines erfindungsgemäßen ultra-leichtgewichtigen Trägers für diese Anwendungsbereiche ausgezeichnete Eigenschaften und ist somit den meisten üblicherweise verwendeten Trägern, insbesondere im Hinblick auf das niedrige Gewicht des erfindungsgemäßen Ultraleichtgewichtsträgers überlegen.
Weitere Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von einem Ausführungsbeispiel beschrieben, das anhand der Abbildungen näher erläutert wird. Hierbei zeigen:
Fig. 1 eine Fügefläche zweier Kohlenstoffsegmente, die im Grünzustand gefügt sind gemäß dem Stand der Technik;
Fig. 2 eine Fügefläche zweier erfindungsgemäß vor­ silizierter Kohlenstoffrohsegmente, die teilweise siliziert sind;
Fig. 3 eine Fügefläche zweier erfindungsgemäß vor­ silizierter Kohlenstoff-Rohsegmente, die teilweise siliziert sind, in einem größeren Maßstab;
Fig. 4 eine Siliziumkarbidbeschichtung, die auf einem silizierten Trägerkörper angeordnet ist;
Fig. 5 eine Siliziumkarbid-Schlickerbeschichtung auf einem silizierten Trägerkörper in einem größeren Maßstab;
Fig. 6 ein erfindungsgemäßes Fügeprinzip einer Bolzenverbindung mittels vorsilizierter Kohlenstoffmaterialien.
Fig. 1 zeigt hierbei eine Fügestelle zweier Kohlenstoffsegmente, die nach dem Stand der Technik in einem nicht-vor-silizierten Zustand über eine gemeinsame Infiltration mit Silizium aneinandergefügt worden sind. Hierbei sind deutlich die Kohlenstoffstrukturen, die schwarz dargestellt sind, von dem heller dargestellten Silizium und Siliziumkarbid zu unterscheiden. Wie deutlich zu erkennen ist, sind im Bereich der Fügestelle, die durch zwei parallele Geraden gekennzeichnet ist, Bereiche mit deutlich erhöhtem Silizium bzw. Siliziumkarbidgehalt erkennbar. Der Siliziumgehalt nimmt hierbei mit wachsender Entfernung von der Fügefläche ab, so daß eine homogene Verteilung des Siliziums über den gesamten Trägerkörper nicht gewährleistet ist.
Demgegenüber zeigt Bild 2 eine Fügefläche zweier vor­ silizierter Kohlenstoffrohsegmente, die gemäß der Erfindung in vor-siliziertem Zustand aneinander gefügt worden sind. Es ist deutlich erkennbar, daß die Verteilung des Siliziums, insbesondere im Bereich der Fügefläche deutlich homogener verteilt ist, als bei den nach dem Stand der Technik gefügten Kohlenstoffsegmenten, wobei ein Konzentrationsgradient von der Fügestelle weg weder bezüglich Silizium noch bezüglich Kohlenstoff hervortritt.
Diese gegenüber dem Stand der Technik deutlich homogenere Ausprägung einer Siliziumverteilung bei einer Fügung gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren unter Verwendung von vor­ silizierten Rohsegmenten kommt auch deutlich in Fig. 3, das eine vergrößere Ansicht einer erfindungsgemäßen Fügefläche durch gemeinsames Infiltrieren zeigt, zum Ausdruck.
In Fig. 4 ist eine Siliziumkarbidbeschichtung auf einen silizierten Trägerkörper gezeigt, wobei deutlich zu erkennen ist, daß die Packungsdichte in Richtung der Siliziumkarbidbeschichtung zunimmt. Die Siliziumkarbidbeschichtung ist in Fig. 4 am oberen Rand der Abbildung dunkel dargestellt und weist eine bei dem dargestellten Maßstab nicht mehr erkennbare Porosität auf. In einer darunterliegenden Übergangsschicht zwischen der Siliziumkarbidbeschichtung und dem siliziertem Trägerkörper ist deutlich ein Bereich erkennbar, welcher mit der Schlickerlösung, insbesondere Suspension durchsetzt worden ist und eine innige Verbindung zwischen der Siliziumkarbidbeschichtung einerseits und dem silizierten Trägerkörper andererseits gewährleistet.
Fig. 5 zeigt eine vergrößerte Ansicht einer Siliziumkarbidbeschichtung auf einem silizierten Trägerkörper gemäß der Erfindung, wobei insbesondere die in der Beschichtung vorliegende und erfindungsgemäß geforderte hohe Packungsdichte leicht erkennbar ist. Es ist hierbei deutlich erkennbar, daß die Schlickerlösung, insbesondere Suspension, in der Lage ist, poröse Bereiche und Unebenheiten des Trägerkörpers aufgrund ihrer fluiden Beschaffenheit auszugleichen, nach gegebenenfalls einer Trocknung, indem sie in vertiefte Bereiche und Poren eindringt und sich bei einer anschließenden Wärmebehandlung innig mit dem Material des Trägerkörpers verbindet. Auf diese Weise ist gewährleistet, daß eine weitgehend glatte und im wesentlichen porenfreie Oberfläche geschaffen wird, die für Spiegelanwendungen gut geeignet ist.
Eine spezielle Ausführungsform der Erfindung wird in Fig. 6 gezeigt, das ein erfindungsgemäßes Fügeprinzip mittels einer Bolzenverbindung zeigt.
Wie deutlich zu erkennen ist, werden erfindungsgemäß einzelne Segmente, die vorteilhafterweise in Gruppen gleicher Bauart und Geometrie hergestellt sind, über Paßstifte bzw. Bolzen aneinander gefügt. Insbesondere ist bei dieser Vorgehensweise vorteilhaft, daß einzelne Rohsegmente aufgrund ihrer gleichartigen Konstruktion jederzeit gegen andere Rohsegmente gleicher Bauart austauschbar sind. Auf diese Weise ist eine besonders effiziente und somit kostengünstige Fertigung von Trägerkörpern möglich, da die einzelnen Segmente nicht als Einzelteile gefertigt werden müssen, sondern in größeren Stückzahlen hergestellt werden können. Somit ist eine Automatisierung bei der Herstellung der Segmente möglich.
Die zur Verbindung der einzelnen Segmente verwendeten Bolzen, bzw. Paßstifte sind erfindungsgemäß aus im wesentlichen demselben Material hergestellt wie die Segmente selbst, jedoch ist es auch denkbar, an dieser Stelle Verbindungselemente zu verwenden, die nur aus Kohlenstoff bestehen, die aber auch bereits siliziert sein können. Eine derartige Vor-Silizierung auch der Verbindungselemente hat die bereits für die Segmente, respektive Rohsegmente vorstehend erläuterten Vorteile, und führt zu einer deutlichen Stabilisierung und Beanspruchbarkeit dieser Werkstücke.
Es sollte erwähnt werden, daß der aus den einzelnen Rohsegmenten gebildete Rohkörper nach seiner Zusammenfügung mittels der Bolzenverbindung siliziert und zu dem Trägerkörper ausgebildet wird, der anschließend auf einer Funktionsfläche mit einer Schlickerlösung, insbesondere Suspension beschichtet und endsiliziert wird. Es ist selbstverständlich ebenso möglich, im Anschluß an die Zusammenfügung der Rohsegmente mittels einer Bolzenverbindung sofort eine Beschichtung mit einer Schlickerlösung, insbesondere Suspension, vorzunehmen und die End-Silizierung unmittelbar an die Zusammenfügung der Rohsegmente anzuschließen.
Ebenso ist es möglich, eine simultane End-Silizierung der Funktionsfläche sowie eine stabilisierende Zwischen- Silizierung des verbleibenden Trägerkörper-Gerüstes, beispielsweise über eine Dochtverbindung mit flüssigem Silizium und/oder Siliziumlegierung vorzunehmen.
Als besonders vorteilhaft erweist sich auch die Tatsache, daß aufgrund der segmentartigen Bauweise und der unterschiedlichen Fügetechniken, die zur Anwendung kommen können, beschädigte Bereiche eines ultra-leichtgewichtigen Trägerkörpers jederzeit entfernt und durch ein neues Rohsegment, das auf einen zur weiteren Verarbeitung und dem beschädigten ultra-leichtgewichtigen Trägerkörpers angepaßtem Silizierungsgrad vor-siliziert ist, ersetzt werden kann. Dieses neue Rohsegment kann beispielsweise über Klebetechniken, durch eine gemeinsame Infiltration mit Silizium, durch eine mittels Wärme induzierte Diffusion oder durch eine oder mehrere chemische Umsetzungen im Bereich der Fügeflächen anstelle des beschädigten Trägerkörperteiles in diesen eingesetzt und seinerzeit verfügt werden. Je nach Anwendungsgebiet kann eine anschließende erneute Beschichtung mit einer entsprechend abgestimmten Schlickerlösung, insbesondere Suspension, durchgeführt werden. Diese mögliche Ersetzung eines beschädigten Trägerkörperteiles erweist sich insbesondere bei komplexen räumlichen Strukturen, oder bei großen Geometrien als äußerst nützlich und ermöglicht eine ansonsten nicht durchführbare Reparatur eines Trägerkörpers.
Im folgenden wird eine beispielhafte Prozeßbeschreibung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines erfindungsgemäßen ultra-leichtgewichtigen Trägers für Spiegel-, Montage- oder Ablageeinrichtungen stichpunktartig skizziert:
  • 1. Kohlenstoffsegmente aus einer Kohlenstoffmatrix mit einer Kurzfaser- oder Filzverstärkung werden bis hin zu einer Größe von etwa 1,2 m einzeln gefertigt und in unsiliziertem Zustand endformnah bearbeitet. Dies geschieht beispielsweise durch Pressen, Fräsen und dergleichen übliche Bearbeitungstechniken.
  • 2. Im Anschluß daran erfolgt eine Vor-Silizierung der Kohlenstoffkomponenten mit einer unterstöchiometrischen Menge an Silizium, das in einer Menge von wenigstens 20%, vorzugsweise einer Menge von 70% bis 99% und besonders bevorzugt in einer Menge von 85% bis 99,99% der stöchiometrisch benötigten Menge eingesetzt wird.
  • 3. Vor-silizierte und somit noch poröse Rohsegmente mit gegenüber einem voll silizierten Rohsegment geringerer Härte, die noch vorhandene Oberflächenverschmutzungen an den Funktionsflächen, sowie an den Fügeflächen aufweisen, werden oberflächenbearbeitet, insbesondere geschliffen.
  • 4. Im Anschluß daran erfolgt die Fügung der silizierten Rohsegmente mittels eines mit Ruß und/oder Graphit und/oder Siliziumkarbidpulver angereicherten Klebers, insbesondere Phenolharz-Klebers und/oder mittels mechanischen Verbindungselementen, wie z. B. kohlenstoff- und/oder siliziumhaltigen Schrauben, Paßstiften, Stiften, Laschen oder Schwalbenschwanzverbindungen aus dem im wesentlichen jeweils gleichen Werkstoff wie die Rohsegmente.
  • 5. Der gefügte Rohkörper, dessen Abmessungen im Bereich von in etwa 1 m bis zu etwa 3 m betragen können, werden mit Silizium zwischen-siliziert, wobei eine unterstöchiometrische Menge an Silizium eingesetzt wird, die wenigstens 20%, vorzugsweise 70% bis 90%, und besonders bevorzugt mit 85% bis 99,99% der stöchiometrisch benötigten Menge beträgt.
  • 6. Der aus dem Rohkörper aus Zwischen-Silizierung hergestellte Trägerkörper mit monolytischem Charakter wird an seiner mindestens einen Funktionsfläche, insbesondere einer Spiegeloberfläche, oberflächenbearbeitet, was insbesondere durch Überschleifen geschieht.
  • 7. Der nachbearbeitete Trägerkörper wird an seiner mindestens einen Funktionsfläche und/oder über die Fügestellen hinweg mit einer wasser- und/oder lösungsmittelhaltigen Schlickerlösung, insbesondere Suspension, aus Siliziumkarbid- und/oder Siliziumpulver und/oder Kohlenstoff, insbesondere Ruß und/oder Graphit, zusammen mit Stellmitteln, Verflüssigern, Bindern und Additiven beschichtet. Die Beschichtung wird durch gegebenenfalls schichtweises Streichen, Spritzen, Spachteln, Bedrucken und/oder Tauchen sowie anschließendes Trocknen aufgebracht, wobei die Korngrößen der Schlickerlösung, insbesondere Suspension, so gewählt werden, daß in der Schlickerlösung, insbesondere Suspension eine hohe Packungsdichte erreicht wird, die nach einer End-Silizierung eine gute Polierbarkeit gewährleistet.
  • 8. Der beschichtete Trägerkörper wird im wesentlichen vollständig bis zu seiner theoretischen Dichte siliziert, so daß im wesentlichen keine Porosität mehr in der Beschichtung und gegebenenfalls auch in dem silizierten Trägerkörper vorliegt und insbesondere eine gute Bindung zwischen dem Trägerkörper und der Beschichtung gewährleistet ist.
  • 9. Der so hergestellte Ultra-Leichtgewichts-Träger wird durch Sandstrahlen oder dergleichen Oberflächenreinigungsverfahren gereinigt.
  • 10. Als letzter Schritt erfolgt im Falle einer Verwendung des Ultra-Leichtgewichts-Trägers für Spiegeleinrichtungen eine optische Nachbearbeitung seiner zumindest einen Funktions- und insbesondere Spiegelfläche durch Oberflächenbearbeitungstechniken, wie beispielsweise Schleifen, Läppen, Honen, Polieren usw.
Wie aus obigem hervorgeht, sind insbesondere alle verfahrensseitig wesentlichen Merkmale des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens für einen ultra-leichtgewichtigen Träger für Spiegel-, Montage- oder Ablageeinrichtungen sinngemäß auch Merkmale des Ultra-Leichtgewichts-Trägers für Spiegel-, Montage- oder Ablageeinrichtungen. Selbiges gilt sinngemäß für den Ultra-Leichtgewichts-Träger auch vis versa verfahrensseitig.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß alle oben beschriebenen Teilen für sich alleine gesehen und in jeder Kombination, insbesondere die in den Zeichnungen dargestellten Details als erfindungswesentlich beansprucht werden. Abänderungen hiervon sind dem Fachmann geläufig.

Claims (43)

1. Ultra-Leichtgewichts-Träger für Spiegel-, Montage- oder Ablageeinrichtungen mit einem aus mindestens zwei Segmenten gebildeten Trägerkörper, der mindestens eine Funktionsfläche, insbesondere Spiegelfläche, Montagefläche, Ablagefläche, sowie Fügebereiche für eine Zusammenfügung der Segmente aufweist, wobei
der Trägerkörper im wesentlichen aus Kohlenstoff, Silizium und Siliziumkarbid besteht, das Silizium oberhalb seiner Schmelztemperatur zumindest teilweise in einen Rohkörper infiltriert ist, der anfänglich im wesentlichen aus Kohlenstoff besteht und eine Faserverstärkung aufweist,
das Silizium und mit mindestens Teilen des Kohlenstoffs zu dem Siliziumkarbid umgesetzt ist, und
wobei die den Trägerkörper bildenden Segmente beim Infiltrieren miteinander zu einem monolithischen Trägerkörper verbunden sind,
dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper aus Segmenten zusammengesetzt ist, die in einem Vor-Silizierungsschritt unter Ausbildung von Rohsegmenten vor ihrer Verbindung zumindest teilweise siliziert sind.
2. Ultra-Leichtgewichts-Träger nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Segmente Formabschnitte zum formschlüssigen Zusammenfügen der Rohsegmente aufweisen.
3. Ultra-Leichtgewichts-Träger nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Segmente Formabschnitte zum kraftschlüssigen Zusammenfügen der Rohsegmente aufweisen.
4. Ultra-Leichtgewichts-Träger nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die Segmente Formabschnitte zum stoffschlüssigen Zusammenfügen der Rohsegmente aufweisen.
5. Ultra-Leichtgewichts-Träger nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammenfügung der Rohsegmente dadurch gebildet ist, daß zumindest die Formabschnitte der Segmente nach dem Zusammensetzen der Segmente gemeinsam mit silizium- und/oder kohlenstoff- und/oder siliziumkarbidhaltigen Substanzen infiltriert sind.
6. Ultra-Leichtgewichts-Träger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammenfügung der Rohsegmente dadurch gebildet ist, daß Diffusion von zumindest einer verbindungsbildenden Komponente von zumindest einem Segment in zumindest ein weiteres zu fügendes Segment erfolgt ist.
7. Ultra-Leichtgewichts-Träger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammenfügung der Rohsegmente durch eine oder mehrere chemische Reaktionen im Bereich einer Verbindungsstelle der Formabschnitte gebildet ist.
8. Ultra-Leichtgewichts-Träger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zusammenfügung der Rohsegmente mittels eines Klebstoffs gebildet ist.
9. Ultra-Leichtgewichts-Träger nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Klebstoff Fasern, insbesondere Kohlenstofffasern oder kohlenstoffhaltige Fasern, vorzugsweise mit einer Faserlänge im Bereich bis zu 5 mm und besonders bevorzugt mit einer Faserlänge im Bereich bis zu 1 mm aufweist.
10. Ultra-Leichtgewichts-Träger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbindung der Rohsegmente verwendete Materialien, gegebenenfalls nach einer Pyrolyse und/oder Karbonisierung aus im wesentlichen dem jeweils gleichen Werkstoff bestehen wie die Segmente.
11. Ultra-Leichtgewichts-Träger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper aus Rohsegmenten zusammengesetzt ist, die beim Vor-Silizierungsschritt und/oder nach dem Vor-Silizierungsschritt und/oder nach ihrer Zusammenfügung in zumindest einem Zwischen- Silizierungsschritt mit einer unterstöchiometrischen Menge an Silizium siliziert sind, wobei das Silizium in einer Menge von wenigstens 20%, vorzugsweise in einer Menge von 70% bis 99% und besonders bevorzugt in einer Menge von 85% bis 99,99% der stöchiometrisch benötigten Menge eingesetzt ist.
12. Ultra-Leichtgewichts-Träger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper aus Rohsegmenten zusammengesetzt ist, die nach dem zumindest einen Vor-Silizierungsschritt und/oder nach zumindest einem Zwischen-Silizierungs­ schritt hinsichtlich ihrer Form und ihrer Oberflächen­ ausbildung durch Schleifen, Fräsen und dergleichen Formgebungs- und Oberflächenbearbeitungstechniken, insbesondere im Bereich von Funktionsflächen, insbesondere Spiegelfläche(n) und/oder Montagefläche(n) und/oder Ablagefläche(n) an ihre Endform mindestens angenähert sind.
13. Ultra-Leichtgewichts-Träger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper, insbesondere im Bereich seiner Funktionsfläche(n) und/oder über die Fügebereiche hinweg mit einer wasser- und/oder lösungsmittelhaltigen Schlickerlösung, insbesondere Suspension aus Siliziumkarbid- und/oder Siliziumpulver und/oder Kohlenstoff, insbesondere Ruß und/oder Graphit, vorzugsweise verschiedener Korngröße, insbesondere bimodaler Kornverteilung, beschichtet und anschließend im wesentlichen vollständig bis zu seiner theoretischen Dichte so end-siliziert ist, daß der Trägerkörper im Anschluß daran innig mit der Beschichtung verbunden ist.
14. Ultra-Leichtgewichts-Träger nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die wasser- und/oder lösungsmittelhaltige Schlickerlösung, insbesondere Suspension weiterhin folgende Stoffe allein oder in Kombination enthält: Stellmittel, Verflüssiger, Binder, Additive.
15. Ultra-Leichtgewichts-Träger nach einem der Ansprüche 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß die wasser- und/oder lösungsmittelhaltige Schlickerlösung, insbesondere Suspension als Paste ausgebildet ist.
16. Ultra-Leichtgewichts-Träger nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die wasser- und/oder lösungsmittelhaltige Schlickerlösung, insbesondere Suspension dünnflüssig ausgebildet ist.
17. Ultra-Leichtgewichts-Träger nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung mit der wasser- und/oder lösungsmittelhaltigen Schlickerlösung, insbesondere Suspension durch Streichen, Spritzen, Spachteln, Bedrucken, Tauchen oder dergleichen Auftragungstechniken erfolgt ist.
18. Ultra-Leichtgewichts-Träger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Funktionsfläche mit einer vordefinierten Porosität oder im wesentlichen porenfrei ausgebildet ist.
19. Ultra-Leichtgewichts-Träger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Funktionsfläche im wesentlichen aus Siliziumkarbid besteht.
20. Ultra-Leichtgewichts-Träger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserverstärkung aus Kohlenstoff, insbesondere Graphit besteht.
21. Ultra-Leichtgewichts-Träger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Faserverstärkung Fasern, insbesondere einer Länge im Bereich von 1 mm bis 100 mm und/oder in Form von Langfasern, Endlosfasern, Faserfilzen, Faserfliesen, Fasergeweben oder Waben allein oder in Kombination umfaßt.
22. Ultra-Leichtgewichts-Träger nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Silizium und/oder eine Siliziumlegierung bei einer Temperatur im Bereich von 800°C bis 2200°C, vorzugsweise oberhalb 1000°C und insbesondere im Bereich von 1300°C bis 2100°C über eine Flüssigkeits- und/oder Gasphase die Segmente und/oder Rohsegmente und/oder in den Trägerkörper infiltriert ist.
23. Verfahren zur Herstellung eines ultraleichtgewichtigen Trägers für Spiegel-, Montage- oder Ablageeinrichtungen mit einem aus mindestens zwei Segmenten gebildeten Trägerkörper, der mindestens eine Funktionsfläche, insbesondere Spiegelfläche, Montagefläche, Ablagefläche, sowie Fügebereiche zum Zusammenfügen der Segmente aufweist, wobei
der Trägerkörper im wesentlichen aus Kohlenstoff, Silizium und Siliziumkarbid besteht,
das Silizium oberhalb seiner Schmelztemperatur zumindest teilweise in einen Rohkörper infiltriert wird, der anfänglich im wesentlichen aus Kohlenstoff besteht und eine Faserverstärkung aufweist,
der Trägerkörper mit mindestens Teilen des Kohlenstoffs zu dem Siliziumkarbid umgesetzt wird, und
wobei die den Trägerkörper bildenden Segmente aus einer Kohlenstoffmatrix beim Infiltrieren miteinander zu einem monolithischen Trägerkörper verbunden werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper aus Segmenten zusammengesetzt wird, die in einem Vor-Silizierungsschritt unter Ausbildung von Rohsegmenten vor ihrer Verbindung zumindest teilweise siliziert werden.
24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper aus Rohsegmenten zusammengesetzt wird, die beim Vor-Silizierungsschritt und/oder nach dem Vor-Silizierungsschritt und/oder nach ihrer Zusammenfügung in zumindest einem Zwischen- Silizierungsschritt mit einer unterstöchiometrischen Menge an Silizium siliziert werden, wobei das Silizium in einer Menge von wenigstens 20%, vorzugsweise in einer Menge von 70% bis 99% und besonders bevorzugt in einer Menge von 85% bis 99,99% der stöchiometrisch benötigten Menge eingesetzt wird.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 und 24, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper aus Rohsegmenten zusammengesetzt wird, die nach dem zumindest einen Vor-Silizierungsschritt und/oder nach zumindest einem Zwischen-Silizierungs­ schritt hinsichtlich ihrer Form und ihrer Oberflächen­ ausbildung durch Schleifen, Fräsen und dergleichen Formgebungs- und Oberflächenbearbeitungstechniken, insbesondere im Bereich von Funktionsflächen, insbesondere Spiegelfläche(n) und/oder Montagefläche(n) und/oder Ablagefläche(n) an ihre Endform mindestens angenähert werden.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohsegmente unter Ausbildung des Rohkörpers form- und/oder kraft- und/oder stoffschlüssig zusammengefügt werden.
27. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohsegmente unter Ausbildung des Rohkörpers durch ein gemeinsames Infiltrieren mit silizium- und/oder kohlenstoff- und/oder siliziumkarbidhaltigen Substanzen zusammengefügt werden.
28. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohsegmente durch Erwärmen gemäß einem vorbestimmten Temperaturverlauf unter Ausbildung des Rohkörpers zusammengefügt werden, indem eine Diffusion von verbindungsbildenden Komponenten von zumindest einem Rohsegment in zumindest ein weiteres zu fügendes Rohsegment ermöglicht wird.
29. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohsegmente durch wenigstens eine chemische Umsetzung im Bereich einer Verbindungsstelle unter Ausbildung des Rohkörpers zusammengefügt werden.
30. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Rohsegmente mittels eines Klebstoffs zusammengefügt werden.
31. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß dem Klebstoff Fasern, insbesondere Kohlenstofffasern oder kohlenstoffhaltige Fasern, vorzugsweise mit einer Faserlänge im Bereich bis zu 5 mm und besonders bevorzugt mit einer Faserlänge im Bereich bis zu 1 mm, zugesetzt werden.
32. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß zur Verbindung der Segmente Materialien verwendet werden, die, gegebenenfalls nach einer Pyrolyse und/oder Karbonisierung aus im wesentlichem dem jeweils gleichen Werkstoff bestehen wie die Rohsegmente.
33. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß der aus dem Rohkörper hervorgegangene Trägerkörper, insbesondere im Bereich seiner Funktionsfläche(n) und/oder über die Fügebereiche hinweg mit einer wasser- und/oder lösungsmittelhaltigen Schlickerlösung, insbesondere Suspension aus Siliziumkarbid- und/oder Siliziumpulver und/oder Kohlenstoff, insbesondere Ruß und/oder Graphit, vorzugsweise verschiedener Korngröße, insbesondere bimodaler Kornverteilung, beschichtet und anschließend im wesentlichen vollständig bis zu seiner theoretischen Dichte so end-siliziert wird, daß der Trägerkörper im Anschluß daran innig mit der Beschichtung verbunden worden ist.
34. Verfahren nach Anspruch 33, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Beschichtung des Trägerkörpers verwendeten wasser- und/oder lösungsmittelhaltigen Schlickerlösung, insbesondere Suspension weiterhin folgende Stoffe allein oder in Kombination zugesetzt werden: Stellmittel, Verflüssiger, Binder, Additive.
35. Verfahren nach einem der Ansprüche 33 und 34, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Beschichtung des Trägerkörpers verwendeten wasser- und/oder lösungsmittelhaltigen Schlickerlösung, insbesondere Suspension in Form einer Paste verwendet wird.
36. Verfahren nach einem der Ansprüche 33 bis 35, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Beschichtung des Trägerkörpers verwendeten wasser- und/oder lösungsmittelhaltigen Schlickerlösung, insbesondere Suspension in dünnflüssiger Form eingesetzt wird.
37. Verfahren nach einem der Ansprüche 33 und 36, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung des Trägerkörpers mit der wasser- und/oder lösungsmittelhaltigen Schlickerlösung, insbesondere Suspension durch Streichen, Spritzen, Spachteln, Bedrucken, Tauchen oder dergleichen Auftragungstechniken durchgeführt wird.
38. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 37, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Funktionsfläche mit einer vordefinierten Porosität oder im wesentlichen porenfrei ausgebildet wird.
39. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 38, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine Funktionsfläche so siliziert wird, daß sie im wesentlichen aus Siliziumkarbid besteht.
40. Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 39, dadurch gekennzeichnet, daß das Infiltrieren des Siliziums und/oder einer Siliziumlegierung in einem Temperaturbereich von 800°C bis 2200°C, vorzugsweise oberhalb 1000°C und insbesondere im Bereich von 1300°C bis 2100°C über eine Flüssigkeits- und/oder Gasphase durchgeführt wird.
41. Segment auf Kohlenstoffbasis zur Herstellung eines ultraleichtgewichtigen Trägers, dadurch gekennzeichnet, daß das Segment vor einer Fügung an ein weiteres Segment zumindest teilweise vor-siliziert ist.
42. Verwendung eines ultraleichtgewichtigen Trägers nach einem der Ansprüche 1 bis 22 oder eines nach einem der Ansprüche 23 bis 40 hergestellten ultraleichtgewichtigen Trägers als Reflektor für elektromagnetische Wellen, insbesondere auch Licht.
43. Verwendung eines ultraleichtgewichtigen Trägers nach einem der Ansprüche 1 bis 22 oder eines nach einem der Ansprüche 23 bis 40 hergestellten ultraleichtgewichtigen Trägers als Maschinenbett, Meßbank oder dergleichen Montage- und/oder Ablagefläche.
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