DE4002131C2 - Hochtemperaturbeständige Reflektorfolie - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine hochtemperaturbeständige Reflektorfolie, bestehend aus einer hochreflektierenden Auflage aus Edelmetall auf einem keramischen Träger.

Reflektorfolien dieser Art sind beispielsweise für den Einsatz in Leichtbau-Wärmeisolation, z. B. zum Wiederein­ trittsschutz von Raumfahrzeugen, bekannt, (DE 37 05 440).

Für einen derartigen Einsatzbereich ist es unbedingt er­ forderlich, daß das Reflexionsvermögen der Edelmetallschicht trotz des thermischen Einflusses bei Temperaturen bis zu 1450°C über mehrere Stunden an Luft nahezu unverändert er­ halten bleibt. Die Transmission der Schichten sollte dabei ein Minimum betragen.

Die Haftfestigkeit von durch physikalische Verfahren auf keramischen Oberflächen aufgebrachten Edelmetallschichten läßt unter Einwirkung von Temperatur stark nach. So wird bereits bei Temperaturen weit unterhalb des Schmelzpunktes des Edelmetalles und einer Einwirkdauer von nur 30 Minuten eine starke Tendenz zur Agglomeratbildung der Edelmetall­ schicht auf dem Keramikträger beobachtet. Im Falle einer Goldschicht liegt bereits bei 600° die gesamte Edelmetall­ schicht in Form feiner Tröpfchen auf dem Keramikträger. Aus dieser Oberflächenbeschaffenheit ergibt sich ein bei höheren Temperaturen ungenügendes Reflexionsvermögen. Viel­ mehr steigen die Transmissionswerte auf bis zu 50%, da bei einer unvollständig geschlossenen Edelmetallschicht die Durchlässigkeit der Keramik für IR-Strahlungen voll zum Tragen kommt.

Zur Erhöhung der Haftfestigkeit des Edelmetalles auf einem Keramikträger sind Zwischenschichten als Haftvermittler be­ kannt. Empfohlen werden als Haft-Zwischenschichten z. B. Chrom, Mangan, Vanadin, Eisen, Kobalt, Nickel, Legierungen dieser Metalle, Wismut, Wismutoxid, Titan, Ruthenium und Rutheniumoxid (DE 31 18 957 C2). Der Nachteil vieler dieser Schichten besteht darin, daß sie eine starke Tendenz zeigen durch Eindiffundieren in die Edelmetallschicht, deren Haftung auf dem Keramikträger und deren Reflexionsvermögen stark zu beinträchtigen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine hochtempera­ turbeständige Reflektorfolie der eingangs genannten Art zu schaffen, deren Reflexionsvermögen bis zu Temperaturen oberhalb von 1000°C auch über lange Einsatzdauer nahezu unverändert bleibt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Es konnte festgestellt werden, daß die Stabilisierungs­ schicht auf der Edelmetallauflage einer Agglomeratbildung bei hohen Temperaturen entgegenwirkt, so daß das Reflexions­ vermögen der Edelmetallschicht bis auf hohe Temperaturen nahezu unverändert erhalten bleibt, und zwar auch über eine längere Haltezeit.

Gemäß der obengenannten DE-OS 37 05 440 ist es zwar möglich, auf der Edelmetallauflage dünne Metalloxidbeschichtungen aufzubringen. Spezielle Metalloxide werden jedoch nicht genannt, und außerdem sollen diese Beschichtungen im Gegensatz zur vorliegenden Erfindung nicht als Stabilisierungsschichten, sondern als Reflexionsschichten dienen.

Bei einer Reflektorfolie mit Goldauflage wird gemäß der Erfindung eine Stabilisierungsschicht aus SiO vorgesehen. Ein derartiger Schichtaufbau zeigt über viele Stunden Dauereinsatz bei Temperaturen bis zu 1040° an Luft keine Tendenz zur Agglomeratbildung des Goldes auf dem Keramikträger.

Durch die Stabilisierungsschicht kann die Dicke der Gold­ schicht auf ca. 100 nm reduziert werden, was insbesondere für einen Einsatz in der Raumfahrt aus Gewichtsgründen von großem Vorteil ist.

Optimal im Hinblick auf den Erhalt der Reflektivität bis zu Temperaturen von 1040°C hat sich eine Dicke von etwa 300 nm Gold in Verbindung mit einer nur 5 nm dünnen SiO-Stabili­ sierungsschicht erwiesen.

Die Goldauflage kann zur Verbesserung der Haftung am Keramikträger mittels eines bekannten Haftmittels aufge­ tragen sein. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfin­ dung wird SiO als Haftmittel vorgeschlagen. Die Dicke der Haftschicht kann zwischen 4 und 10 nm liegen, bevorzugt wird eine Schichtdicke von 5 nm. Die Haftmittelschicht aus SiO trägt ferner auch zur Stabilisierung der Goldauflage bei.

Für den Einsatz von Reflektorfolien bei höheren Tempera­ turen bis über 1400°C wird Platin oder Rhodium die hoch­ flektierende Auflage bilden. Hier wird eine Stabilisierungs­ schicht aus Al₂O₃ vorgeschlagen. Auch in diesem Fall ist es möglich, die Schichtdicke der Platin- oder Rhodiumauflage auf ca. 100 nm und die der Stabilisierungsschicht auf 5 nm zu reduzieren.

Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben.

Reflektorfolien finden vielseitige Anwendungen, wobei die Wahl der dazu verwendeten Materialien je nach Anwendungsfall optimiert wird.

Bei Einsätzen, die bei Temperaturen oberhalb von 1000°C erfolgen, ist die Wahl der Materialien stark eingeschränkt, und zwar auf Materialien, die neben der Temperaturbeständig­ keit auch oxidationsstabil sind. Damit reduzieren sich die Materialien auf die Edelmetalle, die im Zusammenhang mit einem Substrat auf Keramik, Oxidkeramik und dergleichen verwendet werden.

In den Fig. 1 und 2 sind zwei Ausführungen gezeigt, bei denen die reflektierende Edelmetallschicht 11 entweder direkt auf dem Keramikträger 10 oder mittels einer als Haftmittel 13 dienenden Zwischenschicht mit dem Keramik­ träger 10 verbunden ist. Bei derartig aufgebauten Reflek­ torfolien läßt die Haftfestigkeit zwischen der Edelmetall­ auflage 11 und dem Substrat 10 unter Einwirkung von Tempera­ tur stark nach. Im Falle einer Goldschicht liegt bereits bei 600°C die gesamte Edelmetallschicht in Form feiner Tröpfchen auf dem Keramiksubstrat vor. Dieser Vorgang konnte insbesondere bei 50 µm dünnen, faserverstärkten oxid­ keramischen Unterlagen 10, z. B. aus Al₂O₃, Mullit fest­ gestellt werden. Aus dieser Oberflächenbeschaffenheit ergibt sich bei höheren Temperaturen ein ungenügendes Reflexions­ vermögen. Die Transmissionswerte steigen bis zu 50%, da bei einer unvollständig geschlossenen Edelmetallschicht die Durchlässigkeit der Keramik für IR-Strahlung voll zum Tragen kommt. Um diesem Effekt entgegenzuwirken, ist auf der Edelmetallauflage 11 eine Stabilisierungsschicht 12 vorgesehen, die IR-durchlässig ist, derart, daß das Reflexionsvermögen für IR-Strahlen 14 gegenüber einer nicht beschichteten Edelmetalloberfläche nicht nennenswert beeinträchtigt wird.

Bei Anwendungen um 1000°C wird vorzugsweise eine Goldauf­ lage 11 verwendet. In diesem Fall besteht die Stabili­ sierungsschicht 12 aus SiO. In einem Dauereinsatz eines derartig aufgebauten Reflektors bis zu 18 Stunden bei Temperaturen bis zu 1040°C an Luft, konnte keine Agglomerat­ bildung des Goldes auf dem Keramikträger 10 festgestellt werden. Messungen haben ergeben, daß keine nennenswerten Differenzen im Reflexionsvermögen der Goldschicht gegenüber thermisch unbehandelten Schichten eintraten. So beträgt die gemessene IR-Reflexion nach dem Dauereinsatz bei 1000°C 85%. Die Transmissionswerte der goldbeschichteten Keramikfolie sind nach dem thermischen Einsatz außerordent­ lich gering (um 5%), was die Bestätigung für eine intakte Goldschicht auf dem keramischen Trägermaterial liefert.

In Versuchsreihen wurde ferner gefunden, daß die Dicke der Goldschicht unter Beibehaltung des Reflexionsvermögens auf ca. 100 nm reduziert werden kann. Die Dicke der Stabi­ lisierungsschicht aus SiO kann bis zu 60 nm betragen.

Die Verwendung einer Haftschicht 13, ebenfalls aus SiO, kann zur Stabilisierung der Goldschicht 11 bei hohen Tempe­ raturen beitragen. Im Hinblick auf den Erhalt der Reflexi­ vität bis zu Temperaturen von 1040°C hat sich eine Gold­ schichtdicke von 300 nm in Verbindung mit einer 5 nm dünnen SiO-Haft- und Deckschicht als optimal erwiesen.

Für den Einsatz über 1040° bis zu 1450°C wird als Reflexions­ schicht Platin oder Rhodium verwendet. Diese Edelmetalle besitzen neben einer geringen Abdampfrate auch eine geringe Tendenz zur Oxidbildung im angewandten Hochtemperaturbe­ reich. Zur Stabilisierung der Edelmetallschicht auf dem keramischen Trägermaterial ist eine Schicht 12 aus Al₂O₃ vorgesehen. Dabei kann die Schichtdicke der Platin- bzw. Rhodiumauflage auf ca. 100 nm, die der Stabilisierungs­ schicht auf 5 nm reduziert werden. Überraschenderweise er­ wies sich ein Aufbau von 300 nm Edelmetallschicht 11 in Verbindung mit einer 5 nm dünnen Stabilisierungsschicht 12 aus Al₂O₃ ebenfalls hervorragend für den Erhalt der Reflexionseigenschaften. Nach thermischem Einsatz bis zu 1450°C an Luft über eine Haltedauer von bis 18 Stunden ist ein Abfall der IR-Reflexion um nur 15% gegenüber der thermisch unbehandelten Oberfläche zu beobachten. Die Messungen der Transmission ergaben Werte um 7%.

Die Schichtdicken des jeweiligen Aufbaues richten sich letzlich nach dem jeweiligen Anwendungsfall. Für den Ein­ satz in der Raumfahrt werden möglichst dünne Schichten verwendet.

Das Aufbringen der Schichten 11 bis 13 geschieht vorzugs­ weise durch Vakuum-Aufdampftechnik in einer handelsüblichen Anlage, indem ohne Unterbrechung des Prozesses nacheinander die Haftschicht, die Edelmetallschicht und die Deckschicht aufgedampft werden. Es sind selbstverständlich auch andere auf dem Gebiet der Beschichtung bekannte Verfahren anwend­ bar.

Claims (5)

1. Hochtemperaturbeständige Reflektorfolie, bestehend aus einer hochreflektierenden Auflage aus Gold, Platin oder Rhodium auf einem keramischen Träger, dadurch gekennzeichnet, daß auf der Edelmetallauflage (11) eine IR-durchlässige Stabilisierungsschicht (12) vorgesehen ist, die im Falle einer Goldauflage aus SiO und im Falle einer Auflage aus Platin oder Rhodium aus Al₂O₃ besteht.

2. Reflektorfolie nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Goldauflage (11) mittels SiO als Haftmittel (13) mit dem Träger (10) haftfest verbunden ist.

3. Reflektorfolie nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Falle einer Goldauflage die Haftschicht (13) eine Dicke unter 1 nm hat.

4. Reflektorfolie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Stabilisierungsschicht eine Dicke zwischen 4 und 60 nm hat.

5. Reflektorfolie nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Edelmetallauflage eine Schichtdicke von 100 nm bis 500 nm hat.