DE10125554A1 - Ultraleichter und ultrasteifer vollkeramischer Reflektor und Verfahren zur Herstellung - Google Patents
Ultraleichter und ultrasteifer vollkeramischer Reflektor und Verfahren zur HerstellungInfo
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Abstract
Die Erfindung betifft einen ultraleichten und ultrasteifen vollkeramischen Reflektor und ein Verfahren zur Herstellung eines Reflektors, wobei keramisches Material (2) auf eine erste Oberfläche (4) einer gemäß der Reflektorkontur vorgeformten keramischen Frontplatte (1) aufgebracht und mit der Frontplatte (1) monolithisch verbunden ist.
Description
Durch die stetig steigenden Anforderungen an neue größere, hochkomplexe
und leistungsfähige Reflektoren ist es notwendig, diese Reflektoren noch
leichter, steifer und leistungsfähiger zu machen. Eine Möglichkeit hierzu ist,
solche Reflektoren aus keramischen Materialien herzustellen.
Bisher wurden keramischen Reflektoren vor allem aus Glas oder Glaskerami
ken, gesintertem Siliziumcarbid oder C/SiC hergestellt. In diesen Fällen wur
den die Reflektoren aus einer dicken Platte hergestellt, wobei dreieckförmige
oder hexagonale o. ä. Strukturen ausgefräst wurden, um diese Reflektoren ent
sprechend den Anforderungen mit einem möglichst geringen Flächengewicht
herzustellen. Insbesondere im Falle von Glas ist die Bearbeitung sehr aufwän
dig und damit auch mit sehr hohen Kosten verbunden, so dass die vorge
nannten Strukturen nur sehr langsam und aufwändig mit teuren Spezialwerk
zeugen herausgearbeitet werden können.
Bei gesintertem SiC und C/SiC erfolgt die Bearbeitung der Struktur bei den
bisher bekannten Verfahren im sogenannten Grünzustand, d. h. in einem rela
tiv weichen Zustand, so dass die Bearbeitung wesentlich einfacher und kos
tengünstiger ist. Bei gesintertem SiC tritt jedoch beim Sinterprozess ein nicht
unerheblicher Schrumpf auf, der nicht genau gleichbleibend ist und somit zu
deutlich größeren Nacharbeiten im keramischen Zustand führt als bei C/SiC.
Im Gegensatz zu Glas weisen die SiC-Keramiken eine bis zu 100 mal bessere
Wärmeleitfähigkeit und eine deutlich höhere spezifische Steifigkeit auf. Was
diese Werkstoffe für hochsteife Reflektoren geradezu prädestiniert.
Aus DE 42 07 009 C2 und DE 43 29 551 A1 ist bekannt, dass C/SiC Reflekto
ren aus einem porösen Kohlenstoff-Trägerkörper hergestellt werden, indem
diese durch mechanische Bearbeitung, insbesondere durch Fräsen, in die not
wendige Endform gebracht werden.
Dieses Verfahren ist nicht nur relativ aufwendig, sondern es birgt die Gefahr,
dass gerade bei Reflektoren, die ein extrem niedriges Flächengewicht von
deutlich kleiner 15 Kg/m2 oder gar kleiner als 10 Kg/m2 aufweisen sollen, die
Struktur bei der mechanischen Bearbeitung beschädigt wird, was zu einer
deutlichen Verschlechterung der Materialeigenschaften führt bzw. derartige
Flächengewichte überhaupt nicht herstellbar sind. Das Flächengewicht defi
niert sich dabei als das Gewicht pro Fläche, wobei bei Reflektoren die Dicke
des Reflektors und seine Fläche in einem definierten Verhältnis zueinander
stehen. So wird beispielsweise im allgemeinen bei einer Genauigkeit der Re
flektor-Kontur von /10 eine Dicke des Reflektors gewählt, die nicht kleiner ist
als ein Zehntel des Durchmessers des Reflektors.
Ebenfalls aus DE 42 07 009 C2 ist bekannt, dass keramische Wabenstrukturen
mit einer dichten Deckschicht aus Kohlefasergewebe-Prepregs verbunden
werden und so eine Leichtgewichtskonstruktion erreicht wird. Diese Technik
weißt jedoch gerade unter thermischen Zyklen den entscheidenden Nachteil
auf, dass das Material der Waben und der Deckschicht in den thermo
mechanischen Eigenschaften nicht kompatibel ist, was zu Delaminationen
und/oder Rissen führt, und zudem die Wärmeleitfähigkeit der Deckschicht
sehr gering ist.
Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung leichter Reflektoren ist in US 6,206,531
beschrieben. Dort wird die Verwendung einer Kernstruktur aus ei
nem Schaum vorgeschlagen, wobei anschließend zur Herstellung des gesam
ten Reflektors eine relativ aufwändige Schichtstruktur erzeugt werden muss.
Auch bei einem so hergestellte Reflektor kann es außerdem zur Ablösung der
Schichten voneinander aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungsverhalten
kommen, wie dies auch bei der DE 42 07 009 der Fall ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen weniger fehleranfälligen
leichten und steifen Reflektor sowie ein verbessertes Verfahren zu dessen Her
stellung bereitzustellen. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der
Ansprüche 1 und 9.
Die Erfindung umfasst einerseits einen Reflektor, beinhaltend ein keramisches
Material mit einem niedrigen Flächengewicht. Gemäß der Erfindung ist vorge
sehen, dass das keramische Material auf eine erste Oberfläche einer kerami
schen Frontplatte aufgebracht ist, die gemäß der gewünschten Reflektorkontur
vorgeformt ist. Damit kann auf einfache Weise eine definierte Kontur des Re
flektors erzielt werden. Es ist außerdem vorgesehen, dass das keramische
Material mit der Frontplatte monolithisch verbunden ist, wobei die Frontplatte
und das keramische Material weitgehend die gleichen thermischen Eigen
schaften haben. Damit wird die Fehlerquelle eines möglichen Ablösens ver
schiedener Schichten einer Reflektorstruktur, wie sie beispielsweise bei der US 6,206,531
auftreten kann, vermieden.
Um eine besonders leichte und trotzdem steife Konstruktion zu erhalten, kann
insbesondere als keramisches Material ein poröses Material - insbesondere ein
keramischer Schaum - oder eine keramische Wabenstruktur vorgesehen wer
den. Speziell kann für das keramische Material ein C/SiC-Schaum oder eine
C/SiC-Wabenstruktur vorgesehen werden.
Es können weiterhin auf der ersten Oberfläche der Frontplatte Erhebungen
und/oder Vertiefungen aus dem gleichen Material wie das der Frontplatte vor
gesehen werden. Diese können entweder dazu dienen, durch eine Verzah
nung mit dem keramischen Material eine verbesserte Verbindung zwischen
Frontplatte und keramischem Material herzustellen, oder sie können bei
spielsweise in Form von Rippen oder Kanälen zur Verbesserung der thermi
schen Eigenschaften beitragen, beispielsweise zur Ausbildung von Passagen
für ein gasförmiges oder flüssiges Kühlmedium. Wenn das keramische Materi
al als poröses Material, beispielsweise als Schaum, ausgebildet ist, oder auf
sonstige Weise eine gewisse Durchlässigkeit aufweist, so kann dieses Material
selbst entsprechend seiner Durchlässigkeit als Passage für ein Temperiermedi
um verwendet werden. Es kann daher vorgesehen werden, dass ein Wärme
austausch zwischen dem keramischen Material und einem Temperiermedium
besteht. So kann beispielsweise ein Keramikschaum, mit oder ohne eine Rip
pen- oder Kanalstruktur, als integraler Wärmetauscher des Reflektors zur
Wärmeübertragung beispielsweise von der Spiegeloberfläche auf ein Kühlme
dium (Gas oder Flüssigkeit) eingesetzt werden. Das keramische Material kann
aber grundsätzlich auch eine Wabenstruktur statt oder zusätzlich zu einer po
rösen Struktur aufweisen. Umgekehrt kann auch eine Erwärmung der Reflek
torstruktur durch ein Temperiermedium vorgesehen sein.
Um eine weitere Gewichtsreduktion der Reflektorstruktur bei weitgehend
gleichbleibender Steifigkeit zu erzielen, kann vorgesehen werden, dass auf das
keramische Material eine Rückplatte aufgebracht ist, die aus dem gleichen
Material besteht, wie die Frontplatte. Dann kann die Gesamtstruktur entspre
chend dünner gemacht werden. Um wiederum mögliche Fehlerquellen auf
grund unterschiedlicher Schichten der Struktur auszuschließen, wird vorgese
hen, dass die Rückplatte mit dem keramischen Material monolithisch verbün
den ist. Es können grundsätzlich auch für die Rückplatte analog zur Frontplatte
je nach Erfordernis Erhebungen und/oder Vertiefungen vorgesehen werden.
Durch die gleichmäßige Aussteifung der Reflektorstruktur, wie sie die Erfin
dung gerade für den Fall eines porösen keramischen Materials vorsieht, wird
im Gegensatz zum Stand der Technik ein Schleifen und Polieren der Spiegel
fläche ohne störende Quilting-Effekte (Steppdecken-Effekte), also ohne ein
lokales Aufwölben der Reflektor-Struktur, ermöglicht. Solche Effekte ergeben
sich beim Schleifen oder Polieren von Strukturen, wie sie beispielsweise die DE 42 07 009
beschreibt, die keramische Materialien mit einer Wabenstruktur o
der ähnlichen Stützrippen beinhalten. Beim Schleifen oder Polieren ist dann
der Materialabtrag über den Stützrippen aufgrund der höheren Steifigkeit der
Struktur in diesen Bereichen größer als über den Bereichen zwischen den
Stützrippen, da in diesen übrigen Bereichen die Struktur aufgrund einer meist
gegebenen gewissen Biegsamkeit des Materials nachgiebiger ist. Das Material
weicht folglich in diesen übrigen Bereichen unter dem Polierdruck nach unten
aus. Nach Wegnahme des Polierdruckes steigen in diesen übrigen Bereichen
Buckel auf. Dies wird gerade bei Verwendung poröser keramischer Materialien
vermieden.
Es kann weiterhin vorgesehen werden, dass eine schleifbare und polierbare
Oberflächenbeschichtung auf der Frontplatte aufgebracht ist und die Oberflä
chenbeschichtung mit der Frontplatte monolithisch verbunden ist. Dadurch
wird einerseits erreicht, dass die Reflektoroberfläche direkt geschliffen und auf
die erforderliche Rauhigkeit, insbesondere zur Erzielung eines möglichst ge
ringen Streulichtpegels, poliert werden kann. Die monolithische Verbindung
verhindert wiederum mögliche Fehlerquellen. Durch die monolithische Ver
bindung aller wesentlichen Komponenten des Reflektors wird erreicht, dass
der gesamte Reflektor einschließlich der polierten Spiegelfläche aus einem
monolithischen Material besteht. Es liegen daher im Gegensatz zum Stand der
Technik keine unterschiedlichen Schichten mit unterschiedlichen Materialei
genschaften vor, die als Fehlerquellen wirken können.
Die Erfindung umfasst außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines Reflek
tors, wobei ein keramisches Material mit niedrigem Flächengewicht auf eine
erste Oberfläche einer keramischen Frontplatte aufgebracht wird, welche ge
mäß der Reflektorkontur vorgeformt ist, und wobei anschließend das kerami
sche Material mit der Frontplatte monolithisch verbunden wird. Die Vorteile
eines solchen Verfahrens wurden bereits vorstehend anhand der damit her
stellbaren Reflektoranordnung erläutert.
Es kann weiter vorgesehen werden, dass vor dem Aufbringen des keramischen
Materials auf der ersten Oberfläche der Frontplatte Erhebungen und/oder
Vertiefungen aus dem gleichen Material wie das der Frontplatte erzeugt wer
den. Die Anwendungsmöglichkeiten für solche Erhebungen und/oder Vertie
fungen wurden ebenfalls bereits erläutert. Außerdem kann zur weiteren Ver
steifung auf das keramische Material eine Rückplatte aufgebracht werden, die
aus dem gleichen Material besteht, wie die Frontplatte, wobei die Rückplatte
mit dem keramischen Material monolithisch verbunden wird. Zusätzlich kann
eine schleifbare und polierbare Oberflächenbeschichtung auf der Frontplatte
aufgebracht werden und die Oberflächenbeschichtung kann mit der Front
platte monolithisch verbunden werden. Die Vorteile dieser möglichen Maß
nahmen wurden ebenfalls bereits anhand der erfindungsgemäßen Reflektor
anordnung erläutert.
Es sind grundsätzlich unterschiedliche Verfahren zur Herstellung des kerami
schen Materials denkbar. Im Rahmen der Erfindung wird bevorzugt ein Verfah
ren vorgesehen, bei dem zur Herstellung des keramischen Materials eine po
lymere Struktur mit einer Suspension aus einem keramischen Ausgangsmateri
al, welches Silizium enthält, überzogen wird und anschließend unter Luftab
schluss pyrolysiert wird. Die polymere Struktur kann beispielsweise durch ein
Eintauchen in die Suspension oder unter Ausnutzung von Kapillareffekten bei
Verwendung einer porösen polymeren Struktur mit der Suspension überzogen
werden. Durch die Pyrolyse wird die polymere Struktur zerstört, es verbleibt
ein keramisches Zwischenprodukt, das weitgehend die Struktur der polymeren
Struktur vor deren Pyrolyse besitzt.
Für das weitere Fertigungsverfahren kann das keramische Zwischenprodukt
nach der Pyrolyse mit Hilfe eines Klebers mit einer Frontplatte und/oder mit
einer Rückplatte verbunden werden. Frontplatte bzw. Rückplatte bestehen
dabei aus einem Kohlenstoff enthaltenden Material. Der Kleber enthält bevor
zugt Siliziumcarbid und/oder Kohlenstoff und/oder Silizium. Anschließend
erfolgt eine Infiltration eines Silizium enthaltenden Materials bei Temperaturen
über 1350°C. Damit wird eine monolithische Verbindung der einzelnen
Komponenten des Reflektors erzielt und es entsteht dabei das endgültige ke
ramische Material. Die geeignete Wahl der Werkstoffe, wie hier dargestellt, für
das keramische Material bzw. das keramische Zwischenprodukt, die Front
platte, die Rückplatte und gegebenenfalls auch für den Kleber trägt mit zur Re
alisierung dieser monolithischen Verbindung bei.
Ein spezielles Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird nachfol
gend anhand der Fig. 1 und 2 erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Reflektor
Fig. 2 Vergrößerter Ausschnitt eines Querschnittes nach Fig. 1
Bei dem Verfahren nach der vorliegenden Erfindung wird ein keramischer
Schaum 2 zumindest mit einer keramischen Frontplatte 1 verbunden bzw. es
wird die Frontplatte 1 bei der Herstellung der Schaumstrukturen 2 direkt an
der jeweiligen Schaumstruktur 2 integriert. Das Verfahren ist grundsätzlich
statt für eine keramische Schaumstruktur 2 auch für eine keramische Waben
struktur anwendbar.
Als Ausgangsmaterial für die Herstellung des keramischen Schaumes wird eine
poröse polymere Struktur, vorzugsweise Polyurethan in Form eines Schaumge
rüstes oder ein sonstiges Ausbrandmittel, wie z. B. ein Polyamidgranulat ver
wendet. Dieses Ausgangsmaterial wird entweder in eine Suspension eines ke
ramischen Ausgangsmaterials getaucht, was in einem einzigen Verfahrens
schritt oder in mehreren Tauchschritten erfolgen kann, oder es wird eine sol
che Suspension beispielsweise unter Ausnutzung von Kapillareffekten in die
polymere Struktur eingesogen. Anschließend erfolgt bei Temperaturen von
100 bis 160°C eine Trocknung der Struktur.
Wichtig bei diesem Verfahren ist, dass die Bestandteile der Suspension Mate
rialien beinhalten oder aus den gleichen Materialien bestehen, wie die noch
aufzubringende keramische Frontplatte 1. Zu diesem Zweck wird eine Suspen
sion verwendet, die aus einem Schlicker aus einer Aufschlämmung von feinem
SiC, Si und Kohlenstoff in einem organischen Flüssigkeitsgemisch besteht. Ei
ne solche Suspension kann insbesondere nach den folgenden Einzelschritten
hergestellt werden.
Unter der Zugabe des Bindemittels wird das Siliziumcarbidpulver vermischt.
Die Viskosität wird auf eine wässerige Konsistenz durch Zugabe des Lösungs
mittels eingestellt. Vorzugsweise wird als Lösungsmittel ein organisches Lö
sungsmittel, beispielsweise ein Gemisch aus Isopropylalkohol, Butylacetat,
Butandiol und Polyethylenglykol als Bindemittel Phenolharz oder Novolacke
verwendet. Dieses Gemisch wird unter ständigem Rühren dispergiert. Nach
der Homogenisierungszeit werden Kohlenstoff, vorzugsweise in Form von
Feinstgraphit und/oder Ruß und/oder Kohlefasern zugegeben. Nun wird das
gesamte System in einem handelsüblichen Homogenisator dispergiert. Als
letztes wird bei bestimmten Anwendungen noch Silizium zugegeben, um si
cherzustellen, dass insbesondere bei integralen Strukturen bei dem anschlie
ßenden Thermalprozess der Flüssiginfiltration die Keramisierung der Schaum
struktur vollständig erfolgt.
In gleicher Weise können auch keramische Wabenstrukturen hergestellt wer
den, die vorzugsweise im Rohzustand aus Hartpapier, einer polymeren Struk
tur oder einem ähnlichen pyrolysierbaren Material bestehen und entsprechend
in eine oben beschriebenen Suspension getaucht werden.
Nach der Aushärtung der Schaumstruktur (analoges gilt bei Verwendung einer
Wabenstruktur) wird die polymere Struktur in einem Thermalprozess zwischen
900°C und 1200°C, idealerweise bei etwa 1000°C unter Luftabschluss vor
zugsweise unter Stickstoff oder unter Vakuum pyrolysiert. Der Schlicker geht
in ein keramisches Zwischenprodukt über, das bei Zimmertemperatur hart, bei
Temperaturen größer 50°C jedoch eine gewisse Flexibilität aufweist.
Nach der Pyrolyse wird das keramische Zwischenprodukt, das bereits eine
Schaumstruktur besitzt, fest mit einer Frontplatte 1 und/oder Rückplatte 3 aus
einem Carbon-Carbon-Material verbunden. Die Frontplatte 1 besitzt dabei i
dealerweise bereits zumindest weitgehend die gewünschte Oberflächenkontur
des späteren Reflektors. Die Rückplatte 3 ist optional und kann zur zusätzli
chen Versteifung der Struktur vorgesehen werden. Ebenso können grundsätz
lich auch zusätzliche Seitenplatten vorgesehen werden. Bei Verwendung von
Wabenstrukturen gilt analoges. Die Verbindung der Platten 1, 3 mit kerami
schen Zwischenprodukt erfolgt mit Hilfe eines Klebers, welcher aus einem
Bindemittel und zumindest Siliziumcarbid, bevorzugt zusätzlich noch aus
Kohlenstoff, besteht. Der Kleber enthält damit also zumindest weitgehend die
selben Substanzen wie die Schaumstruktur. Dadurch ist sichergestellt, dass
kein unterschiedliches Verhalten von Kleber und Zwischenprodukt bzw.
Schaumstruktur bei dem nachfolgend beschriebenen Thermalprozess auftritt,
was sonst zu störenden Erscheinungen, wie Rissbildung oder Schrumpfung
führen könnte.
Aus konstruktiven und/oder thermalen Gründen können auch Rippen bzw.
Kanalstrukturen 7 auf der Rückseite der Frontplatte 1 und/oder Rückplatte 3
vorgesehen werden und in diesem Fall werden Schaumsegmente des Zwi
schenprodukts in die entsprechenden Segmente der Frontplatte 1 bzw. Rück
platte 3 geklebt. Die verklebten Strukturen werden anschließend bei Tempe
raturen zwischen 70°C und 170°C ausgehärtet.
Nach dem Aushärten der Struktur wird diese unter Vakuum bei Temperaturen
von 1350°C bis 1700°C, idealerweise bei etwa 1600°C mit Silizium infiltriert.
So entsteht aus der Carbon/Carbon-Struktur der Platten 1, 3 wie auch aus dem
keramischen Zwischenprodukt und dem Kleber eine keramische C/SiC Struk
tur, bei der im Gegensatz zu Sinterprozessen von monolithischer Keramik na
hezu kein Schrumpf auftritt. Aus der verklebten Struktur entsteht dabei eine
monolithische Struktur aus C/SiC-Frontplatte 1 mit C/SiC-Schaum 2, mit eventu
ellen zusätzlichen C/SiC-Platten als Rückplatte 3 und Seitenplatten. Durch Varia
tion der Porosität der ursprünglichen Schaumstruktur können Flächengewicht
und Steifigkeit des Reflektors eingestellt und optimiert werden.
Nach dem Infiltrationsprozess wird die Struktur gereinigt, vorzugsweise durch
Sandstrahlen, sodass eine glatte Oberfläche frei von überschüssigem Silizium
aus dem vorherigen Prozess entsteht. Nun wird die spätere Reflexions-
Oberfläche 5 weitgehend entsprechend der gewünschten Endform grob vorgeschliffen.
Dieses Vorschleifen soll im wesentlichen die Einhaltung der ge
wünschten Kontur der Reflexionsschicht des Reflektors sicherstellen.
Nach dem Vorschleifen wird zumindest die Oberfläche 5 mit einer Beschich
tung 6 versehen. Hierfür können grundsätzlich alle Beschichtungen vorgese
hen werden, die zur Herstellung einer schleifbaren und polierbaren Oberfläche
geeignet sind, insbesondere solche, die monolithisch mit der Frontplatte 1 ver
bunden werden können und dazu ähnliche Materialien beinhalten wie die
Frontplatte 1. Nachfolgend wird ein spezielles Verfahren zur Herstellung einer
solchen Beschichtung beschrieben.
Zur Herstellung der Beschichtung 6 erfolgt die Herstellung eines Schlickers in
Form einer Dispersion, welches aus Bindemittel, Lösungsmittel, metallischem
und/oder keramischem Pulver sowie Kohlenstoff besteht. Damit kann die
C/SiC-Frontplatte 1 derart beschichtet werden, dass in anschließenden Polier
abläufen eine RMS-Oberflächenrauhigkeit von < 1 µm, vorzugsweise sogar
kleiner 10 nm, erzielt werden kann.
Die Herstellung der Dispersion für die keramische Beschichtung erfolgt nach
den im folgendend dargestellten Einzelschritten.
Unter Zugabe des Bindemittels wird Siliziumcarbidpulver mit diesem Binde
mittel vermischt. Die Viskosität des 2-Stoff-Gemisches aus Siliziumcarbidpulver
und Bindemittel wird auf eine ölige Konsistenz durch die Zugabe des Lö
sungsmittels eingestellt. Vorzugsweise wird als Lösungsmittel ein organisches
Lösungsmittel, beispielsweise ein Gemisch aus Isopropylalkohol, Butylacetat,
Butandiol und Polyethylenglykol verwendet. Dieses ölige Gemisch wird mittels
eines handelsüblichen Homogenisators dispergiert. Nach der Homogenisie
rungszeit wird Kohlenstoff, vorzugsweise in Form von Feinstgraphit oder Ruß,
zugegeben. Nach dieser Zugabe wird das Stoffsystem nun wiederum in dem
Homogenisator dispergiert. Als letztes wird das metallische Pulver, vorzugs
weise metallisches Silizium, zugegeben und anschließend kann das gesamte
Stoffsystem nochmals homogenisiert werden. Während des gesamten Homogenisierungsprozesses
kann stets Lösungsmittel zugegeben werden, um die
für die spätere Anwendung notwendige Viskosität einzustellen. Die Viskosität
richtet sich im wesentlichen nach dem Beschichtungsverfahren, mit welchem
das Substrat, also insbesondere die Frontplatte 1 und gegebenenfalls auch die
Rückplatte 3, später beschichtet werden soll. Während des Homogenisie
rungsprozesses wird bevorzugt die Viskosität mit geeigneten Meßmethoden
wie beispielsweise mit einem handelsüblichen Viskosimeter oder Auslaufbe
cher kontrolliert.
Das Aufbringen der Schlicker-Dispersion kann in einer Spritztechnik, vorzugs
weise mit Hilfe von Lackierwerkzeugen, erfolgen, wobei idealerweise mit ge
eigneten Werkzeugen einer Entmischung der Dispersion entgegengewirkt
wird, um Inhomogenitäten an einzelnen Stellen zwischen der Beschichtung
und dem Substrat bzw. Fehlstellen in der Beschichtung zu vermeiden.
Die Beschichtung kann in mehreren Einzelschritten erfolgen, d. h. die gesamte
Beschichtung kann statt in einer einzigen Schicht auch in mehreren Schichten
aufgetragen werden. Hierbei können beispielsweise Einzelschichten bis zu 0,5 mm
erreicht werden. Nach jedem Beschichtungsvorgang kann bevorzugt eine
Trocknung der jeweiligen Schicht vorgenommen werden. Eine solche Trock
nung kann beispielsweise in einem entsprechenden Trockenschrank erfolgen.
Hierbei richtet sich die Trocknungszeit im wesentlichen nach der Schichtdicke
und nach der Anzahl der bereits aufgetragenen Schichten. Die Trocknungszeit
zwischen den einzelnen Beschichtungen kann beispielsweise zwischen 30 Mi
nuten und 120 Minuten betragen. Die Trocknungstemperatur liegt idealerwei
se unterhalb von 150°C und beträgt beispielsweise zwischen 70 und 120°C.
Sobald die Beschichtung 6 gemäß den vorgenannten Arbeitsschritten fertigge
stellt ist, wird das beschichtete Substrat in einem Thermalprozess unter Vaku
um oder Schutzgas auf Temperaturen oberhalb 1600°C aufgeheizt. Bei die
sem Thermalprozess kommt es, analog zum vorher beschriebenen Verfahren,
auf Grund der Reaktionsaffinität zwischen Silizium und Kohlenstoff zur Bildung
von Siliziumcarbid, größtenteils zu -SiC, wobei der in der Beschichtung 6 vorhandene
Kohlenstoff teilweise mit dem in der aufgetragenen Schicht vorhan
denem Silizium und/oder teilweise mit dem im Substrat der Frontplatte 1 vor
handenen Restsilizium in der Matrix der Frontplatte 1 zu Siliziumcarbid rea
giert. Durch einsetzende Diffusionsprozesse zwischen dem Silizium im Sub
strat der Frontplatte 1 und dem Kohlenstoff in der Beschichtung 6 kommt es zu
einer Kontaktreaktion durch Bildung von Siliziumcarbid, wodurch es zu einer
festen Anbindung der Beschichtung 6 an die Frontplatte 1 kommt. Es erfolgt
dabei die Ausbildung einer monolithischen Struktur. Durch das in der Be
schichtung 6 vorhandene Siliziumcarbid wird gewährleistet, dass sich während
des Thermalprozesses eine sehr dichte Oberflächenschicht ausbildet, welche
auf Grund einer optimeriten Korngrößenverteilung erzielt werden kann. Durch
eine geeignete Auswahl des Stoffsystems des Schlickers kann während des
Thermalprozesses erreicht werden, dass die sich ausbildende Schicht keine
Porosität ausbildet, also weder eine offene noch eine geschlossene Porosität,
und die Beschichtung 6 somit keine Fehlstellen aufweist. Nach Ende dieses
Thermalprozesses kann die beschichtete Frontplatte 1 mit für optische An
wendungen geeigneten Bearbeitungsmaschinen poliert werden.
Ein erfindungsgemäßer Reflektor zeichnet sich durch mehrere Vorteile aus:
Verminderte Herstellungskosten: Verglichen beispielsweise mit der relativ komplizierten Frästechnik für die Reflektor-Rückseite, wie sie im Stand der Technik offenbart ist, ist das Aufbringen des C/SiC Schaumes einfach. Die monolithische Verbindung des Schaumes mit seiner Frontplatte geschieht auf einfache Weise während und zusammen mit der Si-Infiltration der Frontplatte.
Verminderte Herstellungskosten: Verglichen beispielsweise mit der relativ komplizierten Frästechnik für die Reflektor-Rückseite, wie sie im Stand der Technik offenbart ist, ist das Aufbringen des C/SiC Schaumes einfach. Die monolithische Verbindung des Schaumes mit seiner Frontplatte geschieht auf einfache Weise während und zusammen mit der Si-Infiltration der Frontplatte.
Die Erzielung eines extrem niedrigen Flächengewichtes von weniger als 15 Kg/m2,
insbesondere von weniger als 10 Kg/m2 ist möglich.
Aufgrund der monolithischen Struktur des gesamten Reflektors liegen keine un
terschiedlichen Materialschichten mit unterschiedlichen thermischen Eigen
schaften vor, d. h. es besteht nicht die Gefahr einer Ablösung verschiedener
Materialschichten voneinander oder einer Rissbildung aufgrund eines unter
schiedlichen Ausdehnungsverhaltens.
Bei Verwendung poröser oder auf sonstige Weise durchlässiger keramischer
Materialien wie einer Schaumstruktur 2 ergibt sich eine bessere Wärmeüber
tragung von der Frontplatte 1 in das keramische Material 2 bzw. an ein Tempe
riermedium (z. B. Luft oder Flüssigkeit), das dem keramischen Material 2 zu
dessen Durchströmung zugeführt werden kann. Soll Wärme, die beispielsweise
durch das Auftreffen hoher Strahlungsleistungen auf die Reflektor-Oberfläche in
die Reflektor-Frontplatte 1 eingebracht wird, abgeführt werden, so kann insbe
sondere eine aktive Kühlung, z. B. durch rückwärtig eingeblasene Luft oder ein
geführtes flüssiges Kühlmittel, erfolgen. Es ergibt sich dabei beispielsweise, dass
der Wärmeübergang auf durch eine Schaumstruktur 2 geblasene Luft 10 mal hö
her ist als bei einer Reflektorstruktur ohne Schaum oder vergleichbares poröses
Material. Dies ergibt sich, da die innere Oberfläche der Schaumstruktur 2 sehr
viel größer ist als die Oberfläche, die von Luft oder einem ähnlichen Kühlmittel
umströmt werden kann, wenn keine Schaumstruktur 2 oder ähnliche poröse
Struktur vorliegt.
Der "Quiltingeffekt" (= "Steppdeckeneffekt") wird vermieden: Der bereits be
schriebene Steppdeckeneffekt, der typisch für die herkömmlichen Strukturen mit
Stützrippen ist, kann, wie leicht einsichtig ist, insbesondere bei einer Ausbildung
des keramischen Materials als poröses Material, beispielsweise als Schaum
struktur, vermieden werden.
Der beschriebene vollkeramische C/SiC Leichtgewicht-Reflektor kann insbe
sondere als Element für optische Geräte, z. B. Teleskope oder ähnliches, bei
spielsweise in der Raumfahrttechnik, verwendet werden.
Claims (14)
1. Reflektor, beinhaltend ein keramisches Material (2) mit einem niedri
gen Flächengewicht, dadurch gekennzeichnet, dass das keramische Materi
al (2) auf eine erste Oberfläche (4) einer gemäß der Reflektorkontur vorge
formten keramischen Frontplatte (1) aufgebracht und mit der Frontplatte (1)
monolithisch verbunden ist.
2. Reflektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als kera
misches Material (2) ein poröses Material, insbesondere ein keramischer
Schaum, oder eine keramische Wabenstruktur vorgesehen ist.
3. Reflektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein
C/SiC-Schaum oder eine C/SiC-Wabenstruktur vorgesehen ist.
4. Reflektor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich
net, dass auf der ersten Oberfläche (4) der Frontplatte (1) Erhebungen
und/oder Vertiefungen (7) aus dem gleichen Material wie das der Frontplatte
(1) vorgesehen sind.
5. Reflektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass Rippen
strukturen oder Kanalstrukturen (7) vorgesehen sind.
6. Reflektor nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeich
net, dass ein Wärmeaustausch zwischen dem keramischen Material (2) und
einem Temperiermedium besteht.
7. Reflektor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeich
net, dass auf das keramische Material (2) eine Rückplatte (3) aufgebracht ist,
die aus dem glichen Material besteht, wie die Frontplatte (1) und dass die
Rückplatte (3) mit dem keramischen Material (2) monolithisch verbunden ist.
8. Reflektor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeich
net, dass eine schleifbare und polierbare Oberflächenbeschichtung (6) auf der
Frontplatte (1) aufgebracht ist und die Oberflächenbeschichtung mit der
Frontplatte (1) monolithisch verbunden ist.
9. Verfahren zur Herstellung eines Reflektors, dadurch gekennzeich
net, dass ein keramisches Material (2) mit niedrigem Flächengewicht auf eine
erste Oberfläche (4) einer gemäß der Reflektorkontur vorgeformte keramische
Frontplatte (1) aufgebracht wird und mit der Frontplatte (1) monolithisch ver
bunden wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass vor
dem Aufbringen des keramischen Materials (2) auf der ersten Oberfläche (4)
der Frontplatte (1) Erhebungen und/oder Vertiefungen (7) aus dem gleichen
Material wie das der Frontplatte (1) erzeugt werden.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 10, dadurch gekenn
zeichnet, dass auf das keramische Material (2) eine Rückplatte (3) aufge
bracht wird, die aus dem gleichen Material besteht, wie die Frontplatte (1) und
dass die Rückplatte (3) mit dem keramischen Material (2) monolithisch ver
bunden wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekenn
zeichnet, dass eine schleifbare und polierbare Oberflächenbeschichtung (6)
auf der Frontplatte (1) aufgebracht wird und die Oberflächenbeschichtung (6)
mit der Frontplatte (1) monolithisch verbunden wird.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekenn
zeichnet, dass zur Herstellung des keramischen Materials (2) eine polymere
Struktur mit einer Suspension aus einem keramischen Ausgangsmaterial, wel
ches Silizium enthält, überzogen wird und anschließend zur Erzeugung eines
keramischen Zwischenproduktes unter Luftabschluss pyrolysiert wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass nach
der Pyrolyse das keramische Zwischenprodukt mit Hilfe eines Klebers mit einer
Frontplatte (1) und/oder mit einer Rückplatte (3) aus einem keramischen,
Kohlenstoff enthaltendem Material verbunden wird und anschließend eine
Infiltration eines Siliziums enthaltenden Materials bei Temperaturen über
1350°C erfolgt.
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