DE102022118025A1

DE102022118025A1 - Heiß-Füge-Prozess zur Herstellung von komplexen Leichtgewichtsstrukturen

Info

Publication number: DE102022118025A1
Application number: DE102022118025.5A
Authority: DE
Inventors: Ralf Jedamzik; Clemens Kunisch; Hauke Esemann; Peter Daniel Hohmann; Martin Schäfer; Juergen Vogt; Rudolf Müller
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2022-07-19
Filing date: 2022-07-19
Publication date: 2024-01-25
Also published as: WO2024017936A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines glaskeramischen Verbundkörpers sowie einen glaskeramischen Verbundkörper hergestellt aus mindestens zwei Ausgangselementen. Bei dem Verfahren werden jeweils eine Oberfläche der mindestens zwei, aus dem Grünglas der Glaskeramik bestehenden Ausgangselemente unter Einwirkung von Druck flächig und direkt gegeneinandergepresst und bei einer Temperatur, bei der die Keramisierung der Glaskeramik stattfindet, derart verbunden, dass eine monolithische Verbindung der mindestens zwei Ausgangselemente erzeugt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines glaskeramischen Verbundkörpers sowie einen glaskeramischen Verbundkörper hergestellt aus mindestens zwei Ausgangselementen. Bei dem Verfahren werden jeweils eine Oberfläche der mindestens zwei, aus dem Grünglas der Glaskeramik bestehenden Ausgangselemente unter Einwirkung von Druck flächig und direkt gegeneinandergepresst und bei einer Temperatur, bei der die Keramisierung der Glaskeramik stattfindet, derart verbunden, dass eine monolithische Verbindung der mindestens zwei Ausgangselemente erzeugt wird.
Hintergrund der Erfindung
LAS Glaskeramiken werden in einem mehrstufigen Prozess hergestellt. Nach dem Schmelzen der Rohstoffe und dem Guss in eine Form wird das LAS Grünglas zuerst auf Raumtemperatur abgekühlt. Danach wird das Grünglas in einem anschließenden Keramisierungsprozess zur LAS Glaskeramik umgewandelt.
Es wurde bereits versucht, Teile von Glaskeramiken zu Verbundkomponenten zu verbinden. Die bisher dazu verwendeten Verfahren weisen jedoch insbesondere für Präzisionskomponenten, welche für Weltraumanwendungen vorgesehen sind, erhebliche Nachteile auf. Beispielsweise werden beim Fügen von Glaskeramikbauteilen Verbindungsmaterialien, wie Klebstoffe, Lote, verwendet, die schlechtere Eigenschaften, insbesondere keine oder eine schlechtere Nullausdehnung als die Glaskeramik aufweisen, so dass beim Erwärmen oder Abkühlen der Verbundkomponente Spannungen im Verbund entstehen und die Stabilität der Verbundkomponente verschlechtern.
Weitere traditionelle Verbindungstechniken, wie Ansprengen oder in LTB-Verfahren (Low-Temperature Bonding), stellen hohe Anforderungen an die Qualität der zu verbindenden Oberflächen, es sind geringe Spaltbreite von wenigen µm, d.h. weniger als 10 µm erforderlich und damit ein aufwändiges Polieren der zu verbindenden Oberflächen. Außerdem sind solche Techniken nicht auf große Komponenten, wie beispielsweise einem Durchmesser oder einer Kantenlänge von 3 oder 4 m.
DE102005036224 B4 beschreibt ein Verfahren zum Fügen von Grüngläsern von Glaskeramiken, allerdings werden sehr hohe Heizraten von > 5 K/min angewandt und es wird bei einer wesentlich höheren Temperatur gefügt und keramisiert.
Somit bestand die Aufgabe der Erfindung darin, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von Verbundkomponenten aus Nullausdehnungsglaskeramiken bereit zu stellen, mit welchem Verbundkomponenten mit hoher CTE Homogenität und hoher mechanischer Stabilität hergestellt werden können. Insbesondere soll das Verfahren auch das Herstellen großer Verbundkomponenten mit bspw. mehr als 0,5 oder 1,0m Durchmesser oder Kantenlänge ermöglichen.
Die vorstehende Aufgabe wird durch die Gegenstände der Patentansprüche gelöst. Die vorliegende Erfindung hat verschiedene Aspekte:

Insbesondere wird ein Verfahren zur Herstellung eines glaskeramischen Verbundkörpers mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten CTE im Bereich von beispielsweise 0 bis 50°C von höchstens 0 ± 0,1 × 10^-6/K bereitgestellt, umfassend die Schritte
- - Bereitstellen von mindestens zwei Ausgangselementen, welche aus dem Grünglas der Glaskeramik bestehen,
- - Anordnen der mindestens zwei Ausgangselemente und in Kontakt bringen der zu verbindenden Oberflächen der Ausgangselemente,
- - flächiges Gegeneinanderpressen der zu verbindenden Oberflächen der mindestens zwei Ausgangselemente unter Einwirkung von Druck (P),
- - gegebenenfalls gezielte geometrische Verformung mindestens eines Ausgangselements bei einer Temperatur zwischen T_g und T_g + T_S durch Senken in eine Zielform,
- - Erzeugen einer monolithischen Verbindung der mindestens zwei Ausgangselemente durch Erwärmen unter Einwirkung von Druck (P) der gegeneinander gepressten Ausgangselemente auf eine Temperatur T_K, bei der die Keramisierung des Grünglases zur Glaskeramik stattfindet.

Unter dem Begriff „Druck“ wird erfindungsgemäß eine auf eine Fläche einwirkende Kraft verstanden, insbesondere eine auf die zu verbindenden Oberflächen bzw. Verbindungsstellen wirkende Kraft. Eine solche Kraft kann erfindungsgemäß (a) durch das Eigengewicht eines obenliegenden Ausgangselements einen Druck auf die Verbindungsstellen erzeugen oder (b) durch ein oder mehrere auf einem obenliegenden Ausgangselement liegende Zusatzgewichte einen Druck auf die Verbindungsstellen erzeugen oder (c) durch ein Anlegen von Vakuum eine Zugkraft auf die Ausgangselemente bewirken und so einen Druck auf Verbindungsstellen erzeugen oder (d) eine Kombination von einem oder mehreren der vorstehend genannten Varianten (a) bis (c) sein.
Gemäß eines weiteren Aspekts der Erfindung wird ein monolithischer Verbundkörper bereitgestellt, welcher einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten CTE im Bereich von beispielsweise 0 bis 50°C von höchstens 0 ± 0,1 × 10^-6/K aufweist, und welcher durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8 herstellbar ist.
Mindestens zwei Ausgangselemente, vorzugsweise alle Ausgangselemente, bestehen aus dem Grünglas einer nulldehnendenden Glaskeramik, d.h. die aus dem Grünglas durch Keramisierung entstehende Glaskeramik weist einen mittleren thermischen Ausdehnungskoeffizienten CTE (Coefficient of Thermal Expansion) bzw. α im Bereich von beispielsweise 0 bis 50°C von höchstens 0 ± 0,1 × 10^-6/K auf. Manche vorteilhaften Varianten weisen sogar einen mittleren CTE im Bereich von beispielsweise 0 bis 50°C von höchstens 0 ± 0,05 × 10^- ⁶/K oder von höchstens 0 ± 0,02 × 10^-6/K auf. Für bestimmte Anwendungen kann es vorteilhaft sein, wenn der mittlere CTE in einem größeren, kleineren oder anderen Temperaturbereich, z.B. im Bereich von 18 bis 25 °C, im Bereich von -30°C bis +70°C, im Bereich von - 40°C bis +80°C höchstens 0 ± 0,1 × 10^-6/K beträgt, d.h. eine Nulldehnung vorliegt. Der thermische Ausdehnungskoeffizient ist vorzugsweise im Bereich der Anwendungstemperatur optimiert.
Vorzugsweise weisen mindestens zwei, mehr bevorzugt alle Ausgangselemente den gleichen CTE auf. Gemäß einer Variante stammen vorzugsweise mehr als 50%, mehr bevorzugt mehr als 90%, gemäß bestimmter Varianten der Erfindung alle Ausgangselemente aus einer Charge. Charge bedeutet in diesem Zusammenhang, dass sie aus dem gleichen Guss stammen und gemäß einer Variante der Erfindung vorzugsweise aus dem gleichen Grünglasblock geschnitten wurden. Dadurch kann in der resultierenden Verbundkomponente eine CTE (thermischer Ausdehnungskoeffizient) Homogenität auf 4 m Größe von bis zu 10 ppb/K peak to valley erreicht werden.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung bestehen mindestens zwei Ausgangselemente, vorzugsweise alle Ausgangselemente aus dem Grünglas einer Glaskeramik, welche eine hohe CTE-Homogenität aufweist. Dabei wird unter dem Wert der CTE-Homogenität (Englisch: „total spatial variation of CTE“) der sogenannte peak-to-valley-Wert verstanden, d.h. die Differenz zwischen dem jeweils höchsten und dem jeweils niedrigsten CTE-Werts entnommenen Proben.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung bestehen mindestens zwei Ausgangselemente, vorzugsweise alle Ausgangselemente aus dem Grünglas einer Glaskeramik, welche eine thermische Hysterese von < 0,1 ppm mindestens im Temperaturbereich von 10°C bis 35 °C aufweist. Somit zeigt bei einer beliebigen Temperatur innerhalb des Temperaturintervalls von 10°C bis 35° die Glaskeramik, nachdem sie einer Temperaturänderung unterzogen wurde, bei anschließender konstanter Temperatur eine isotherme Längenänderung von weniger als 0,1 ppm. In vorteilhaften Ausführungen liegt diese Hysterese-Freiheit mindestens in einem Temperaturbereich von 5 bis 35°C, vorzugsweise mindestens im Temperaturbereich von 5 bis 45°C, vorzugsweise mindestens im Temperaturbereich von > 0°C bis 45°C, bevorzugt mindestens im Temperaturbereich von -5°C bis 50°C vor. Besonders bevorzugt ist der Temperaturbereich der Hysterese-Freiheit noch breiter. Bevorzugte Anwendungstemperaturen liegen im Bereich -60 bis 100°C, mehr bevorzugt von -40°C bis +80°C. Besondere Varianten der vorliegenden Erfindung betreffen Glaskeramiken und Präzisionskomponenten für Anwendungstemperaturen T_A beispielsweise im Bereich 5°C bis 20°C oder T_A von 22°C, 40°C, 60°C, 80°C und 100°C, welche vorzugsweise auch bei diesen Temperaturen hysteresefrei sind.
So können die Ausgangselemente ein Lithium-Aluminium-Silicat-Glas (LAS-Glas) gefertigt sein, welches wie auch die aus einem solchen LAS-Glas hervorgehende LAS-Glaskeramik die folgende Zusammensetzung in Gew.-% auf Oxidbasis aufweist:

SiO₂ 50-70

Al₂O₃ 15-32

P₂O₅ 3-12

Li₂O 2-5

Na₂O 0-2

K₂O 0-2

MgO 0-2

CaO 0-4

BaO 0-5

SrO 0-2

ZnO 0-4

TiO₂ 1-5

ZrO₂ 0-5
Das Glas bzw. Glaskeramik enthält vorzugsweise einen Anteil an SiO₂ von 50 bis 70 Gew.- %. Der Anteil an SiO₂ beträgt mehr bevorzugt höchstens 62 Gew.-%, weiter bevorzugt höchstens 60 Gew.-%. Mehr bevorzugt beträgt der Anteil an SiO₂ mindestens 52 Gew.-%, weiter bevorzugt mindestens 54 Gew.-%.
Der Anteil an Al₂O₃ beträgt vorzugsweise von 17 bis 32 Gew.-%. Mehr bevorzugt enthält das Glas bzw. die Glaskeramik mindestens 20 Gew.-%, weiter bevorzugt mindestens 22 Gew.-% Al₂O₃. Der Anteil an Al₂O₃ beträgt mehr bevorzugt höchstens 30 Gew.-%, mehr bevorzugt höchstens 28 Gew.-%.
Der Phosphatgehalt P₂O₅ des Glases bzw. der Glaskeramik beträgt vorzugsweise 3 bis 12 Gew.-%. Mehr bevorzugt enthält das Glas bzw. die Glaskeramik mindestens 4 Gew.-%, weiter bevorzugt mindestens 5 Gew.-% P₂O₅. Der Anteil an P₂O₅ ist vorzugsweise auf höchstens 10 Gew.-%, mehr bevorzugt auf höchstens 8 Gew.-% beschränkt.
Vorzugsweise enthält das Glas bzw. die Glaskeramik ferner TiO₂ in einem Anteil von 1 bis 5 Gew.-%, vorzugsweise sind mindestens 1,5 Gew.-% TiO₂ enthalten. Der Anteil ist jedoch vorzugsweise auf höchstens 4 Gew.-%, mehr bevorzugt auf höchstens 3 Gew.-% beschränkt.
Das Glas bzw. die Glaskeramik kann ferner ZrO₂ in einem Anteil von höchstens 5 Gew.-%, vorzugsweise höchstens 4 Gew.-% enthalten. Vorzugsweise ist ZrO₂ in einem Anteil von mindestens 0,5 Gew.-%, mehr bevorzugt mindestens 1 Gew.-% enthalten.
Des Weiteren kann das Glas bzw. die Glaskeramik Alkalimetalloxide, wie Li₂O, Na₂O und K₂O enthalten. Li₂O ist vorzugsweise in einem Anteil von mindestens 2 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 3 Gew.-% enthalten. Der Anteil an Li₂O ist auf vorzugsweise höchstens 5 Gew.-%, mehr bevorzugt höchstens 4 Gew.-% beschränkt. Na₂O und K₂O sind optional im Glas bzw. in der Glaskeramik enthalten. Der Anteil an Na₂O und/oder K₂O kann jeweils und voneinander unabhängig auf höchstens 2 Gew.-%, vorzugsweise höchstens 1 Gew.- %, am meisten bevorzugt höchstens 0,5 Gew.-% betragen. Na₂O und K₂O jeweils können und voneinander unabhängig in einem Anteil von mindestens 0,01 Gew.-%, vorzugsweise mindestens 0,02 Gew.-%, mehr bevorzugt mindestens 0,05 Gew.-%, in der Glaskeramik enthalten.
Das Glas bzw. die Glaskeramik kann ferner Erdalkalimetalloxide, wie MgO, CaO, BaO und/oder SrO, sowie weitere zweiwertige Metalle wie ZnO enthalten. Der Anteil an CaO beträgt vorzugsweise höchstens 4 Gew.-%, weiter bevorzugt höchstens 3 Gew.-%, mehr bevorzugt höchstens 2 Gew.-%. Vorzugsweise enthält das Glas bzw. die Glaskeramik mindestens 0,1 Gew.-%, mehr bevorzugt mindestens 0,5 Gew.-% CaO. MgO kann im Glas bzw. in der Glaskeramik in einem Anteil von höchstens 2 Gew.-%, vorzugsweise höchstens 1,5 Gew.-% und/oder vorzugsweise mindestens 0,1 Gew.-% enthalten sein. Das Glas bzw. die Glaskeramik können BaO in einem Anteil von weniger als 5 Gew.-%, vorzugsweise höchstens 4 Gew.-% und/oder vorzugsweise mindestens 0,1 Gew.-% enthalten. Gemäß einzelnen Ausführungsformen ist das Glas bzw. die Glaskeramik BaO-frei. Das Glas bzw. die Glaskeramik können SrO in einem Anteil von höchstens als 2 Gew.-% und/oder vorzugsweise mindestens 0,1 Gew.-% enthalten. Gemäß einzelnen Ausführungsformen sind das Glas bzw. die Glaskeramik SrO-frei. Als weiteres Metalloxid enthält das Glas bzw. die Glaskeramik vorzugsweise ZnO in einem Anteil von vorzugsweise mindestens 1 Gew.-%, mehr bevorzugt mindestens 1,5 Gew.-%. Der Anteil an ZnO ist auf höchstens 4, vorzugsweise höchstens 3 Gew.-% beschränkt.
Das Glas bzw. die Glaskeramik kann ferner ein oder mehrere übliche Läutermittel, wie As₂O₃, Sb₂O₃, SnO, SO₄ ^2-, F^-, Cl^-, Br, oder ein Gemisch derselben in einen Anteil von höchstens 1 Gew.-% enthalten.
In diesem System sind transparente Glaskeramiken mit niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten bekannt und Handelsprodukte wie Zerodur®, Zerodur® M (beide SCHOTT AG) und Clearceram® (Ohara) können beispielhaft genannt werden. Solche Glaskeramiken mit geringer thermischer Ausdehnung sind beispielsweise in US 4,851,372 , US 5,591,682 , EP 587979 A , US 7,226,881 , US 7,645,714 , DE 102004008824 A , DE 102018111144 A , DE 102022105929 A , DE 102022105930 A beschrieben.
Diese Glaskeramiken enthalten üblicherweise als Hauptkristallphase etwa 50 bis 80% hoch-Quarz-haltige Mischkristalle, welche auch β-Eukryptit-Mischkristalle genannt werden. Bei diesem Kristallisationsprodukt handelt es sich um eine metastabile Phase, die in Abhängigkeit von den Kristallisationsbedingungen ihre Zusammensetzung und/oder Struktur verändert bzw. sich in eine andere Kristallphase umwandelt. Die hoch-Quarz-haltigen Mischkristalle weisen eine sehr niedrigen oder sogar bei steigender Temperatur absinkende thermische Ausdehnung auf.
Die Ausgangselemente können im entstehenden Verbundkörper unterschiedliche Funktionen haben. Insbesondere kann zwischen Funktionselementen und Versteifungselementen unterschieden werden.
Ein Versteifungselement kann dabei als Leichtgewichtstruktur-Bauteil verstanden werden, das dazu geeignet und bestimmt ist, mit einem Funktionselement, wie etwa einem Spiegelträger oder einem rückseitigen Deckel bzw. einer Abdeckplatte verbunden zu werden, und nach der Verbindung dieses zu tragen und zu stabilisieren, um das Risiko einer Verformung des Funktionselements, wie insbesondere eines Spiegels während des Betriebs verringern zu können.
Ein Versteifungselement weist mindestens eine, bevorzugt aber viele Kavitäten auf. Diese Kavitäten sorgen für eine Gewichtsreduktion des Versteifungselements. Je geringer die Wandstärken der Stege des Versteifungselements sind und/oder je größer dessen Kavitäten ausgebildet sind, desto geringer ist das Gewicht des Versteifungselements. In einer Ausführungsform kann die gemittelte Dichte des Versteifungselements kleiner als 0,3 g/cm³ oder sogar kleiner als 0,25 g/cm³ betragen. Die gemittelte Dichte ergibt sich aus dem Verhältnis des Gewichts des Versteifungselements durch das durch die äußeren Abmessungen definierten Volumens des Versteifungselements. Der Volumenanteil der Kavitäten des Versteifungselements kann mindestens 85% betragen.
Die Kavitäten können bspw. kreisförmig, oval, eckig, dreieckig, viereckig, sechseckig, achteckig geformt sein, oder eine andre polygonale Form aufweisen. Die Kavitäten können zumindest in einem oder mehreren Innenbereichen des Versteifungselements dieselbe Form und/oder Abmessung aufweisen. Es sind jedoch auch Kombinationen unterschiedlicher Formen möglich, bspw. eine Struktur aus wabenförmigen und kreisförmigen Kavitäten. Das Versteifungselement kann ferner eine Struktur aus Kavitäten mit gleichen und ungleichen Abmessungen aufweisen. Denkbar ist bspw. eine Struktur aus kreisförmigen Kavitäten mit unterschiedlichen Durchmessern, sodass kleinere Kavitäten zwischen größeren Kavitäten angeordnet sind, um eine möglichst hohe Gewichtsreduzierung bei gleichbleibender optimaler Stabilisierung zu erreichen. Das Versteifungselement kann jedoch auch eine regelmäßige Struktur der Kavitäten bzw. sich wiederholend angeordnete Kavitäten aufweisen.
In einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Versteifungselement mindestens zwei Oberflächen aufweist, welche gegenüberliegend angeordnet sind, wobei mindestens eine, bevorzugt beide von Kavitäten durchbrochen sein können.
Mindestens ein erstes, und vorzugsweise auch ein zweites Funktionselement werden zur Verbindung mit dem Versteifungselement bereitgestellt.
Ein Funktionselement ist gemäß einer Ausführungsform der Erfindung platten- oder scheibenförmig ausgebildet. Das Funktionselement kann beispielsweise ein Spiegelträger oder ein rückseitiger Deckel bzw. Abdeckplatte sein.
Das zweite Funktionselement kann vorzugsweise als rückseitiger Deckel bzw. Abdeckplatte beispielsweise zu einer weiteren Erhöhung der Steifigkeit ausgebildet sein. In diesem Fall kann das zweite Funktionselement und/oder die Außenwandung des Versteifungselements Ausnehmungen, bspw. in Form von Löchern, insbesondere Entlüftungslöcher aufweisen. Derartige Entlüftungslöcher können dem stofflichen Austausch der Kavitäten des Versteifungselements mit der Umgebung dienen. Zu nennen ist in diesem Zusammenhang der Druckausgleich, da sich in den Kavitäten Gase befinden können, die durch thermische Veränderungen Volumenänderungen erfahren können und dadurch ggf. Deformationen am darüber angeordneten ersten Funktionselement verursachen könnten. Ein solches Risiko ist durch Ausnehmungen im zweiten Funktionselement deutlich reduziert. Des Weiteren kann gemäß einer Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens durch solche Öffnungen bei Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein Vakuum angelegt werden und so die Verbindungsflächen des ersten Funktionselements und/oder des zweiten Funktionselements durch Unterdruck an die Verbindungsflächen des Versteifungselements gepresst werden.
Das erste und/oder das zweite Funktionselement können zur Verbindung mit jeweils einer Oberfläche des Versteifungselements vorgesehen sein, sodass das erste Funktionselement auf oder über einer Oberfläche des Versteifungselements angeordnet wird und das zweite Funktionselement könnte auf bzw. über der gegenüberliegend angeordneten Oberfläche des Versteifungselements angeordnet werden. Auf diese Weise kann eine Sandwich-Struktur realisiert werden, bei der das Versteifungselement zwischen dem ersten und dem zweiten Funktionselement angeordnet werden kann, um einen besonders stabilen und robusten Verbundkörper zu erhalten.
Die Funktionselemente können die Oberfläche des Versteifungselements partiell oder vollständig abdecken. Vorzugsweise ist jedoch die Oberfläche des ersten, und insbesondere auch zweiten Funktionselements komplementär zu Oberfläche des Versteifungselements ausgebildet, sodass die Oberfläche/n des Versteifungselements vollständig vom ersten und/oder zweiten Funktionselement abgedeckt werden. Gemäß einer weiteren Variante der Erfindung kann das erste und/oder das zweite Funktionselement einen größeren Durchmesser als das Versteifungselement aufweisen.
Gemäß einer Variante der Erfindung ist es bevorzugt, dass Versteifungselemente mindestens am Rand der Verbundkomponente einen um mindestens 20%, vorzugsweise mindestens 50%, gemäß besonderer Ausführungsformen 100% oder mehr erhöhten Querschnitt bzw. Dicke aufweisen, um während des Füge- und ggf. Senkprozesses eine bessere Stabilität zu gewährleisten. Solche dickeren Versteifungselemente können zur Verminderung des Gesamtgewichts der Verbundkomponenten bei der nachträglichen Bearbeitung abrundiert werden.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung weist mindestens ein Ausgangselement einen Durchmesser und/oder eine Kantenlänge von mindestens 0,5 m, vorzugsweise mindestens 1 m, weiter bevorzugt mindestens 2 m und mehr bevorzugt mindestens 3 m auf.
Für das erfindungsgemäße Verfahren werden Ausgangselemente aus einem Grünglas einer Glaskeramik bereitgestellt. Das Grünglas liegt üblicherweise als ein gegossener Bock oder Barren vor. Aus einem solchen Block oder Barren werden die Ausgangselemente werden durch beispielsweise durch Schneiden und/oder CNC-Bearbeitung und/oder Wasserstrahlschneiden in den erforderlichen Abmessungen herausgearbeitet.
Optional kann bei einem oder mehreren Ausgangselementen eine Leichtgewichtsbearbeitung erfolgen. Insbesondere können hierfür Kavitäten bzw. Ausnehmungen in einem Ausgangselement erzeugt werden, wobei dabei zwischen Sacklöchern und Durchgangsöffnungen bzw. -löchern unterschieden werden kann. Solche Kavitäten können ebenfalls durch Bearbeitung mittels einer CNC-Maschine oder einer anderen materialabtragenden bzw. materialdurchbrechenden Technik in einem Ausgangselement erzeugt werden. Gemäß einer Variante der Erfindung werden insbesondere Durchgangsöffnungen vorzugsweise durch Wasserstrahlschneiden erzeugt. Insbesondere Wasserstrahlschneiden ermöglicht es, Kavitäten herzustellen, welche besonderes geringe Wandstärken der Stege bzw. Innenwandungen aufweisen, beispielsweise höchstens 5 mm, vorzugsweise höchstens 2,5 mm und/oder mindestens 0,5 mm, mehr bevorzugt mindestens 1 mm. Gemäß bestimmter Varianten können die Stege bei kleineren Spiegeln von weniger als 0,5 m auch nur eine Stegbreite von mindestens 0,2 mm und/oder höchstens 0,5 mm aufweisen.
Gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahren müssen die zu verbindenden Oberflächen der Ausgangselemente keine hochwertige Politur aufweisen. Die zu verschmelzenden Oberflächen der Ausgangselemente können beispielsweise durch ein Läpp-Verfahren bearbeitet werden, welches beispielsweise durch eine CNC-Maschine ausgeführt wird. Dabei wird kann eine Ebenheit von höchstens 500 µm, mehr bevorzugt höchstens 250 µm, und mindestens 100 µm auf. Solche Ebenheiten können auf Oberfläche mit einem Durchmesser bzw. einer Kantenlänge von beispielsweise < 50 cm, 1 m, 2 m, 3 m bis zu 5 m erreicht werden.
Gemäß dieser Ausführungsform weisen die zu verbindenden Oberflächen der Ausgangselemente ferner vorzugsweise eine Rauheit von höchstens 0,1 µm Ra, mehr bevorzugt 0,06 µm Ra auf.
Gemäß einer weiteren Variante der Erfindung sind Oberflächen mit größerer Ebenheit und geringerer Rauigkeit bevorzugt und mindestens eine der Oberflächen der Ausgangselemente wird einem Feinschleifprozess und/oder Polierprozess unterzogen, um die Ebenheit auf einen Wert kleiner 100 µm, vorzugsweise kleiner 50 µm, weiter bevorzugt kleiner 20 µm einzustellen.
Gemäß dieser Ausführungsform weisen die zu verbindenden Oberflächen der Ausgangselemente ferner vorzugsweise eine Rauheit von höchstens 0,03 µm Ra, mehr bevorzugt 0,02 µm Ra auf.
Erfindungsgemäß ist in der Regel nach dem Läppen, Schleifen und/oder Polieren keine besondere Reinigung der Ausgangselemente erforderlich, eine Reinigung mit Lösungsmitteln wie Wasser oder Isopropanol ist ausreichend. Gemäß einer Variante der Erfindung kann die Oberfläche beispielsweise durch Abblasen mit ionisierter Luft entionisiert werden, um ggf. auf den Oberflächen vorhandene Ladungen zu entfernen.
Die vorbereiteten Ausgangselemente werden in einem Ofen so zur Grünglasstruktur angeordnet, dass sie nach dem Fügen und ggf. Senken in der angestrebten Verbundkomponente resultieren. Ggf. werden Zusatzgewichte auf der Grünglasstruktur und/oder eine Einrichtung zum Anlegen von Vakuum positioniert.
Anschließend wird Temperatur im Ofen wird mit einer Heizrate von höchstens 10 K/h, vorzugsweise höchstens 5 K/h, und/oder mindestens 1K/h mehr bevorzugt mindestens 3 K/h, auf die angestrebte Temperatur T_F erhöht.
T_F liegt bei oder oberhalb der Übergangstemperatur T_g des Grünglases der Glaskeramik, d.h. der Temperatur, bei der das Grünglas eine Viskosität von ca. 10¹³ dPas aufweist und bei einer Temperatur T_K, innerhalb dessen Kristallkeimbildung sowie Kristallwachstum in der Glaskeramik erfolgen. T_F liegt jedoch unterhalb einer Temperatur, bei der das Grünglas der Glaskeramik eine Viskosität von 10⁹ dPas aufweist. Die Temperatur T_K wird so lange gehalten, bis die Keramisierung der Glaskeramik zum gewünschten Grad abgeschlossen ist. Die Temperatur T_K und die Dauer der Haltezeit auf T_K sind abhängig von der Zusammensetzung der Glaskeramik und kann von einer Fachperson geeignet ausgewählt werden.
Beim Erwärmen und Halten des Grünglases der Glaskeramik findet im Glas zunächst eine Kristallkeimbildung und anschließend ein Wachstum der Kristallkeime statt. Dieses Kristallwachstum ist der Grund dafür, dass eine monolithische Verbindung zwischen zwei Verbindungsflächen vorzugsweise unter Einwirkung von Druck (P) entstehen kann. Die vorhandene aber noch geringe Viskosität des Materials bei der Temperatur T_K sorgt dafür, dass sich das Material unter Einwirkung von Druck (P) an eventuelle Unebenheiten anlegen kann, während durch die Keramisierung und das Kristallwachstum die Verbindungsreaktion stattfindet.
Optional können während des Fügens ein oder mehrere Zusatzgewichte und/ oder eine oder mehrere Einrichtungen beim Anlegen eines Vakuums auf oder an der Grünglasstruktur angeordnet werden. Zur Unterstützung des Fügeprozesses kann es vorteilhaft sein, dass die zu verbindenden Oberflächen mittels eines Drucks P zusammengepresst werden. Eine solche Druckkraft sollte stets im Wesentlichen senkrecht zu den Fügeflächen wirken. Bereits das Eigengewicht eines auf einem Ausgangselement liegenden weiteren Ausgangselements kann eine ausreichende Druckkraft auf die zu verbindenden Oberflächen der Ausgangselemente ausüben.
Gemäß einer Ausführungsform wird zusätzlich mindestens ein Zusatzgewicht auf dem obersten Ausgangselement angeordnet, um so die Druckkraft auf die zu verbindenden Oberflächen während des Fügens und ggf. Senkens zu verstärken. Dies ist insbesondere an den Stellen vorteilhaft, an denen die Zugkraft des Vakuums nicht oder nicht richtig wirken kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird zur Unterstützung des Fügens und ggf. Senkens wie in 1b schematisch gezeigt ein Vakuum an der Grünglasstruktur angelegt. Vorzugsweise weisen dazu die Unterseite der Grünglasstruktur sowie die Auflagefläche der Glasstruktur mindestens eine vorzugsweise mehrere Ausnehmungen auf, durch die ein Vakuum im Inneren der Grünglasstruktur angelegt werden kann und dadurch eine Zugkraft (P) an den Verbindungsstellen der Grünglasstruktur einwirken kann. Vorzugsweise wird die Grünglasstruktur erst auf oder über die Temperatur T_g erhöht und das Vakuums erst dann an der Grünglasstruktur angelegt, wenn das Grünglas zu Erweichen beginnt und damit eine vakuumdichte Verbindung zwischen den Ausgangselementen erzeugt werden kann. Erfindungsgemäß wird eine vollflächige Verbindung der Verbindungsstellen der Ausgangselemente angestrebt. Besonders kritisch ist eine vollflächige Verbindung an den Außenseiten der Verbundkomponente. Gemäß einer Variante der Erfindung können daher zusätzlich zum Anlagen eines Vakuums zumindest über den Außenseiten der Grünglaselemente Gewichte aufgelegt sein, um eine vollflächige Verbindung an den Außenseiten der Verbundkomponente zu unterstützen.
Die gerichtete Zug- oder Druckkraft P, welche auf diese Weise optional durch aufliegende Gewichte und/oder das Anlegen von Vakuum erzeugt wird, ist somit höher, als der durch das Eigengewicht des Funktionselements verursachte Druck und bevorzugt 0,1 MPa, mindestens bevorzugt etwa 0.02 MPa. Durch diesen Druck P innerhalb des zuvor angegebenen Temperaturbereichs kann eine Verformung bzw. Deformation eines Funktionselements 2, 3, vorzugsweise kleiner als 0,6 mm, beispielsweise zwischen 0,1 mm und 0,4 mm präzise eingestellt werden. Hierdurch werden charakteristische Wölbungen 15 (Siehe 7) an der Oberfläche 4 des Funktionselements 2, 3 erzeugt, die sich insbesondere zwischen den Innenwandungen 13 und/oder zwischen den Innenwandungen 13 und mindestens einer Außenwandung 14 durch den Druck P und eine durch die im zuvor genannten Temperaturbereich stattfinden Erweichung des glasigen Materials.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann weiterhin den Verfahrensschritt des Senkens der Grünglasstruktur von Ausgangselementen umfassen, d.h. den Schritt der gezielten geometrischen Verformung mindestens eines Ausgangselements durch Senken in eine Zielform.
Während gemäß vorstehend beschriebener Ausführungsformen ohne den Schritt des Senkens die Form der Ausgangselemente während des Verbindens und Keramisierens im Wesentlichen unverändert in die Verbundkomponente überführt werden, wird durch den Verfahrensschritt des Senkens eine gezielte geometrische Veränderung wenigstens eines Ausgangselements, vorzugsweise der Grünglasstruktur insgesamt bewirkt. Beispielsweise kann eine ebene Platte oder Grünglasstruktur in eine konkav oder konvex gewölbte Form überführt werden. Das Ausmaß des Senkens kann durch den sogenannten Hub bzw. die Pfeilhöhe bestimmt werden. Unter der Pfeilhöhe wird dabei der Abstand zwischen der durch eine auf die Spiegeloberfläche aufgesetzte Ringschneide definierten Ebene und der Höhe der Spiegelfläche in der Mitte der Ringschneide gemessen. Erfindungsgemäß wird ein Grünglaskörper nur zu einem geringen Ausmaß gesenkt, insbesondere um einen Faktor Durchmesser des Spiegels zur Pfeilhöhe von mindestens 0,01%, mehr bevorzugt von mindestens 0,02%, und oder vorzugsweise von höchstens 3%, mehr bevorzugt höchstens 2%, gemäß besonderer Varianten der Erfindung bis zu 7%. Die entspricht beispielsweise einem Hub bzw. einer Pfeilhöhe von 0,1 bis 15 mm bei einem Spiegel mit einem Durchmesser von 400 bis 500 mm.
Vorzugsweise findet durch das Senken im Wesentlichen jedoch keine wesentliche Veränderung der Geometrie von Versteifungselemtenten statt.
Der Verfahrensschritt des Senkens findet im Wesentlichen vor der Keramisierung der Glaskeramik statt. Gemäß dieser Variante der Erfindung wird daher Für den Verfahrensschritt des Senkens wird die Grünglasstruktur vorzugsweise zunächst nur auf eine Temperatur von T_g bis T_g + T_S erhitzt, wobei vorzugsweise gilt T_g + T_S < T_K, und dort gehalten, bis die Grünglasstruktur in die gewünschte Endform gesenkt ist. Dabei handelt es sich bei der Temperatur T_g + T_S um eine Temperatur, bei der im Wesentlichen noch keine Kristallkeimbildung und/oder Kristallwachstum erfolgt. Ferner ist es bevorzugt, das Aufheizen der Grünglasstruktur so zu steuern, dass ein ausreichend großes Prozessfenster für das Senken zur Verfügung steht, indem die Grünglasstruktur vorzugsweise relativ schnell aufzuheizen, beispielsweise mit einer Heizrate von höchstens 10 K/h, vorzugsweise höchstens 5 K/h. Insbesondere sollte der Anteil der Kristallphase während des Senkens der Grünglasstruktur vorzugsweise höchstens 30%, mehr bevorzugt höchstens 20%, am meisten bevorzugt höchstens 10% oder sogar höchstens 1% betragen.
Ebenso wie der Verfahrensschritt des Fügens, kann der Verfahrensschritt des Senkens durch einen auf das zu senkende Ausgangselement ausgeübten Drucks P unterstützt werden. Der Druck P kann durch Auflegen eines oder mehrerer Gewichte und/oder Anlegen von Vakuum auf das zu senkende Ausgangselement erhöht werden. Ein solches Vakuum wird vorzugsweise erst bei Erreichen der Senktemperatur angelegt und vorzugsweise nach Vollendung des Senkprozesses wieder aufgehoben, damit keine weitere Verformung der Struktur erfolgt.
Nachdem Abschluss des Senkens wird die gesenkte Grünglasstruktur vorzugsweise wie vorstehend beschrieben auf die Keramisierungstemperatur T_K weiter erhitzt und die Grünglasstruktur im gleichen Ofenprozess zur Verbundkomponente gefügt und keramisiert.
Gemäß einer Variante der vorliegenden Erfindung weist die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Verbundkomponente eine hohe CTE-Homogenität auf. Dabei wird unter dem Wert der CTE-Homogenität (Englisch: „total spatial variation of CTE“) der sogenannte peak-to-valley-Wert verstanden, d.h. die Differenz zwischen dem jeweils höchsten und dem jeweils niedrigsten CTE-Werts der Einzelkomponenten.
Die erfindungsgemäße Verbundkomponente weist eine bis zum Rand formschlüssige Verbindung der keramisierten Ausgangselemente auf. Als Maß für eine formschlüssige Verbindung kann der Verlust kann der Verlust der Reintransmission des Verbundkörpers gegenüber einem Körper der Bulkkeramik der gleichen Dicke dienen. Vorzugsweise beträgt der Verlust der Reintransmission weniger als 0,32.
Die erfindungsgemäße Verbundkomponente weist auf nahezu allen Auflagefläche, insbesondere mindestens 90%, vorzugsweise mindestens 95% der Auflagefläche Kontakt auf.
Die gemessenen Spannungen insgesamt und damit auch insbesondere in den Verbindungsbereichen der Elemente des Verbundkörpers liegen vorzugsweise bei höchstens 12 nm/cm liegen, mehr bevorzugt bei höchstens 10 nm/cm.
Der erfindungsgemäße Verbundkörper weist gemäß einer Variante der Erfindung eine geringe gemittelte Dichte auf. ist in einer Ausführungsform ohne Beschränkung auf das gezeigte Beispiel die gemittelte Dichte des Versteifungselements kleiner als 0,3 g/cm³ oder sogar kleiner als 0,25 g/cm³. Die gemittelte Dichte ergibt sich aus dem Verhältnis des Gewichts des Versteifungselements durch das durch die äußeren Abmessungen definierten Volumens des Versteifungselements. Für den Verbundkörper, der aufgrund der massiven Funktionselemente eine etwas höhere Dichte aufweist, gilt vorzugsweise, dass die gemittelte Dichte des Verbundkörpers immer noch geringer als 0,5 g/cm³ ist. Der Volumenanteil der Kavitäten beträgt mindestens 80 %.
Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Verbundkomponenten werden vorzugsweise als Präzisionskomponente verwendet, welche ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus astronomischen Spiegeln und Spiegelträgern für segmentierte oder monolithische astronomische Teleskope; gewichterleichterten oder ultraleichten Spiegelsubstraten für beispielsweise weltraumgestützte Teleskope; hochpräzisen Strukturbauteilen für Entfernungsmessung z.B. im Weltraum; Optiken zur Erdbeobachtung; Präzisionsbauteilen, wie Standards für die Präzisionsmesstechnik, Präzisionsmaßstäbe, Referenzplatten in Interferometern; mechanischen Präzisionsteilen, z.B. für Ringlaser-Gyroskope, Spiralfedern für die Uhrenindustrie; Spiegeln und Prismen in der LCD-Lithographie; Maskenhaltern, Wafertischen, Referenzplatten, Referenzrahmen und Gitterplatten in der Mikrolithographie und in der EUV (extrem UV)-Mikrolithographie, bei der eine reflektive Optik zum Einsatz kommt; Spiegeln und/oder Photomaskensubstraten bzw. Reticle-Maskblanks bzw. Maskblanks in der EUV-Mikrolithographie; und Komponenten für die Metrologie oder Spektroskopie.
Die Figuren zeigen:

1 Schematische Abbildungen von ersten und zweiten Funktionselementen mit einem Versteifungselement (1a), das erfindungsgemäße Verfahren mit einer Grünglasstruktur (1.b), sowie einen erfindungsgemäßen Verbundkörper (1c) gemäß einer Variante der Erfindung.
2 Verfahren zur Herstellung eines glaskeramischen Verbundkörpers mithilfe eines Zusatzgewichts mit einer Grundfläche ähnlich der Grundfläche des Versteifungselements.
3 Verfahren zur Herstellung eines glaskeramischen Verbundkörpers mithilfe eines Zusatzgewichts mit einer Grundfläche ähnlich der Grundfläche des Versteifungselements mit verstärkter Außenwandung.
4 Verfahren zur Herstellung eines glaskeramischen Verbundkörpers mithilfe eines Zusatzgewichts mit einer vergrößerten Grundfläche gegenüber der Grundfläche des Versteifungselements mit verstärkter Außenwandung.
5 Verfahren zur Herstellung eines glaskeramischen Verbundkörpers mithilfe mehrerer Teilzusatzgewichte über einem Versteifungselement mit verstärkter Außenwandung.
6 Beispielhafte Anordnung von Teilzusatzgewichten.
7 Schematische Seitenansicht eines keramisierten Verbundkörpers.
8 Schematische perspektivische Darstellung eines keramisierten Verbundkörpers gemäß einer Variante (8.a) und fotographische Abbildung eines keramisierten Verbundkörpers gemäß einer weiteren Variante (8 b).
9. Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme des Verbindungsbereichs eines Funktionselements mit dem Versteifungselement;
10 Schematischer Querschnitt des Verbindungsbereichs des Versteifungselements mit dem Funktionselement;
11a Spannungsdoppelbrechungsmessbild des Verbundkörpers;
11b Spannungsdoppelbrechungsmessdiagramm des Verbundkörpers;
12 Spannungsdoppelbrechungsmessdiagramm des Verbindungsbereichs des Versteifungselements mit dem Funktionselement;
13 Schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens umfassend den optionalen Schritt des Senkens.
14 Schematische Darstellung eines gesenkten Verbundkörpers (unten) im Vergleich zu einem nicht gesenkten Verbundkörper (oben).

In den 2-6 ist ein Verfahren zur Herstellung eines glaskeramischen Verbundkörpers 1 gezeigt. Dabei kann eine Oberfläche 4 eines ersten Funktionselements 2 auf einer Oberfläche 6 eines Versteifungselements 5, vorzugsweise bündig abschließend angeordnet sein. Idealerweise weist das Versteifungselement 5 mindestens eines, vorzugsweise mehrere der folgenden Merkmale auf: Mindestens eine, vorzugsweise eine Vielzahl an Kavitäten 10, Öffnungen 11, die die Oberfläche 6 durchbrechen, beziehungsweise nach außen geöffnet sind, Innenwandungen 13, eine oder mehrere Außenwandungen 14, Seiten der Öffnungen 12, eine Grundfläche 20 des Versteifungselements 5.
Das Verfahren hat die Keramisierung und eine monolithische Verbindung der aus Grünglas gefertigten und bereitgestellten keramisierbaren, glasigen Elemente, insbesondere des ersten Funktionselements 2 und des Versteifungselements 5 zum Ziel. Optional kann ein zweites Funktionselement 3 mit dem Versteifungselement 5 verbunden werden. Die 2-6 zeigen weiterhin einen beispielhaften Verfahrensaufbau. Es kann, wie in diesen Beispielen dargestellt, ein Versteifungselement 5 bereitgestellt werden, welches im Zuge des Verfahrens mit einem ersten Funktionselement 2 und/oder einem weiten Funktionselement 3 verbunden wird, wobei das erste Funktionselement 3 vorzugsweise als Spiegelträger fungiert und das zweite Funktionselement 3 vorzugsweise als rückseitige Abdeckplatte fungiert.
Das Versteifungselement 5 ist in der Regel zwischen dem ersten 2 und zweiten 3 Funktionselement angeordnet. Das erste Funktionselement ist gemäß einer Variante der Erfindung zwischen einem Zusatzgewicht 30 und dem Versteifungselement 5 angeordnet, wobei das erste Funktionselement 2 in direktem Kontakt zum Versteifungselement 5 angeordnet ist, und insbesondere auf diesem aufliegt. Dabei liegt die Oberfläche 4 des Funktionselements 2 derart auf der Oberfläche 6 des Versteifungselements auf, dass sie die Öffnungen 11 und damit auch die Kavitäten 10 kontaktiert. Die Innenwandungen 13 sind vorzugsweise zwischen den Kavitäten 10 angeordnet, wobei sich die Kavitäten idealerweise derart durch das Versteifungselement hindurch erstrecken, dass sich die Kavitäten von einer Oberfläche 6 bis zu einer der Oberfläche 6 gegenüberliegenden Oberfläche erstrecken, und insbesondere mindestens eine, vorzugsweise beide Oberflächen durchbrechen. Das bedeutet, dass das erste Funktionselement 2 auf den Innenwandungen 13 und/oder auf den Außenwandungen 14 des Versteifungselements 5 angeordnet ist.
Nachdem das Zusatzgewicht 30, das Versteifungselement 5, sowie das erste 2 und/oder zweite 3 Funktionselement, wie in den 2-5 gezeigt, angeordnet wurden, kann der Keramisierungsvorgang starten.
Durch die Anordnung der Elemente, sowie des Zusatzgewichtes wirkt durch das Gewicht des Zusatzgewichtes ein gerichteter Druck P auf mindestens das erste 2 oder zweite 3 Funktionselement, und insbesondere auch auf das Versteifungselement 5. Eine Richtung in der der gerichtete Druck P wirkt, kann dann bspw. senkrecht zu der Oberfläche 4 eines Elements 2, 3, 5, insbesondere des ersten 2 oder zweiten 3 Funktionselements verlaufen, bzw. parallel zu einer Flächennormale der Oberfläche 4 des ersten 2 und/oder zweiten 3 Funktionselements. Dabei ist es auch möglich, dass diese Oberfläche gekrümmt ist.
Der gerichtete Druck P ist höher, als der durch das Eigengewicht des Funktionselements verursachte Druck und bevorzugt zwischen 0,01 MPa und 0,1 MPa, besonders bevorzugt etwa 0,02 MPa. Durch diesen Druck P innerhalb des zuvor angegebenen Temperaturbereichs kann eine Verformung bzw. Deformation eines Funktionselements 2, 3, vorzugsweise kleiner als 0,6 mm, beispielsweise zwischen 0,1 mm und 0,4 mm präzise eingestellt werden. Hierdurch werden charakteristische Wölbungen 15 (Siehe 7) an der Oberfläche 4 des Funktionselements 2, 3 erzeugt, die sich insbesondere zwischen den Innenwandungen 13 und/oder zwischen den Innenwandungen 13 und mindestens einer Außenwandung 14 durch den Druck P und eine durch die im zuvor genannten Temperaturbereich stattfinden Erweichung des glasigen Materials.
2 zeigt den Verfahrensaufbau mit dem Zusatzgewicht 30, welches oberhalb bzw. auf einem Funktionselement 2, 3 angeordnet ist. Dieses Zusatzelement 30 übt gerichteten Druck auf, der vorzugsweise gleichmäßig auf das Funktionselement 2, 3 wirkt. Das Funktionselement 2, 3 ist auf dem Versteifungselement angeordnet bzw. auf den Innenwandungen 13 und Außenwandungen 14. In der Seitenansicht sind die Innenwandungen 13 und Außenwandungen 14 durch die durchgängig ausgebildeten Kavitäten 10 getrennt voneinander ausgebildet, bzw. liegen die Kavitäten 10 zwischen den Innenwandungen 13 und Außenwandungen 14. Dabei weisen die Außenwandungen 14 bzw. eine Stärke der Außenwandungen 14 eine zumindest ähnlich große Dicke bzw. Stärke auf, wie die Innenwandungen 13, vorzugsweise sogar die gleiche Dicke/Stärke.
Eine Grundfläche 20 des Versteifungselements 5 kann einer Grundfläche 21 mindestens eines Funktionselements 2, 3 entsprechen. Dabei ist es auch möglich, dass eine Grundfläche 31 des Zusatzgewichtes 30 der Grundfläche 20, 21 des Versteifungselements und insbesondere eine Funktionselements 2, 3 entspricht. Dadurch wird der wirkende Druck annähernd gleichmäßig verteilt.
Da die Stabilität in Randbereichen tendenziell eher abnimmt, kann, wie in den 2-5 die Außenwandung 14 des Versteifungselements 5 dicker bzw. stärker ausgebildet sein, als die Innenwandungen 13, bspw. kann die Dicke der Außenwandungen 14 das Doppelte oder Dreifache der Dicke der Innenwandungen 13 betragen. Um die Last bzw. den Druck P auch auf die Außenwandungen gleichmäßiger wirken zu lassen, können die Grundfläche 31 des Zusatzgewichts 30 und/oder die Grundfläche 21 eines Funktionselements 2, 3 wie in 3 gezeigt, größer ausgeprägt sein, als die Grundfläche 20 des Versteifungselements 5. Dies betrifft insbesondere eine Länge, Breite und/oder einen Durchmesser der Grundflächen 20, 21, 31.
Die 5 und 13 zeigen ähnlichen Aufbau, wie die 2-3, jedoch sind anstelle eines einzigen Zusatzgewichtes 30 mehrere Teilzusatzgewichte 32 über bzw. auf dem Funktionselement 2, 3 angeordnet. Dadurch lässt sich der Druck P präziser auf die Bereiche verteilen, wo eine monolithische Verbindung des Funktionselements 2, 3, mit dem Versteifungselement erzeugt wird. Bspw. können dies genau die Bereiche sein, bei denen ein Funktionselement 2, 3 auf einer Innenwandung 13 und/oder Außenwandung 14 des Versteifungselements aufliegt. Bereiche oberhalb von Kavitäten 10 oder Öffnungen 11 werden dadurch weniger stark belastet. 6 zeigt beispielhaft eine Ausgestaltungsform der Teilzusatzgewichte 32. Die Teilzusatzgewichte 32 können demnach ringförmig ausgebildet sein und insbesondere unterschiedliche Durchmesser aufweisen, sodass die Teilzusatzgewichte 32 vorzugsweise ineinander angeordnet werden können bzw. Teilzusatzgewichte 32 mit einem kleinen Durchmesser innerhalb von Teilzusatzgewichten 32 mit größerem Durchmesser. Bevorzugt wird zwischen den Teilzusatzgewichten ein definierter Abstand A gelassen.
Die 7 und 8 zeigen einen mit dem in den 2-6 erzeugten glaskeramischen Verbundkörper 1 in einer schematischen Darstellung. In 7 ist in einer der 1-5 ähnlichen Darstellung gezeigt, wie der Verbundkörper aufgebaut ist. Eine gestrichelte Linie zeigt an, wo die Grenzfläche des Funktionselements 2, 3 und des Versteifungselements 5 vor der Keramisierung verlief. Tatsächlich ist diese Grenzfläche nicht mehr vorhanden und die Elemente wurden durch die in den 2-5 beschriebene Keramisierung homogen und monolithisch miteinander verbunden, sodass der Verbundkörper 1 nunmehr einteilig ausgebildet ist. Der Verbundkörper weist mindestens zwischen den Innenwandungen 13 bzw. zwischen Seiten 12 der Kavitäten 10 charakteristische Wölbungen 15 auf, vorzugsweise jedoch auch zwischen den Innenwandungen 13 und den Außenwandungen 14.
8 zeigt den Verbundkörper 1 in einer schematisch perspektivischen Darstellung. Der Verbundkörper weist ein erstes 2 und ein zweites 3 Funktionselement auf. Zwischen diesen Funktionselementen 2, 3 ist das Versteifungselement 5 angeordnet. Dabei sind jeweils das erste 2 und das zweite 3 Funktionselement gegenüber einander angeordnet, sodass insbesondere deren Oberflächen 4 parallel zueinanderstehen. Insgesamt weist der Verbundkörper 1 eine runde, vorzugsweise eine kreisförmige Grundform auf. Die Kavitäten 10 des Versteifungselements 5 erstrecken sich dabei durch das Versteifungselement 5 hindurch von der Oberfläche 4 des ersten 2 Funktionselement zu der des zweiten 3 Funktionselements. Die Grundfläche der Kavitäten 10 entspricht dabei der Grundfläche der ehemaligen Öffnungen 11 vor der Keramisierung, wobei die Kavitäten 10 bzw. deren Grundform eine Wabenstruktur aufweisen. Durch eine derartige Wabenstruktur können die Wandungen 13, 14, insbesondere die Innenwandungen 13 eine ähnliche Stärke bzw. Dicke aufweisen und vorzugsweise auch eine einheitliche Stärke bzw. Dicke.
Die Innenwandungen 13 und vorzugsweise auch die Außenwandungen weisen zudem Ausnehmungen 40 auf, wobei die Ausnehmungen 40 derart ausgebildet sind, dass die Kavitäten 10 mithilfe der Ausnehmungen 40 durch die Innenwandungen 13 hindurch direkt oder mittelbar fluidisch miteinander und mit einer äußeren Umgebung verbunden sind. Zusätzlich oder alternativ ist natürlich auch möglich, dass das zweite Funktionselement 3 Ausnehmungen 40 aufweist, durch die die Kavitäten 10 direkt mit einer äußeren Umgebung fluidisch verbunden sind. Besonders das Bearbeiten des Grünglas-Körpers durch Wasserstrahlschneiden zur Herstellung der Kavitäten 10 ermöglicht es, dünne Wandstärken der Innenwandungen 13 herzustellen. Dadurch kann ein Verbundkörper mit besonders niedrigem Gewicht hergestellt werden. So ist in einer Ausführungsform ohne Beschränkung auf das gezeigte Beispiel die gemittelte Dichte des Versteifungselements kleiner als 0,3 g/cm³ oder sogar kleiner als 0,25 g/cm³. Die gemittelte Dichte ergibt sich aus dem Verhältnis des Gewichts des Versteifungselements durch das durch die äußeren Abmessungen definierten Volumens des Versteifungselements. Im Beispiel weisen das Versteifungselement ebenso wie das Verbundelement eine äußere Abmessung oder Einhüllende in Form eines flachen Zylinders auf. Der Volumenanteil der Kavitäten des Versteifungselements beträgt in einer weiteren Ausführungsform und ohne Beschränkung auf das in 8 gezeigte Beispiel mindestens 85%. Für den Verbundkörper, der aufgrund der massiven Funktionselemente eine etwas höhere Dichte aufweist, gilt vorzugsweise, dass die gemittelte Dichte des Verbundkörpers immer noch geringer als 0,5 g/cm³ ist. Der Volumenanteil der Kavitäten beträgt mindestens 80 %. Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass diese Ausführungsformen mit niedriger Dichte nicht auf wasserstrahlgeschnittene Elemente beschränkt sein müssen, da gegebenenfalls auch andere Strukturierungsverfahren einsetzbar sind, die entsprechend dünne Wandstärken der Wandelemente ermöglichen.
Die Innenwandungen 13 haben ohne Beschränkung auf das spezielle dargestellte Beispiel vorzugsweise die Gestalt ebener plattenförmiger Wandelemente. Für diese Wandelemente, beziehungsweise Innenwandungen 13 kann als Parameter für die mechanische Stabilität das Verhältnis V=H·B/d² betrachtet werden, wobei H die Höhe, B die Breite und d die Dicke der Innenwandung 13 bezeichnen. Die Höhe ist dabei die Abmessung zwischen den Rändern der Innenwandung an den Öffnungen der Kavitäten. Bei einem Versteifungselement mit ebenen Auflageflächen für die Funktionselemente entspricht die Höhe H also der Dicke des Versteifungselements. Die Breite B wird senkrecht dazu gemessen und kennzeichnet demnach den Abstand zwischen den Verbindungen zu angrenzenden Innenwandungen 13. Es ist bevorzugt, dass das Verhältnis V in einem Bereich von 100 bis 2500 liegt.
9 zeigt im oberen Teil der Figur ein Rasterelektronenmikroskopisches Bild des Verbindungsbereichs des Funktionselements 2, 3, welches mit dem Versteifungselement 5 monolithisch verbunden ist. Erfasst wurde das Bild mit einem Rasterelektronenmikroskop der Marke NEON40. Visuell ist auf dem Bild keine Grenzfläche zwischen zwei Elementen festzustellen, was den monolithischen Charakter der Verbindung unterstreicht. Eine Messung der chemischen Zusammensetzung entlang des Verbindungsbereichs bestätigt, dass die Verbindung des Funktionselements 2, 3 mit dem Versteifungselement 5 nach der Keramisierung bzw. des in den 1-5 dargestellten Keramisierungsverfahrens auch chemisch homogen und monolithisch ausgebildet ist.
Die entsprechende Messung dessen Ergebnisse im unteren Teil der 9 dargestellten Diagramms wurden entlang des Pfades U-W gemessen, der auf dem Elektronenmikroskopischen Bild als Linie eingezeichnet ist. Der Messpfad U-W verläuft vorzugsweise entlang einer Flächennormalen der Oberfläche 4 des mit dem Versteifungselement 5 verbundenen Funktionselements 2, 3 und parallel zu den Innenwandungen 13 und/oder Außenwandungen 14. Es ist deutlich zu erkennen, dass es entlang des Pfades U-W, bzw. entlang des Verbindungsbereichs keine signifikanten chemischen Unterschiede gibt. Das bedeutet, dass während des Keramisierungsverfahrens das Funktionselement 2, 3 derart mit dem Versteifungselement 5 verbunden wurde, dass eine Grenzfläche zwischen diesen Elementen vollständig verschwunden ist.
10 zeigt den Verbindungsbereich in schematischer Querschnittsansicht. Dabei ist ein Funktionselement 2 auf, und insbesondere Verbunden mit dem Versteifungselement 5 dargestellt. Die beiden Element 2, 5 sind derart stoffschlüssig miteinander verbunden, dass Kristallite 50 durch eine Verbindungsfläche, die durch beide Oberflächen gebildet wird, hindurchgewachsen sind. Damit werden das Versteifungselement 5 und das Funktionselement 2 durch die Kristallite verbunden, sodass diese Elemente beziehungsweise deren Material insbesondere zusammengewachsen beziehungsweise miteinander verwachsen sind/ist.
Eine ähnliche Feststellung kann auch nach einer Messung der internen Spannungen des Verbundkörpers 1 getroffen werden. In 11a ist ein Messbild der internen Spannungsverteilung des Verbundkörpers 1, welches mittels der Methode der Spannungsdoppelbrechung und insbesondere unter Verwendung eines Hochpräzisions-Polarimeters der Firma Ilis erstellt wurde. Das Messbild (11a) zeigt die Struktur und Form der Kavitäten 10, die zwischen den Innenwandungen 13 des Verbundkörpers liegen. Gemessen wurde die Spannung auf den Innenwandungen 13. Daraus ergibt sich das charakteristische Erscheinungsbild, welches die Umrisse der Materialregionen des Verbundkörpers 1 in einer Aufsicht zeigt. Es versteht sich von selbst, dass die Messung dabei durch mindestens ein Funktionselement 2, 3 und das Versteifungselement 5 hindurch erfolgte, bzw. der glaskeramische Verbundkörper 1 in seiner Gesamtheit vermessen wurde.
11b zeigt ein Diagramm der Messergebnisse einer Messung der Spannungsdoppelbrechung entlang des in der 11a dargestellten Pfades X-Y, also einer Spannungsmessung senkrecht zur Verbindungsebene des Funktionselements und des Versteifungselements. Entlang des Pfades X-Y wurden 4 Verbindungsbereiche vermessen, welche durch die jeweiligen Maxima M der Werte dargestellt sind. Zwischen den Maxima M sind die Werte dargestellt, die zwischen den Innenwandungen 13, also im Wesentlichen im Bereich der Kavitäten 10 erfasst wurden. Dabei wurden die Werte normiert auf die Dicke des Verbundelements, welche gegeben ist durch die Höhe der Innenwandungen 13 zuzüglich der Dicke des/der Funktionselements/Funktionselemente. Es zeigt sich, dass die gemessenen Spannungen insgesamt und damit auch insbesondere in den Verbindungsbereichen des Funktionselements 2, 3 und des Versteifungselements unterhalb von 12 nm/cm liegen, bevorzugt unterhalb von 10 nm/cm. In diesem Beispiel liegen die Maximalwerte der Spannung sogar nur bei 9 nm/cm, ausgedrückt als normativer Gangunterschied. Weiterhin kann festgestellt werden, dass die gemessene Spannungsdoppelbrechung bzw. die Werte der gemessenen Spannungen an mehreren Verbindungsbereichen einheitlich sind. Daher sind die gemessenen Spannungsmaxima mindestens zweier, vorzugsweise einer Vielzahl von Verbindungsbereichen eines Funktionselements 2, 3 und eines Versteifungselements einheitlich innerhalb eines Messbereichs von 3 nm/cm, vorzugsweise 2 nm/cm, bevorzugt 1 nm/cm. Derartige Werte zeigen, dass im Zuge des erfindungsgemäßen Verfahrens vorzugsweisevorzugsweise unterhalb der üblichen Spannungen liegende Spannungen in das Material bzw. in den glaskeramischen Verbundkörper 1 eingebracht wurden.
12 zeigt ein Diagramm der Messergebnisse einer Messung der Spannungsdoppelbrechung entlang eines Verbindungsbereichs des Versteifungselements 5 mit einem Funktionselement 2, 3, wobei die Messstrecke parallel zur Verbindungsebene bzw. zu der Höhe der Innenwandungen 13 verläuft und senkrecht zur Oberfläche 4 des Funktionselements 2. Das Messverfahren ist analog zu der in 11b gezeigten Messung. Das Diagramm zeigt ein deutliches, allerdings auch sehr geringes Maximum M der Werte zwischen dem Versteifungselements 5 mit einem Funktionselement 2, sodass insbesondere eine bzw. die ehemalige Grenzfläche dieser Elemente vor der Keramisierung auch nach der Keramisierung noch bei einer Messung der Spannungsdoppelbrechung zu erkennen, beziehungsweise feststellbar ist.
Die an dieser ehemaligen Grenzfläche, welche auch senkrecht zu dem Messpfad U-W der 9 steht, gemessenen Werte der Spannungsdoppelbrechung liegen in einem ähnlichen Bereich zu den in 11b dargestellten Werte. Das Maximum M der gemessenen Spannung am Verbindungsbereich liegt demnach zwischen 15 nm/cm und 10 nm/cm, ausgedrückt als optischer Gangunterschied. In einer speziellen Ausbildung der Spannung im Verbindungsbereich zeigen sich bei oder nach einer Messung der Spannungsdoppelbrechung, vorzugsweise unmittelbar an das Maximum angrenzend auch lokale Minima I, die idealerweise einen Gangunterschied unterhalb von 10 nm, bevorzugt unterhalb von 8 nm, besonders bevorzugt unterhalb von 5 nm zeigen, insbesondere gegenüber dem Versteifungselement und/oder mindestens einem Funktionselement. Dabei ist der Gangunterschied im Maximum M höher als beim Versteifungselement und/oder mindestens einem Funktionselement und in den Minima I geringer im Vergleich zum Versteifungselement und/oder mindestens einem Funktionselement.
Bezugszeichenliste

1: Glaskeramischer Verbundkörper
2: Erstes Funktionselement
3: Zweites Funktionselement
4: Oberfläche des Funktionselements
5: Versteifungselement
6: Oberfläche des Versteifungselements
10: Kavitäten
11: Öffnungen
12: Seiten der Öffnungen
13: Innenwandungen
14: Außenwandung
15: Wölbungen
15a: Wölbungsmaximum
16: Grundfläche der Wölbungen
17: Höhe der Wölbungen
20: Grundfläche des Versteifungselements
21: Grundfläche eines Funktionselements
30: Zusatzgewicht
31: Grundfläche des Zusatzgewichts
32: Teilzusatzgewichte
33: Platte
34: Senkform
40: Ausnehmungen
50: Kristallite
A: Abstand zwischen Teilzusatzgewichten
P: Druck
M: Maxima an den Verbindungsbereichen
I: Minima an den Verbindungsbereichen
V: Vakuum

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102005036224 B4 [0005]
US 4851372 [0023]
US 5591682 [0023]
EP 587979 A [0023]
US 7226881 [0023]
US 7645714 [0023]
DE 102004008824 A [0023]
DE 102018111144 A [0023]
DE 102022105929 A [0023]
DE 102022105930 A [0023]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines glaskeramischen Verbundkörpers mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten CTE im Bereich von beispielsweise 0 bis 50°C von höchstens 0 ± 0,1 × 10^-6/K, umfassend die Schritte - Bereitstellen von mindestens zwei Ausgangselementen, welche aus dem Grünglas der Glaskeramik bestehen, - Anordnen der mindestens zwei Ausgangselemente und in Kontakt bringen der zu verbindenden Oberflächen der Ausgangselemente, - flächiges Gegeneinanderpressen der zu verbindenden Oberflächen der mindestens zwei Ausgangselemente unter Einwirkung von Druck (P), - Erzeugen einer monolithischen Verbindung der mindestens zwei Ausgangselemente durch Erwärmen unter Einwirkung von Druck (P) der gegeneinander gepressten Ausgangselemente auf eine Temperatur T_K, bei der die Keramisierung des Grünglases zur Glaskeramik stattfindet.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die zu verbindenden Oberflächen der mindestens zwei Ausgangselemente mit einer Ebenheit kleiner als 300 µm, bevorzugt kleiner als 200 µm, bevorzugt kleiner als 100 µm und/oder größer als 20 µm, bevorzugt größer als 35 µm, bevorzugt größer als 50 µm bereitgestellt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend den Schritt der gezielten geometrischen Verformung mindestens eines Ausgangselements bei einer Temperatur zwischen T_g und T_g + T_S durch Senken in eine Zielform.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, umfassend ferner den Schritt, Bearbeiten mindestens eines Ausgangselements durch Wasserstrahlschneiden, CNC-Bearbeitung und/oder Sandstrahlen.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Ausgangselement eine von Kavitäten durchbrochene Oberfläche aufweist und/oder mindestens ein Ausgangselement eine platten- oder scheibenförmige Form aufweist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Druck (P) durch mindestens ein Zusatzgewicht (30) erzeugt wird, das flächig auf oder über mindestens einem Ausgangselement angeordnet ist und/oder wobei der Druck (P) durch ein Vakuum an der Grünglasstruktur erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mindestens ein Ausgangselement mit einem Durchmesser und/oder eine Kantenlänge von mindestens 400 mm, vorzugsweise mindestens 1,5 m, mehr bevorzugt mindestens 2 m und weiter bevorzugt mindestens 3 m verwendet wird.
Monolithischer Verbundkörper, welcher einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten CTE im Bereich von beispielsweise 0 bis 50°C von höchstens 0 ± 0,1 × 10^-6/K aufweist, und welcher durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 herstellbar ist.
Verbundkörper nach Anspruch 8, mit einem Durchmesser bzw. einer Kantenlänge mindestens 400 mm, vorzugsweise mindestens 1,5 m, mehr bevorzugt mindestens 2 m und weiter bevorzugt mindestens 3 m.
Verbundkörper nach Anspruch 8 oder 9, wobei mindestens ein Ausgangselement ein Versteifungselement ist und/oder mindestens ein Ausgangselement ein Funktionselement ist.
Verbundkörper (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mechanische Spannungen in einem Verbindungsbereich der Oberfläche (6) des Versteifungselements (5) und der Oberfläche des ersten Funktionselements (2) derart ausgebildet sind, dass mittels Spannungsdoppelbrechungsmessung eine Spannung kleiner als 20 nm/cm, bevorzugt als kleiner 15 nm/cm, bevorzugt kleiner als 10 nm/cm messbar ist.
Verbundkörper (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei die Oberfläche eines Ausgangselements derart stoffschlüssig mit der Oberfläche mindestens eines anderen Ausgangselements verbunden ist, dass Kristallite durch eine Verbindungsfläche, die durch beide Oberflächen gebildet wird, hindurchgewachsen sind und beide Oberflächen durchbrechen.
Verbundkörper (1) nach einem der Ansprüche 8 bis 12, umfassend eines oder mehrere der folgenden Merkmale: - die gemittelte Dichte des Versteifungselements (5) ist kleiner als 0,3 g/cm³, - die gemittelte Dichte des Verbundkörpers (1) ist geringer als 0,5 g/cm³, - das Verhältnis V=H·B/d², bei welchem H die Höhe, B die Breite und d die Dicke von Innenwandungen (13) des Versteifungselements (5) bezeichnen, liegt in einem Bereich von 100 bis 2500.
Verbundkörper nach einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei der Verbundkörper ein Leichtgewichtsspiegel ist.