DE19613209C2 - Lastübertragungsstruktur geringer Wärmeleitfähigkeit - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Lastübertragungsstruktur geringer Wärmeleitfä­ higkeit.

Bauteile mit gut wärmedämmenden Eigenschaften, wie sie etwa in der Raumfahrt zur Aufhängung von Tieftemperaturtanks, als selbsttragende Hitzeschilder oder zur thermisch geschützten Befestigung von optischen oder elektronischen Geräten an der Trägerstuktur benötigt werden, bestehen zumeist aus keramischen oder Faser­ verbundwerkstoffen. Während keramische Materialien spröde, schwierig zu bearbei­ ten und für viele Anwendungsfälle zu stark wärmeleitend sind, haben thermisch und mechanisch belastete Faserverbundbauteile eine niedrige Kriech- und Temperaturfe­ stigkeit oder sind im Falle von Carbon-Carbonsystemen nicht oxidationsbeständig und erfordern einen relativ hohen Herstellungs- und Bearbeitungsaufwand.

Aus der DE 32 19 506 A1 ist ein Wärmedämmkissen bekannt, welches als Isolierma­ terial mehrere, durch Abstandsgewebe auseinandergehaltene Glas- oder Keramikfa­ serpapierschichten enthält, die in einer Hülle aus miteinander verschweißten Alumi­ niumfolien vakuumdicht eingeschlossen sind. Ein derartiges Wärmekissen ist jedoch wegen seiner mangelnden Eigenstabilität nicht zur Übertragung mechanischer Bela­ stungen geeignet und muß zum Schutz vor Beschädigungen in einem doppelwandi­ gen Gehäuse untergebracht werden.

Die Druckschrift DE 195 28 551 A1 betrifft eine dünne Schutzfolie für ein elektroni­ sches Halbleiterelement, wobei die Schutzfolie aus unterschiedlich dotierten, wech­ selweise hoch- und niederohmigen Siliziumschichten besteht. Der elektrische Wider­ stand der einzelnen Schichten wird so eingestellt, daß der Gesamtwiderstand der Folie den zur Passivierung der Oberfläche des Halbleiterelementes erforderlichen Wert erreicht. Über den Aufbau des Halbleiterelementes, das die Tragstruktur für die Schutzfolie bildet, ist in dieser Entgegenhaltung nichts ausgesagt. Darüber hinaus enthält die Schutzfolie keine Metallschichten. Das Problem, eine Tragstruktur mit metallischen oder metallähnlichen Eigenschaften, aber einem sehr geringen Wär­ meleitwiderstand zu schaffen, ist in dieser Schrift in keiner Weise angesprochen, geschweige denn ein Lösungsansatz aufgezeigt.

Die Druckschrift DE 43 03 135 A1 offenbart eine keramische Wärmedämmschicht für ein Metallbauteil. Zum Schutz vor Thermoschock- oder Oxidationserscheinungen wird die Keramikschicht an der Grenzfläche zum Metalfbauteil mit einer Metallab­ scheidung belegt. In dieser Schrift ist zunächst einmal nur eine einzige Keramik­ schicht mit einem einseitigen, metallischen Belag, nicht aber ein vielfacher Schicht­ aufbau vorgesehen. Weiterhin sind die Metallschichten nicht durch Widerstand s­ schichten elektrisch voneinander isoliert. Vielmehr wird die Metallschicht unmittel­ bar auf der Oberfläche des Metallbauteils abschieden. Vor allem aber fehlt in dieser Druckschrift jegliche Anregung, die Tragstruktur selbst, also das Metalbauteil als Schichtstruktur auszubilden, um dadurch unter Beibehalt metallischer oder me­ tallähnlicher Eigenschaften die Wärmeleitfähigkeit des Metallbauteils signifikant zu reduzieren.

Noch weiter vom Gegenstand her entfernt liegt die Veröffentlichung JP 07138770 A, wonach eine Stahlplatte mit einer Titannitrid- und einer Aluminiumschicht belegt wird, um dadurch die Korrosions- und Wärmebeständigkeit zu erhöhen. Die verwen­ deten Werkstoffe besitzen alle eine hohe elektrische Leitfähigkeit; elektrische Isola­ tionsschichten sind nach dieser Druckschrift nicht vorhanden, geschweige denn ein durchgehend schichtweiser Aufbau der Tragstruktur wechselweise aus dünnen Me­ tall- und Widerstandsschichten. Das Erzielen einer möglichst geringen Wärmeleitfä­ higkeit unter Beibehalt der mechanischen Eigenschaften einer metallischen Tragstruktur ist mit dieser Lösung mit Sicherheit nicht möglich.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Struktur der eingangs genannten Art so auszubil­ den, daß sie hinsichtlich ihres mechanischen Verhaltens, vor allem hinsichtlich Fe­ stigkeit, Verformbarkeit, Weiterverarbeitbarkeit sowie Temperaturbeständigkeit me­ tallähnliche Eigenschaften besitzt und dennoch einen sehr hohen Wärmeleitwider­ stand aufweist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichne­ te Lastübertragungsstruktur gelöst.

Aufbauend auf der Erkenntnis, daß sich an der Kontaktfläche eines metallischen Bauteils ein steiler Temperatursprung einstellt, wird erfindungsgemäß aufgrund des beanspruchten, dünnschichtigen Aufbaues der Lastübertragungsstruktur eine sehr große Anzahl von Kontaktflächen geschaffen und dadurch ein um ein Vielfaches hö­ herer Wärmeleitwiderstand als beim reinen ungeschichteten Metall erreicht, mit der Besonderheit, daß sich durch die elektrische Isolation der metallischen Kontaktflä­ chen der Temperatursprung weiter vergrößert und der thermische Widerstand der Lastübertragungsstruktur nochmals deutlich erhöht wird. Zusätzlich wird durch den hohen metallischen Schichtanteil und eine entsprechende Ausbildung der elektri­ schen Widerstandsschichten gewährleistet, daß die vorteilhaften mechanischen Ei­ genschaften des reinen metallischen Werkstoffs, wie hohe mechanische Festigkeit, einfache spanende und/oder spanlose Verformbarkeit, Kriechfestigkeit und dergl., wietgehend erhalten bleiben. Die erfindungsgemäße Lastübertragungsstruktur eignet sich daher in hervorragender Weise für thermisch und mechanisch belastete Bau­ teile, für die bei geringem Herstellungsaufwand eine hochgradige Wärmedämmung und zugleich ein metallähnliches, mechanisches Verhalten gefordert werden, also etwa die eingangs erwähnten Raumfahrtkomponenten.

Im Hinblick auf eine hochfeine Schichtung und eine dementsprechend verringerte Wärmeleitfähigkeit betragen die Schichtdicken in weiterer vorteilhafter Ausgestal­ tung der Erfindung gemäß Anspruch 2 jeweils weniger als 25 µm.

Die Metallschichten können grundsätzlich aus jedem beliebigen Metall, z. B. auch Edelstahl, bestehen, werden aber nach Anspruch 3 vor allem aus Leichtbaugründen zu Raumfahrtzwecken vorzugsweise aus Aluminium hergestellt.

Ebenso lassen sich für die die Metallschichten lastfest verbindenden Zwischen­ schichten zahlreiche Materialien hohen elektrischen Widerstands verwenden. Beste­ hen die Metallschichten aus Aluminium, so werden die Zwischenschichten gemäß Anspruch 4 in besonders bevorzugter, herstellungsmäßig sehr einfacher Weise durch elektrolytische Oxidation der Aluminiumschichten gebildet. Die so entstehenden, kontaktflächenseitigen Eloxalschichten verfügen über eine gute mechanische Bin­ dung und eine geringe elektrische Leitfähigkeit.

Als weitere Zwischenschichtmaterialien mit hinsichtlich hoher mechanischer Festig­ keit, niedriger elektrischer Leitfähigkeit und guter Haftung sowie einfacher Verform­ barkeit im Rahmen eines Metallschichtverbunds besonders günstigen Eigenschaften werden gemäß Anspruch 5 Glaslote oder gemäß Anspruch 6 keramische Materialien bevorzugt.

Gemäß Anspruch 7 schließlich werden die wechselweise zueinander angeordneten Metall- und Zwischenschichten auf fertigungsmäßig besonders einfache Weise durch Aufdampfen, Aufsputtern und/oder chemische oder galvanische Beschichtung her­ gestellt.

Die Erfindung wird nunmehr anhand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit den Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen in stark schematischer Darstellung:

Fig. 1 eine Lastübertragungsstruktur geringer Wärmeleitfähigkeit zur Lastübertra­ gung zwischen einem Träger- und einem Anschlußteil;

Fig. 2 eine vergrößerte Teildarstellung der Lastübertragungsstruktur nach Fig. 1 zur Verdeutlichung des Schichtaufbaues; und

Fig. 3 ein Diagramm des Temperaturverlaufs der Lastübertragungsstruktur in Rich­ tung des Temperaturgradienten.

Die in Fig. 1 gezeigte Verbindungsstelle zwischen einem Trägerteil 2 und einem An­ schlußteil 4, z. B. eines elektronischen oder optischen Gerätes oder eines Tieftempe­ raturtanks eines Raumfahrzeugs, besteht aus einem Verbindungsbolzen 6 und last­ übertragend zwischen den Teilen 2, 4 und 6 angeordneten Distanzstücken 8, 10 in Form einer den Bolzen 6 umschließenden Distanzbuchse 8 sowie mehrerer, die Teile 2, 4, 6 axial verschiebefest fixierender Distanzscheiben 10, die eine hohe Wärme­ dämmung besitzen, um so einen Wärmestrom in Richtung des Temperaturgefälles T₁, T₂, T₃ zu unterbinden.

Wie Fig. 2 im einzelnen zeigt, bestehen die Distanzstücke 8, 10 aus einer geschichte­ ten Lastübertragungsstruktur, deren Schichten m, w quer zum Temperaturgradien­ ten Δt verlaufen, d. h. gemäß Fig. 1 an der Lagerbuchse 8 konzentrisch zum Verbin­ dungsbolzen 6 und an den Distanzscheiben 10 senkrecht zur Scheibenachse. Die Dicke der einzelnen Schichten m, w ist äußerst gering und liegt in der Größen­ ordnung von 10 µm. Dementsprechend ergibt sich eine sehr große Anzahl von Kon­ taktflächen und an jeder Kontaktfläche entsteht ein Temperatursprung dt (Fig. 3), so daß die Lastübertragungsstruktur in Richtung des Temperaturgradienten Δt einen hohen Wärmeleitwiderstand besitzt. Zusätzlich ist anstelle einer reinen Metallschich­ tung ein wechselweiser Schichtverbund m, w vorgesehen derart, daß zwischen be­ nachbarten Metallschichten m jeweils eine elektrische Widerstandsschicht w ange­ ordnet ist. Hierdurch wird der Wärmeübergang an den Kontaktflächen und somit die Wärmeleitfähigkeit der Gesamtstruktur in Dickenrichtung s des Schichtverbunds m, w nochmals deutlich reduziert.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel bestehen die Metallschichten m aus Aluminium und die Widerstandsschichten w aus einem Glaslot, welches eine hohe Haftfestigkeit zu Aluminium besitzt. Stattdessen können die Widerstandsschichten w aber auch aus keramischem Material oder dadurch hergestellt werden, daß die Alu­ miniumschichten m im Wege der elektrolytischen Oxidation beidseitig eloxiert wer­ den. Diese Variante ist allerdings ohne Haftung zwischen den Schichten, so das sie nur für Wickelteile, etwa die Distanzbuchse 8 gemäß Fig. 1, geeignet ist.

Wahlweise lassen sich die Schichten m auch aus anderen metallischen Materialien, etwa Edelstahl, herstellen, wobei dann für Zwischenschichten w aus Glaslot eine auf das gewählte Metall abgestimmte Glassorte verwendet wird.

Um die Dicke der Schichten m, w möglichst klein zu halten, werden diese im Wege einer chemischen oder galvanischen Beschichtung und/oder durch Aufdampfen oder Aufsputtern aufgebracht.

Die beschriebene, geschichtete Lastübertragungsstruktur erfordert einen geringen Herstellungsaufwand, besitzt eine äußerst geringe Wärmeleitfähigkeit senkrecht zum Schichtverlauf und hat vor allem hinsichtlich mechanischer Festigkeit, Temperatur­ belastbarkeit und spanender und/oder spanloser Bearbeitbarkeit ähnlich günstige Eigenschaften wie der reine metallische Werkstoff.

Claims (7)

1. Lastübertragungsstruktur geringer Wärmeleitfähigkeit, dadurch gekennzeich­ net, daß sie aus einer Vielzahl von quer zum Temperaturgradienten (Δt) mit ge­ genseitig flächigem Kontakt verlaufenden Schichten (m, w) wechselweise aus Me­ tall und einem druckstabilen Material hohen elektrischen Widerstands mit jeweili­ gen Schichtdicken im µm-Bereich besteht.

2. Lastübertragungsstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichtdicken jeweils weniger als 25 µm betragen.

3. Lastübertragungsstruktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschichten (m) aus Aluminium bestehen.

4. Lastübertragungsstruktur nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten hohen elektrischen Widerstands (w) durch elektrolytische Oxidation der Aluminiumschichten (m) gebildet sind.

5. Lastübertragungsstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die elektrischen Widerstandsschichten (w) aus Glaslot bestehen.

6. Lastübertragungsstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die elektrischen Widerstandsschichten (w) aus keramischem Mate­ rial bestehen.

7. Lastübertragungsstruktur nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schichten (m, w) durch Aufdampfen, Aufsputtern und/oder chemische oder galvanische Beschichtung hergestellt sind.