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Beschichtung
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Die Erfindung betrifft eine Beschichtung wärmeabgebender Ziele zur
Vermeidung der Infrarot-Erkennbarkeit.
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Die jüngste Entwicklung der Infrarot-Sichtgeräte stellt die Tarnung
militärischer Objekte vor neue Probleme. Diese Geräte arbeiten passiv, d. h. verwenden
zur Bilddarstellung die von allen Körpern ausgehende Wärmestrahlung, wobei noch
geringste Temperaturunterschiede (c 10 C) aufgelöst werden können. Das bedeutet,
daß vor allem Objekte mit starken Wärmequellen, wie Fahrzeuge, Schiffe und Flugzeuge,
aber auch von der Sonne erwärmte Anlagenteile und Straßen ein deutlich sichtbares
Ziel darstellen. Künftige Tarnsysteme müssen also neben den Metlioden im visuellen
und nahen IR-Bereich zusätzlich die Wärmeemission im fernen IR, also im 2. und 3.
atmosphärischen Fnster berücksichtigen.
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Ein Teil der Wärmestrahlung kann im Einzelfall durch konstruktive
Maßnahmen und durch Rinsatz wärmedämmender Materialiea
unterdrückt
werden. Diese Lösungen sind jedoch im allgemeinen unzureichend oder waffentechnisch
ungeeignet, z.B. wegen zusätzlicher Massen und Volumina.
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In der militärischen Strategie spielen Truppenbewegungen bei Nacht
und der Nachtkampf eine bedeutende Rolle. Zur Unterstützung dieser Aktionen stehen
heute sehr leistungsfähige Geräte zur Nachtsicht, Entfernungsmessung und Zielortung
zur Verfügung. Man unterscheidet dabei folgende Methoden: a. Aktive IR-Geräte mit
Infrarot-Lichtquellen zur Szenenbeleuchtung. Sie arbeiten im ersten atmosphärischen
Fenster (0,7 - 2 /um).
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b. Passive Restlichtverstärker fur den sichtbaren Bereich una das
erste atmosphärische Fenster.
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c. Entfernungsmessung mit Laserlicht im ersten atmosphärischen Fenster.
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d. Passive Wärmebildgeräte zur Erfassung der Eigenstrahlung (Temperaturstrahlung
von Ziel und Umgebung, welche im zweiten und dritten atmosphärischen Fenster (3
- 5 /um; 8 - 14 /um) liegt.
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Die Methoden a. bis c. sind schon länger eingeführt und es sind auch
auf der Gegenseite entsprechende hochentwickelte Abwehrmaßnahmen vorhanden. Die
Geräte sind oft unzureichend in der Empfindlichkeit oder Reichweite, die aktiven
Geräte (a. und c.) arbeiten zudem mit IR-Lichtquellen, welche leicht geortet-werden
können.
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Eine Verbesserung der Situation wurde erst in den letzten Jahren durch
die Entwicklung von Halbleiterdetektoren für das fetne Infrarot ermöglicht, welche
zur Einführung militärischer Wärmebildgeräte geführt hat. Durch die Erfassung der
Wärmestrahlung des Objektes kann eine wesentliche Steigerung der Detektionsreichweite
auch am Tage erzielt werden.
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Außerdem ist kaum eine Störung bei diesigem Wetter oder bei künstlicher
Einnebelung mit konventionellen Nebeln gegeben.
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Die Tarnung gegenüber Wärmebildgeräten ist andererseits besonders
schwierig. Das Detektorsignal ist proportional zur emittierten Wärmemenge QE.
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QE ßJ £ E T ist proportional zur vierten Potenz der Temperatur. Das
be-.
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deutet, daß noch geringste Temperaturunterschiede zwischen Ziel und
Umgebung ausgemacht werden können. Bei vielen militärischen Objekten ist eine Erwärmung
an der Oberfläche prinzipiell nicht zu vermeiden, so sind z.B. Fahrzeuge mit Verbrennungsmotorc'n,
Geschützrohre von Panzern, Energieaggregate und ähnliche wärmeabgebende Bauteile
besonders gefährdet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch Reduzieruncdes Wärmeemissionsvermögens
die Infrarot-Erkennbarkeit von Zielgegenständen zu vermindern und zugleich eine
gute Tarnwirkung im sichtbaren un nahem Infrarot, wie bei den herki,mmlichen Verfahren,
zu sichern..
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Oberfläche
des Zielgegenstandes in bestimmter Weise struktuiert wird und daß dadurch eine besondere
spektralselektive Wirkung erzielt wird.
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Die optische Eigenschaften der Oberfläche, insbesondere Emissionsvermögen,
spiegelnde Reflexion und diffuse Reflexion werden in den verschiedenen Wellenlängenbereichen
so eingestellt, daß folgende Tarneffekte gleichzeitig erreicht werden: a. Durch
ein niedriges Wärmeemissionsvermögen gIR wird die Strahlungstemperatur (scheinbare
Objekttemperatur) drastisch reduziert. Die Sichtbarkeit des Objekts wird nahezu
unabhängig von seiner Eigentemperatur (Faktor 10 - 50).
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b. Durch ein hohes diffuses Reflexionsvermögen im fernen IR wird die
Strahlungstemperatur der Umgebung in den Detektor eingespiegelt: das Objekt paßt
sich der Umgebung an.
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c. Durch ein verschwindend kleines gerichtetes Reflexionsvermögen
im nahen IR wird das Objekt unsichtbar gegenüber aktiven Sichtgeräten und Entfernungsmeßgeräten.
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d. Durch ein hahes Absorptionsvermögen im Sichtbaren g vis in Verbindung
mit einer geeigneten Farbgebung wird eine wirksame visuelle Tarnung und Konturenzerreißung
erreicht.
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Die besonderen Vorteile des Erfindungsgegenstandes liegen darin, daß
auf der Basis von niedrig emittierenden Beschichtungen
ein neuartiges
Tarnsystem eingeführt wird, welches sowohl gegenüber der passiven Wärmebildtechnik,
als auch gegenüber der normalen Aufklärung sehr effektiv eingesetzt werden kann.
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Die Abscheidungsformen und Ausführungsbeispiele der Erfindung werden
nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert.
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Es zeigt: Fig. 1 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäBe Oberflächenstruktur
auf Aluminium mit nadelförmiger Abscheidung, Fig. 2 einen Grundkörper, Fig. 2a mit
glatter Oberfläche, Fig. 2b aufgerauht, Fig. 2c beschichtet, Fig. 2d beschichtet
und aufgerauht, Fig. 3 eine Prinzipskizze zur erläuterung des Begriffs "laterale
Dimension", Fig. 4 zwei weitere Formen galvanisch hergestellter Metallstrukturen,
Fig. 4a noppenartige Abscheidung, Fig. 4b unregelmäßige Abscheidung, Fig. 5 die
Herstellung einer Dispersionsabscheidung in drei Verfahrensschritten.
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Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Oberflächenstruktur im Querschnitt.
Ene Aluminiumoberfläche 3 wird mit einer porösfn
Oxydschicht 2 (z.B.
A1203) bedeckt. Aus den Oxydporen wachsen Metallstäbchen 1 (z.B. aus Nickel) heraus.
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Auf der Fig. 1 ist zu erkennen, daß die Oberfläche der Schicht teppichartig
mit dicht aneinanderliegenden Stäbchen bedecht ist. Diese Stäbchen entstehen beim
Galvanisiereh. Da die Oberfläche mit Oxyd bedeckt ist, scheidet sich das Metall
nur in den Poren ab und wächst schließlich in dieser Form aus den Poren heraus.
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Die besondere Wirkung dieser Struktur besteht nun darin, daß der mittlere
Abstand und Durchmesser der Stäbchen wesentlich kleiner als die Wellenlänge des
sichtbaren Lichts ist. Diese Metallstruktur wirkt optisch wie ein homogenes absorbierendes
Medium, ähnlich wie ein scharzes Glas. Im Infraroten ist die Struktur durchlässig,
so daß das niedrige Emissionsvermögen (hohes Reflexionsvermögen) der metallischen
Unterlage, hier des Aluminiumsubstrates,zur Wirkung kommt. Die IR-Transparenz der
Schicht kommt durch die Addition zweier Effekte zustande: Einmal nimmt zum Langwelligen
hin der Absorptionskoeffizient der Metalle im allgemeinen zu, der Absorptionskoeffizient
des zusammengesetzten, struktuierten Mediums nimmt jedoch leicht ab. Zweitens ist
das Verhältnis von Sichtdicke zu Wellenlänge bzw. zu Eindringtiefe im IR etwa zehnmal
kleiner als im sichtbaren Bereich.
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Des weiteren ist noch die Eigenemission der Oxydmatrix zu berücksichtigen,
die auch bei nicht struktuierten Oberflächen stattfindet. Gerade Aluminiumoxyd hat
aufgrund ausgeprägter Molekülschwingungen zwischen 5 und 14 /um ein sehr hohes
Wärmeemissionsvermögen.
Diesem Umstand wird erfindungsgemäß dadurch Rechnung getragen, daß sehr kleine Schichtdicken
eingestellt werden. Die vorgeschlagenen Schichten sind ein bis zwei Größenordnungen
dünner als herkömmliche anodische Oxydschichten.
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Die für die optischen Eigenschaften verantwortlichen Größen, wie Abstand
und Durchmesser der Poren bzw. der Metallstäbchen, Oxydschichtdicke und Stäbchenlänge,
sind in systematischer Weise durch die Herstellungsparameter wie Badtemperatur,
Säuregehalt, Strom, Spannung, Zeit usw. einstellbar.
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Nach den bisherigen Erfahrungen ist die Änodisierung in verdünnter
Phosphorsäure besonders günstig, da sie gegenüber den "technischen" Elektrolyten
Oxalsäure, Schwefelsäure und Chromsäure, größere Porendurchmesser und Porenabstände
erzeugt und dadurch die Einstellung der spektralen Selektivität erleichtert.
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Zum Beispiel scheint es bei Schwefelsäure keinen Bereich zu geben,
in dem vis 1Werte über 1 erreicht werden können.
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Es ist jedoch nicht auszuschließen, daß auch mit andern Elektrolyten
ähnliche Ergebnisse erzielt werden können.
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Zum Aufbringen der Metallstäbchen eignen sich z.B. die üblichen sauren
Galvanisierbäder, die auch zur normalen Abscheidung-von Nickel, Kobalt, Kupfer,
Eisen, Zink usw. verwendet werden. Die Abscheidungsparameter, insbesondere Zeit,
Spannung und Temyeratur, sind wie beim Anodisieren sehr sorgfältig einzustel,en.
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Wenn zu wenig Metall abgeschieden wird, ist die Oberfläche nicht tiefschwarz,
sonden farbig, und bei zu starker Metallisierung nivelliert sich die Oberfläche
und nimmt metallisc}les
Aussehen an. Als vorteilhaft hat sich weiterhin
das Galvanisieren mit Wechselstrom erwiesen.
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Ausfürhungsbeispiel: Eine Aluminiumplatine wird nach üblichem Verfahren
Vorbereitet, d. h. organisch und alkalisch entfettet, gespült, gebeizt und wieder
gründlich in Wasser gespült. Alternativ oder zusätzlich können auch andere Oberflächenbehandlungsmethoden,
wie Bürsten, Ätzen, chemisches oder elektrolytisches Polieren eingesetzt werden,
je nach Ausgangsqualität der Metalloberfläche. Die Anodisierung erfolgt in 15%iger
Phosphorsäure bei 320C für 7 min bei Spannungen von 12 bis 14 V. Nach dem gründlichen
Wässern schließt sich sofort die Metallisierung an. Dazu kann beispielsweise ein
Elektrolyt bestehend aus 50 g Nickelsulfat, 20 g Borsäure und 2,5 ml Glycerin pro
Liter Wasser verwendet werden. Die Nickelabscheidung geschieht bei Raumtemperatur
für etwa 10 min bei 16 V Wechselspannung. Abschließend wird in Wasser gespült, in
kochendem Wasser gesealt und an Luft getrocknet.
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Der Grundkörper kann aus Aluminium oder Aluminiumlegierungen, die
eloxierbar sind, bestehen. Mit der erfindungsgemäßen Beschichtung werden folgende
Werte erzielt: Absorptionsvermögen vis = 0,90 ... 0,98 Emissionsvermögen IR = 0,20
... 0,07 Fig. 2 zeigt eine prinzipielle Darstellung eines Grundkörpers, auf dem
eine stark struktuierte metallische Oberfläche erzeugt
werden soll.
Dabei kann der Grundkörper eine glatte Oberfläche (Fig. 2a), eine aufgerauhte Oberfläche
(Fig. 2b), eine zur Verbesserung des Korrosionsschutzes mit einer Beschichtung aus
z.B. Zink, Glanznickel oder Hartchrom versehene Oberfläche (Fig. 2c) oder aber eine
beschichtete und aufgerauhte Oberfläche (Fig. 2d) aufweisen. Die unvorbehandelten
oder vorbehandelten Grundkörper werden als Ausgangsmaterialien für dinachfolgend
beschriebenen Verfahren verwendet.
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Fig. 3 zeigt zwei Beispiele einer erfindungsgemäßen stark struktuierten
Oberfläche, wobei die "lateralen Dimensionen" als typischer (mittlerer) Abstand
A oder Durchmesser (Dicke) D definiert sind. A und D sollen erfindungegemäß kleiner
aI& 2 /um sein.
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Die Fig. 4 zeigt zwei weitere Formen von spektralselektiven Metallstrukturen,
die durch galvanische Abscheidung hergestellt werden können.
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Die Abscheidung derartiger Strukturen wird durch folgende galvanotechnische
Bedingungen begünstigt: - Verarmung des kathodischen Diffusionsfilms, - Verwendung
einfacher Salze, keine Komplexe, - niedrige Kationenkonzentrationen, also stark
verdünnte Lösungen, - Zugabe von nicht abscheidbaren Kationen, - hohe Stromdichte.
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Dabei ist vor allem die ..ohe Stromdichte charakteristisch. Es entstehen
keine ausgeprägten Nadeln - wie im Fall der Abb. 1 -,
sondern kleinere
Zäpfchen oder Noppen, deren Dimensionen im Submikronbereich liegen, also im Lichtmikrospkop
nicht mehr sichtbar sind. Es hat sich herausgestellt, daß für diese Art von Strukturfilter
mehr die Lateraldimension wichtig ist als die Form der Strukturen.
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Ausführungsbeispiel: Die Abscheidung von erfindungsgemäßen Nickelstrukturen
kann erzeugt werden mit einem Nickelbad, bestehend aus 14 g/l NiCl2, 16 g/l NH4Cl
und 40 g/l NaCl. Die Schicht wächst bei 4 V, Raumtemperatur in etwa 20 sec. Die
Schicht besteht aus kleinen Noppen, deren mittlerer Durchmesser und Abstand etwa
0,1 /um beträgt (Fig. 4a). Die / vis/ £ - Werte der Schicht vis IR betragen typischerweise
0,94/0,16 und können bis zu 0,98/0,10 oder weiter gesteigert werden.
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Die Herstellung einer spetralselektiven Tarnschicht durch Dispersionsabscheidung
wird anhand von Fig. 5 beschrieben.
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4 Zunächst wird der zu beschichtende Grundkörpenach bekannten Verfahren
mit einer geeigneten Korrosionsschutzschicht 5 überzogen, deren Auswahl sich nach
dem Werkstoff des Grundkörpers und dem Metall der aufzubringenden Dispersionsschicht
(hier Nickel) richtet. Die spektralselektive Schicht 7 kann anschließend in einem
Elektrolyten abgeschieden werden, der aus 15 gjl NiCl2, 15 g/l NH4Cl, 40 g/l NaCl
und 20 g/l Al203 (Bezugszeichen 6; Korngröße 40 nm) besteht, wobei die Tempera-
0
tur 68 C beträgt. Die Schicht wächst bei einer Spannung von 2 0,6 V, einer Stromdichte
von etwa 6 a/dm2 in ca. 30 min. Die Oberfläche hat nach dieser Behandlung eine bräunliche
Farbe.
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Als besonderes Merkmal de9Erfindung erfolgt anschließend eine mehrstündige
Temperaturbehandlung bei 4000 C an normaler Atmosphäre. Dadurch verfestigt sich
die Schicht und die Straktuierung auf Grund der eingelagerten keramischen Teilchen
tritt noch stärker hervor.
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