DE69106786T2

DE69106786T2 - In sichtbaren und infraroten Bereich optisch absorbierender Körper und Herstellungsverfahren.

Info

Publication number: DE69106786T2
Application number: DE1991606786
Authority: DE
Inventors: Martine Lutz
Original assignee: Airbus Group SAS
Current assignee: Airbus Group SAS
Priority date: 1990-06-26
Filing date: 1991-06-11
Publication date: 1995-05-24
Anticipated expiration: 2011-06-12
Also published as: ES2066384T3; FR2663753A1; CA2044642A1; FR2663753B1; EP0463906B1; EP0463906A1; JPH04226170A; DE69106786D1

Description

Die Erfindung betrifft die Herstellung eines Überzugs mit starker optischer Absorption in einem breiten Wellenlängenband vom sichtbaren Licht bis einschließlich im Bereich der entfernten Infrarotwellen (von etwa einem Mikron bis zu mindestens 100-200 um und vorzugsweise bis zu etwa 500 um) auf einem Substrat.
Ein solcher Überzug wird insbesondere zum Bedecken der Baffles von Raumteleskopen gesucht, d.h. von allgemein zylindrischen Teilen, die von einer einfallenden Strahlung durchquert werden und die die Aufgabe haben, soweit wie möglich die Störstrahlen zu absorbieren, die für die Qualität der Beobachtung schädlich sind (beispielsweise die Eigenstrahlung der Erde und/oder die Reflexion des Lichts der Sonne durch diese oder jede andere Albedo ...). In diesem Zusammenhang sei daran erinnert, daß man allgemein, je weiter im Infrarot man beobachtet, um so weiter und besser im Raum beobachten kann, sofern man natürlich die Infrarotquellen ausschalten kann, die in Nähe des Beobachtungsorts gelegen sind.
Ein solcher Überzug kann jedoch auch andere Anwendungen haben, und zwar insbesondere im Bereich der wissenschaftlichen (insbesondere optischen) instrumentellen Ausrüstung oder bei der Simulierung des unendlichen Raums am Boden ...
Gegenwärtig gibt es höchstens zwei Typen von Überzug, die die Anforderung der Absorbierung in einem so ausgedehnten Spektralbereich (über 80-100 um) erfüllen können.
So kennt man zunächst einen rauhen Anstrich, genannt HERBERTS 1002E (es existiert davon eine elektrisch leitende Variante mit der Bezugszahl 1356H), der im Prinzip auf ein glattes Substrat aufgebracht wird. Dieser Anstrich ist in der Praxis sehr schwierig herzustellen (einschließlich in dem Fall von ebenen oder fast ebenen Substraten), da die zum Einfangen der Strahlung erforderliche Rauheit im Maße der Stapelung von Schichten erzeugt wird, die sehr strengen Konstruktionsregeln gehorchen muß, die nicht immer gut zu steuern sind: insbesondere muß eine präzise Kontrolle der Verdampfung der Lösungsmittel (nicht zuviel, nicht zu wenig) zwischen den aufeinanderfolgenden Schichten gewährleistet werden, die von zahlreichen Parametern abhängt, und zwar insbesondere vom Zustand - Altern ... - des Anstrichs. Angesichts dieser zahlreichen Parameter ist es am besten, das Verfahren menschlich "visuell" durchzuführen. Die Ergebnisse sind jedoch dem Zufall unterworfen.
Man kennt außerdem einen Überzug, genannt "MARTIN BLACK" , der von der Firma MARTIN MARIETTA DENVER AEROSPACE (Vereinigte Staaten) entwickelt wurde und in dem Patent US-A- 4.111.762 beschrieben ist. Dieser Überzug ist schwarz, hat das Aussehen von Velours und ist bis etwa 80 um leistungsfähig. Er besitzt verschiedene insbesondere für Raumanwendungen interessante Merkmale, wie geringe Gasabgabe, hervorragendes Temperaturwechselbelastungsverhalten und geringe Partikelverschmutzung. Er besitzt jedoch den Nachteil, daß er durch Anodisation erhalten wird, so daß er Substraten aus Aluminiumlegierungen vorbehalten bleibt. Außerdem bleibt seine Herstellung schwierig, und vor allem ist er sehr empfindlich: der geringste Kontakt beschädigt ihn irreparabel, was seine Handhabung beträchtlich erschwert.
Dieser Überzug war Gegenstand von Verbesserungen, die in dem Patent US-A-4.589.972 beschrieben sind, und wird in dieser neuen Version unter der Bezeichnung "INFRA BLACK" entwikkelt. Dieser Überzug hat Absorptionsfähigkeiten, die sich bis auf die Gegend von 180-200 um erstrecken, besitzt jedoch dieselben einschränkenden Nachteile von "MARTIN BLACK" , und zwar die hohe Empfindlichkeit und die Beschränkung auf Substrate aus Aluminiumlegierungen.
So können Werkstoffe wie rostfreier Stahl, Invar, Titan ..., die gewöhnlich im Weltraum insbesondere bei optischen Instrumenten verwendet werden (deren thermische Ausdehnungen häufig minimiert werden sollen), nicht mit den Überzügen "MARTIN BLACK" oder "INFRA BLACK" beschichtet werden, während ihre Beschichtung mit dem obengenannten Anstrich HERBERTS zu sehr zufälligen Ergebnissen führt.
Ziel der Erfindung ist es, diese Nachteile zu beseitigen, indem ein Überzug vorgeschlagen wird, der es gestattet, eine Absorption, die sich wenig mit der Längenwelle ändert, auf einem breiten Wellenlängenband, das vom sichtbaren Licht bis über 100 um, typischerweise über 200 um und sogar bis zu etwa 500 um, geht, für viele unterschiedliche Substratnaturen (Metalle, jedoch auch Keramiken und sogar Kunststoffe ...) und in einem Verfahren zu erhalten, das leicht und zuverlässig (leicht automatisierbar) und zu mäßigen Kosten durchzuführen ist.
Dieser Überzug ist auf vorteilhafte Weise dazu ausgelegt, die Temperaturwechselbelastung und die niedrigen Temperaturen auszuhalten (die Infrarotstrahlenbeobachtungen werden häufig bei 0º KELVIN ausgeführt) und nur eine geringe Gasabgabe aufzuweisen.
Zu diesem Zweck schlägt die Erfindung einen im Bereich der sichtbaren Strahlen und der Infrarotstrahlen optisch absorbierenden Körper vor, der ein mit einem Überzug bedecktes Substrat umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Überzug eine poröse Schicht umfaßt, die von Pigmenten, die dafür ausgelegt sind, Infrarotstrahlen zu absorbieren, in einem thermoplastischen Bindemittel gebildet ist, wobei diese poröse Schicht eine Tiefe der Vertiefungen hat, die nahe der Wellenlänge der zu absorbierenden Strahlen und sogar größer als diese ist.
Gemäß bevorzugten, ggf. kombinierten Anordnungen:
- enthält die poröse Schicht auch mineralische Füllstoffe,
- enthält die poröse Schicht auch Ruß,
- ist das Bindemittel eine Mischung aus Polyamid und Polyformaldehyd in gleichen Teilen,
- umfassen die Pigmente eine Mischung von Pigmenten "VAT BLUE 4" und "VAT BROWN 3" ,
- ist diese poröse Schicht auf eine rauhe Oberfläche aufgebracht,
- bedeckt diese poröse Schicht eine auf das Substrat aufgebrachte rauhe Unterschicht,
- hat diese Unterschicht eine Rauheit von mindestens 100 umRa,
- besteht die Unterschicht, wenn das Substrat metallisch ist,
aus Nickelaluminid,
- hat dieser Überzug eine Rauheit RT von mindestens 200 um.
Die Erfindung schlägt ferner ein Verfahren zur Herstellung eines im Bereich der sichtbaren Strahlen und der Infrarotstrahlen optisch absorbierenden Körpers vor, gemäß welchem ein überzug auf ein Substrat aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Schritt umfaßt, in dem man ein Pulver mit einer Korngröße von weniger als oder gleich etwa 100 um herstellt, umfassend eine Mischung von Pigmenten, die dafür ausgelegt sind, Infrarotstrahlen zu absorbieren, und einem thermoplastischen Bindemittel, und das dann einen Schritt umfaßt, in dem man dieses Pulver durch thermisches Spritzen in der Form einer porösen Schicht mit einer Tiefe der Vertiefungen aufbringt, die nahe der Wellenlänge der zu absorbierenden Strahlen und sogar größer als diese ist.
Aufgrund ihres porösen Charakters unterscheidet sich die Oberflächenschicht grundlegend von einer Anstrichschicht.
Gemäß bevorzugten, ggf. kombinierten Anordnungen:
- wird dieses thermoplastische Spritzen mit der Oxypropan- Flammpistole durchgeführt,
- nimmt man den Auftrag dieser Schicht in mehreren Durchgängen vor,
- enthält die Schicht auch mineralische Füllstoffe,
- enthält die poröse Schicht auch Ruß,
- ist das Bindemittel eine Mischung aus Polyamid und Polyformaldehyd in gleichen Teilen,
- sind die Pigmente Pigmente "VAT BLUE 4" und "VAT BROWN 3" ,
- hat das Pulver eine Korngröße von weniger als 100 um,
- findet der Schritt des Auftrags dieser porösen Schicht auf einer rauhen Oberfläche statt,
- wird diese rauhe Oberfläche durch Auftrag einer rauhen Unterschicht durch thermisches Spritzen auf das Substrat erhalten,
- findet dieses Spritzen mit der Oxyacetylen-Flammpistole statt,
- besteht diese Schicht, wenn das Substrat metallisch ist, aus Nickelaluminid.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist auf sehr verschiedene metallische oder nichtmetallische Substrate anwendbar und ist einfach durchzuführen, und zwar einschließlich bei nicht ebenen Substraten, sofern die Geometrie des betreffenden Körpers den Zugang für eine thermische Spritzpistole nicht verhindert.
Gegenstände, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, die als Beispiel dient und in der auf die beiliegenden Zeichnungen Bezug genommen wird, in denen:
- die Figuren 1A bis 1D vier aufeinanderfolgende Phasen in der Herstellung eines erfindungsgemäßen absorbierenden Körpers, der im Schnitt dargestellt ist, darstellen,
- Figur 2 eine Prinzipdarstellung des verwendeten Geräts ist
und
- Figur 3 eine Graphik ist, die für mehrere erfindungsgemäße bzw. dem Stand der Technik entsprechende absorbierende Körper den Prozentsatz der reflektierten Strahlung in Abhängigkeit von der Wellenlänge der einfallenden Strahlung korreliert.
Die Figuren 1A bis 1D zeigen im Schnitt die Herstellung eines erfindungsgemäßen absorbierenden Körpers 10 ausgehend von einem ursprünglich glatten, beispielsweise metallischen Substrat 1 (in der Praxis ein rostfreier Stahl).
In einer ersten Phase nimmt man eine Herstellung der Oberfläche des metallischen Substrats 1 vor. Es handelt sich in der Praxis um Feinsandstrahlen: man erhält den Oberflächenzustand von Fig. 1B (das entspricht typischerweise einer Rauheit von etwa 4-5 umRa).
In einer zweiten Phase, die empfohlen wird, um eine ausreichende Absorption im wesentlichen über 100 um zu erreichen, bringt man durch thermisches Spritzen eine rauhe Unterschicht 2 aus einem Material auf, das eine hohe Haftung auf den betreffenden Substrat gestattet (es handelt sich vorzugsweise um eine Unterschicht aus Nickelaluminid, das eine gute Haftung (mit exothermer Reaktion) auf den meisten in Raumanwendungen in Betracht gezogenen Metallen (rostfreier Stahl, Aluminiumlegierung, Invar - vorzugsweise mit chemischem Nickel beschichtet -) besitzt).
Dieser Auftrag findet mit Hilfe einer Oxyacetylen-Flammpistole statt, deren Einstellungsparameter absichtlich so gewählt sind, daß sie zu einer hohen Rauheit führen.
Beispielsweise verwendet man einen Nickelaluminid-Strang mit einem Durchmesser von 4,75 mm, wobei die Parameter des thermischen Spritzens folgende sind:
- Sauerstoffdruck: 4,8 bar
- Acetylendruck: 1,2 bar
- SF-Luftdüse, Druck 4 bar.
Figur 2 zeigt schematisch die Flammpistole 11 jeden geeigneten bekannten Typs mit ihrer Versorgung mit Pulver 12 und mit Sauerstoff/Acetylen 13. Eine solche Pistole gibt eine hohe Wärme ab, so daß das Substrat vorteilhafterweise auf der der zu behandelnden Oberfläche entgegengesetzten Seite gekühlt wird. Um eine geringere Erwärmung zu erreichen, kann die Flammpistole vorteilhafterweise durch eine elektrische Lichtbogenpistole ersetzt werden.
Man kann auch daran denken, einen mechanischen Angriff des Substrats vorzunehmen, der ausreicht, um es rauh zu machen, sofern seine Dicke es ihm gestattet, diesem Angriff ohne Gesamtdeformation standzuhalten (mehr als 1-2 mm). Chemische Angriffe können auch in Betracht kommen (beispielsweise im Fall von Substraten aus Kunststoff)
Wenn die Unterschicht 2 einmal gebildet ist (vergleiche Fig. 1C), bringt man eine poröse absorbierende Schicht 3 auf, die aus einem Pulver besteht, das aus einer feingemahlenen Mischung von (in der Praxis an sich bekannten organischen) Pigmenten mit hoher Absorption im Infrarot und einem thermoplastischen Bindemittel besteht. Andere Füllstoffe jedes beliebigen bekannten geeigneten Typs können in Abhängigkeit von den zusätzlichen zu erreichenden Zielen zugesetzt werden (beispielsweise elektrische Leitfähigkeit mit Hilfe von Ruß oder mineralische Füllstoffe).
Es ist zu bemerken, daß es gebräuchlich ist, derartige Pigmente in einem warmhärtenden Bindemittel (Anstriche) zu verwenden, nicht jedoch in einem thermoplastischen Bindemittel.
Ein solches thermoplastisches Bindemittel ist einfacher anzuwenden, da es sich im Unterschied zu den warmhärtenden Bindemitteln in der Zeit kaum ändert. Dagegen muß seine chemische Natur (Vorhandensein von polaren Gruppen auf dem Polymer) genau gewählt werden, um eine gute Haftung auf Metallen zu erreichen. Diese Haftung wird durch ein rauhes Substrat (Unterschicht 2) um so mehr begünstigt.
Da die Pigmente im allgemeinen organisch sind, muß ihre Temperatur im Prinzip unter einer wenig hohen Schwelle gehalten werden, und zwar typischerweise von etwa 200ºC, und darf das zugeordnete Bindemittel keine Erweichungstemperatur haben, die wesentlich höher als diese Schwelle ist.
Im vorliegenden Fall besteht das Pulver aus 60 % einer Mischung von Polyamid (PA-11) und Polyformaldehyd (in gleichen Teilen) und 40 % einer Mischung von Pigmenten "VAT BLUE 4" und "VAT BROWN 3" - das sind organische Anthrachinon-Pigmente - (zu gleichen Teilen). Das Ganze wurde gemahlen, um eine Korngröße von geringer als 100 um zu erreichen.
Diese poröse absorbierende Schicht 3 wird durch thermisches Spritzen unter thermischen Bedingungen aufgebracht, die weniger streng als bei der Unterschicht 2 sind und mit der Natur der Pigmente vereinbar sind.
Man verwendet beispielsweise eine Sauerstoff/Propan-Flammpistole. Es handelt sich vorzugsweise um einen Spezialtyp für plastische Pulver, Type SP2, mit seitlicher Einspritzung. Die Spritzparameter sind beispielsweise:
- Sauerstoffdruck: 3 bar
- Propandruck: 3 bar
- Luftdruck: 1,1 bar
- Pulverabgabe: Druck von 3 bar.
Die Bildung dieser Schicht geht vorteilhafterweise in mehreren Durchgängen vor sich (beispielsweise vier Durchgänge von einer Dicke von 50 um in einigen Bruchteilen einer Sekunde bei jedem Durchgang), was, kombiniert mit einer eventuellen Kühlung am Rücken des Substrats, gestattet, die Temperatur des Pulvers auf etwa 100ºC zu halten.
In der Praxis wählt man für das Ganze (Unterschicht (wenn vorhanden) und Schicht) eine Tiefe der Vertiefungen (Rauheitskoeffizient RT) nahe der nominalen Beobachtungswellenlänge oder auch größer als diese (im oben betrachteten besonderen Beispiel 200 um) mit einem kaum kleineren Rauheitskoeffizient Ra (100-150 um).
Versuche haben gezeigt, daß ein solcher Überzug 2+3 insbesondere ein gutes Temperaturwechselbelastungsverhalten besitzt (beispielsweise bei 30 Zyklen zwischen 4 K und 300 K).
Figur 3 gestattet es, verschiedene Werkstoffe hinsichtlich Spiegelung bei T = 7 K in Abhängigkeit von der Wellenlänge zwischen 20 und 450-500 um zu vergleichen.
Die durchgehend gezeichnete Kurve I entspricht einem Körper, der mit einer Schicht von 400 um des Anstrichs HERBERTS 1002E bedeckt ist. Man stellt fest, daß der Reflexionskoeffizient R bis etwa 400 um kleiner als 20 % bleibt.
Die punktierte Kurve II entspricht einer erfindungsgemäßen Probe, die eine direkt auf das glatte Substrat aufgebrachte Schicht besitzt. Der Koeffizient R bleibt bis etwa 180 um kleiner als 20 %.
Die gestrichelte Kurve III entspricht einer Probe gemäß Fig. 1D, die also eine poröse Schicht auf einer rauhen Unterschicht besitzt (die stellenweise am Boden der Vertiefungen das Substrat blank lassen kann). Man stellt fest, daß der Koeffizient R bis mehr als 350 um kleiner als 20 % bleibt, wobei er dem der Kurve I gleichwertig ist (Differenz kleiner als die Genauigkeit der Messung).
Die Erfindung hat es also gestattet, auf vollkommen überraschende Weise dem Leistungsniveau des Anstrichs HERBERTS 1002E mit einem absolut einfachen und damit preisgünstigen Herstellungsverfahren nahezukommen.

Claims

1. Im Bereich der sichtbaren Strahlen und der Infrarotstrahlen optisch absorbierender Körper, der ein mit einem Überzug bedecktes Substrat (1) umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Überzug eine poröse Schicht (3) umfaßt, die von Pigmenten, die dafür ausgelegt sind, Infrarotstrahlen zu absorbieren, in einem thermoplastischen Bindemittel gebildet ist, wobei diese poröse Schicht eine Vertiefungstiefe (Rauheit RT) hat, die nahe der Wellenlänge der zu absorbierenden Strahlen und sogar größer als diese ist.

2. Optisch absorbierender Körper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Schicht auch mineralische Füllstoffe umfaßt.

3. Optisch absorbierender Körper nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Schicht auch Ruß umfaßt.

4. Optisch absorbierender Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel eine Mischung aus Polyamid und Polyoxymethylen in gleichen Anteilen ist.

5. Optisch absorbierender Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Pigmente eine Mischung aus organischen Anthrachinonpigmenten umfassen.

6. Optisch absorbierender Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß diese poröse Schicht auf eine rauhe Oberfläche aufgebracht ist.

7. Optisch absorbierender Körper nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß diese poröse Schicht eine auf das Substrat aufgebrachte rauhe Unterschicht bedeckt.

8. Optisch absorbierender Körper nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß diese Unterschicht eine Rauheit von mindestens 100 umRa hat.

9. Optisch absorbierender Körper nach Anspruch 7 oder Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterschicht, wenn das Substrat metallisch ist, aus Nickelaluminid besteht.

10. Optisch absorbierender Körper nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Überzug eine Rauheit RT von mindestens 200 um hat.

11. Verfahren zur Herstellung eines im Bereich der sichtbaren Strahlen und der Infrarotstrahlen optisch absorbierenden Körpers, gemaß welchem ein Überzug auf ein Substrat aufgebracht wird, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Schritt, in dem man ein Pulver mit einer Korngröße von weniger als oder gleich etwa 100um herstellt, das eine Mischung aus Pigmenten, die dafür ausgelegt sind, Infrarotstrahlen zu absorbieren, und aus einem thermoplastischen Bindemittel umfaßt, und dann einen Schritt umfaßt, in dem man dieses Pulver durch thermisches Spritzen in der Form einer porösen Schicht mit einer Vertiefungstiefe (Rauheit RT) aufbringt, die nahe der Wellenlänge der zu absorbierenden Strahlen und sogar größer als diese ist.

12. Herstellungsverfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß dieses thermoplastische Spritzen mit der Oxipropan-Flammpistole durchgeführt wird.

13. Herstellungsverfahren nach Anspruch 6 oder Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufbringung dieser Schicht in mehreren Durchgangen vorgenommen wird.

14. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Schicht auch mineralische Füllstoffe umfaßt.

15. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die poröse Schicht auch Ruß umfaßt.

16. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Bindemittel eine Mischung aus Polyamid und Polyoxymethylen in gleichen Anteilen ist.

17. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Pigmente organische Anthrachinonpigmente sind.

18. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulver eine Korngröße von unter 100 um hat.

19. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Schritt der Aufbringung dieser porösen Schicht auf einer rauhen Oberfläche geschieht.

20. Herstellungsverfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß diese rauhe Oberfläche durch Aufbringen einer rauhen Unterschicht auf das Substrat durch thermisches Spritzen erhalten wird.

21. Herstellungsverfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß dieses Spritzen mit der Oxiacetylen-Flammpistole vor sich geht.

22. Herstellungsverfahren nach Anspruch 20 oder Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß diese Schicht, wenn das Substrat metallisch ist, aus Nickelaluminid besteht.