DE69117765T2

DE69117765T2 - Verfahren zum Herstellen einer leichten Wabenstruktur

Info

Publication number: DE69117765T2
Application number: DE1991617765
Authority: DE
Inventors: Jitendra S Goela; Michael Pickering; Raymond L Taylor
Original assignee: CVD Inc
Current assignee: CVD Inc
Priority date: 1991-12-27
Filing date: 1991-12-27
Publication date: 1996-07-18
Anticipated expiration: 2011-12-28
Also published as: DE69117765D1

Description

Diese Erfindung betrifft ein verbessertes Verfahren zur Herstellung steifer und fester leichter Strukturen und spezieller ein verbessertes Verfahren zur Herstellung leichter Siliciumcarbid (SiC) und/oder Slllcium (Si) Strukturen unter Benutzung herkömmlicher Techniken zur Abscheidung aus der Dampfphase. Solche leichten Strukturen haben Brauchbarkeit bei einer Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen einschließlich Stützstrukturen für optische Teile, wie Bauteile für Automobile, Luftfahrt- und Raumfahrtanwendungen und leichter Möbelteile für die Raumfahrt.
Auf dem Gebiet der Optik wurde die Lichtbestimmung und -vermessung (LIDA) als ein wichtiges diagnostisches Werkzeug für eine entfernte Messung verschiedener atmosphärischer Parameter, wie kleinerer Stoffkonzentrationen, von Druck-, Temperatur- und Wasserdampfprofilen, von Aerosolwolkenverteilungen und Windfeldern erkannt. LIDAR-Techniken, wie die Messung von rückgestreuten Signalen, Differentialabsorption und Dopplerverschiebungen, wurden verwendet, um Informationen über die Atmosphäre der Erde zu erhalten.
Die Leistung eines LIDAR-Systems hängt von der optischen Gestalt seines Aufnahmeteleskops ab. Oftmals ist infolge von Raumbeschränkungen, wie in einem LIDAR-System eines Raumpendlers, die Länge des Teleskops festliegend. Daher muß der optische Gestalter eine spezielle Form und Optikgeschwindigkeit der Spiegel wählen, um den Durchgang des Teleskops zu maximieren. Das kritischste Element in dem Aufnahmeteleskop ist der Primärspiegel wegen seiner Größe, seines Gewichtes, seiner Herstellungskosten und seiner Wärmeabgabe an die Außenwelt. Da das aufgenommene Signal direkt proportional zu der Fläche des Primärspiegels ist, ist es wichtig, einen möglichst großen Primärspiegel zu verwenden, um brauchbare Signalwerte für genaue Messungen zu erhalten. Dies gilt besonders, wenn ein Raumfahrt-LIDAR- System verwendet wird, um Windprofile in der Troposphäre auf globaler Basis zu messen.
Die herkömmlichen nach dem Stand der Technik verwendeten Methoden zur Herstellung großer (≥ 1,0 Meter Durchmesser) Spiegel sind recht langsam und zeitraubend. Mehrere Monate bis Jahre sind erforderlich, um einen großen Spiegel aus Siliciumdioxidglas oder Zerodur mit ultraniedriger Ausdehnung, einem Produkt, das im Handel erhältlich bei der Schott Glass Technologies, Inc., 400 York Avenue, Duryea, PA 18642 ist, herzustellen. Da die Anzahl der LIDAR-Systeme auf Raumfahrtbasis für die Zukunft geplant werden, wird derzeit beachtliche Aufmerksamkeit der Entwicklung von Techniken für die rasche und wirtschaftliche Herstellung großer leistungsstarker Spiegel geschenkt. So wurde eine Schleudergußtechnik vorgeschlagen, um Glasspiegelrohlinge mit einem Durchmesser von 1,2 Meter und 3,5 Meter, die leichte Wabenzellen enthalten, herzustellen. Obwohl diese Technik vergleichsweise schneller als die herkömmlichen Spiegelherstellungsverfahren ist und leichte Spiegel herstellt, ist das Gewicht dieser Spiegel doch noch eine Größenordnung größer als zulässig für viele Raumfahrtanwendungen. Außerdem ist die Schleudergußtechnik ungeeignet für die Herstellung großer Spiegel fortschrittlicher Keramik, wie SiC, Titandiborid (TiB&sub2;) und Borcarbid (B&sub4;C), die hohe Schmelzpunkte haben. Diese letzteren Materialien haben Eigenschaften, die jenen von Glas für große leichte Optik überlegen sind.
Andere Techniken, die das Gießen von faserverstärkten Verbundwerkstoffen mit einem Gehalt an Epoxyharz und Kunststoffen sowie das Strecken von Membranen über geeignete Substrate einschließen, werden derzeit ebenfalls untersucht.
Noch eine andere Technik zur Herstellung steifer leichter Strukturen ist in der US- Patentschrift 4,716,064 beschrieben, die Robert A. Holzl et al. am 29. Dezember 1987 erteilt wurde. Das Patent von Holzl et al. betont ein Erfordernis für zwei parallele getrennte oberflächenbegrenzende Teile, die durch Versteifungen verbunden werden. Die Herstellung beginnt mit einer festen Graphitscheibe, die die Außenumhüllung des herzustellenden Teiles begrenzt. Sodann wird das Teil durch eine Reihe von Bohrungen oder Bohrlöchern in der Graphitscheibe und die Verwendung von Stopfen und Mehrfachbeschichtungen eines durch chemische Abscheidung aus der Dampfphase gewonnenen Materials, das ein großes Verhältnis von Steifigkeit zu Gewicht hat, gewonnen. Ein Nachteil dieses Herstellungsverfahrens besteht darin, daß es zeitraubend, komplex und kostspielig ist. Außerdem beschränken die vielen Stufen des Bohrens, Verstopfens und mehrfachen Beschichtens, die inhärent eingeschlossen sind, die Fähigkeit, die Formbeständigkeit zu kontrollieren. Dies beeinträchtigt den Wert des Verfahrens, wo extreme Formbeständigkeitsbeibehaltung von Wichtigkeit ist, wie bei Spiegeln mit hoher Leistung. Außerdem ist die Technik von Holzl et al. wegen der Schwierigkeit, gleichmäßige Überzüge in den Durchgängen zwischen den beabstandeten parallelen, oberflächenbegrenzenden Teilen zu erhalten, auf relativ dünne Strukturen beschränkt.
Somit besteht ein Bedarf und eine Forderung nach Verbesserung der Herstellungsmethoden für steife und feste Leichtstrukturen, um extreme Beibehaltung der Formbeständigkeit sowie eine Zugänglichkeit zur Maßstabsvergrößerung zu bekommen, während man gleichzeitig in die Lage versetzt wird, das Herstellungsverfahren zu vereinfachen und die für ein solches Verfahren erforderliche Zeit und die Kosten eines solchen Verfahrens zu reduzieren.
Die vorliegende Erfindung besteht in einem Verfahren zur Herstellung einer leichten Struktur aus mehreren Rippen, von denen jede im wesentlichen die gleiche Höhe und Dicke hat, wobei die Höhe und Länge die Dicke wesentlich überschreiten und wobei jede der Rippen eine Mitte, eine erste längliche Kante und eine zweite längliche Kante hat, mit den Stufen, in denen man
a) aus einem ersten Satz dieser Rippen, von denen jede im wesentlichen die gleiche Länge hat, eine sechseckige Zelle mit mehreren Paaren von am weitesten voneinander beabstandeten Ecken und einer Tiefe gleich der Höhe der Rippen bildet,
b) Schlitze in der Mitte einer ersten, zweiten und dritten eines zweiten Satzes dieser Rippen bildet, die alle die gleiche Lange im wesentlichen gleich dem Abstand zwischen den am weitesten voneinander beabstandeten Ecken der sechseckigen Zelle haben, mit einem ersten Schlitz von der ersten länglichen Kante der ersten der Rippen, einem zweiten Schlitz von der zweiten länglichen Kante der zweiten der Rippen und einem dritten und vierten Schlitz von der ersten länglichen Kante bzw. der zweiten länglichen Kante der dritten dieser Rippen, wobei die Längen des ersten und zweiten Schlitzes größer als die Hälfte der Höhe der Rippen sind und die Längen des dritten und vierten Schlitzes kleiner als die Hälfte der Höhe des zweiten Rippensatzes sind,
c) die erste, zweite und dritte der Rippen an ihren Mitten miteinander verankert, indem man den ersten und zweiten Schlitz in zusammenwirkende Beziehung mit dem dritten bzw. vierten Schlitz bringt,
d) die miteinander verankerte erste, zweite und dritte der Rippen so in Beziehung zu der sechseckigen Zelle positioniert, daß man deren am weitesten voneinander beabstandete Ecken verbindet und dabei einen Strukturkern mit sechs Bereichen jeweils mit gleichseitigem dreieckigem Querschnitt bildet, wobei jeder solcher Bereich eine Zelle umfaßt, und
e) den Strukturkern einem Verfahren zur Abscheidung aus der Dampfphase unterzieht und dabei ein versteifendes und verfestigendes Material abscheidet und als Überzug darauf aufbringt und so den Strukturkern in einer monolithischen Struktur eines solchen Materials einschließt.
Mit Hilfe der Erfindung ist es möglich, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung steifer und fester leichter Strukturen zu bekommen, die durch extreme Beibehaltung der Formbeständigkeit gekennzeichnet sind, und ein Verfahren zu bekommen, das eine Vereinfachung der Herstellung steifer und fester leichter Strukturen, eine Verminderung der hierfür erforderlichen Zeit und Kosten ermöglicht.
Nach der Erfindung hergestellte Strukturen haben besondere Brauchbarkeit als Stützstrukturen bei der Herstellung leichter Spiegel. Sie sind gekennzeichnet durch ihre Anpaßbarkeit für die Herstellung in verschiedenen vorbestimmten Gestaltungen und durch ihre Anpaßbarkeit für die Vergrößerung des Maßstabs.
Gemäß einer Ausführungsform bekommt man eine vierstufiges Verfahren zur Herstellung leichter Strukturen aus SiC und/oder Silicium (Si). Die leichte Struktur besteht aus einem Kern, um die Form und Größe der Struktur zu definieren, überzogen mit einer geeigneten Abscheidung, wie SiC oder Si, um der leichten Struktur Festigkeit und Steifheit zu verleihen und die leichte Struktur an eine andere Oberfläche zu binden.
Der Kern der leichten Struktur wird durch Binden dünner Rippen eines geeigneten Materials aneinander mit einem verträglichen Bindemittel hergestellt. Der Kern kann aus vielen Wabenzellen geeigneter Formen bestehen. Diese Kernstruktur kann auf ein geeignetes Substrat gelegt werden, dessen Oberflächengestalt vorbestimmt werden kann. Das Substrat kann mit einem Trennmittel beschichtet werden. Ein erwünschtes Überzugsmaterial wird dann auf der Kernstruktur durch Verwendung herkömmlicher oder anderer geeigneter Abscheidungsverfahren abgelagert. Eine ausreichende Dicke des Beschichtungsmaterials wird abgeschieden, um zu gewährleisten, daß der Kern vollständig beschichtet wird. Die so hergestellte leichte Struktur wird aus dem Abscheidungssystem entfernt und von dem Substrat getrennt. Wenn erforderlich oder erwünscht, kann das eingeschlossene Kernmaterial durch das Bohren kleiner Löcher in die Wände der Struktur, gefolgt von Abbrennen, Wegätzen oder Wegschmelzen des Kernmaterials von dem abgeschiedenen Überzugsmaterial entfernt werden.
Die Herstellung der leichten Struktur gemäß dem vierstufigen Verfahren ist somit folgende: (i) Herstellung eines Kerns der leichten Struktur, (ii) Befestigen der Kerns der leichten Struktur auf einem Substrat für die Abscheidung des Überzugsmaterials, (iii) Ablagerung des Überzugsmaterials, um den Kern einzuschließen, und (iv) Entfernung des Kerns von dem Substrat.
Der Kern der leichten Struktur kann unter Verwendung eines Metalles oder Nichtmetalles als das Kernmaterial einschließlich Kunststoffen, Keramikmaterialien, Kohlenstoff, Glas, Polymer usw., hergestellt werden. Das Haupterfordernis für einen guten Kandidaten für das Kernmaterial besteht darin, daß es mit dem Abscheidungsverfahren und Abscheidungsmaterial verträglich sein sollte. Dünne Rippen des Kernmaterials werden erhalten und dann in der Form einer Wabenstruktur angeordnet. Die Rippen können an den Ecken und Schnittpunkten mit einem geeigneten Bindemittel, wie es dem Fachmann bekannt ist, miteinander verbunden werden. Andere Verbindungsverfahren, wie Schweißen&sub1; Hartlöten, Löten, können ebenfalls verwendet werden.
Jede Zelle der Wabenstruktur kann in der Form eines Kreises, eines Quadrates, Rechtecks oder eines Vielecks vorliegen. Die leichte Struktur kann auch mit einer Kombination verschiedener Zellenformen hergestellt werden. Die bevorzugte Struktur ist jedoch eine solche, die die größte Steifigkeit für die beabsichtigte Anwendung hat, wie eine mit sechseckigen Zellen, von denen jede sechs dreieckige Zellen enthält.
Die Erfindung hat besondere Brauchbarkeit bei der Herstellung leichter Si/SiC-Spiegel. So kann ein vollständiges leichtes Spiegelsubstrat direkt in einer Kammer für Abscheidung aus der Dampfphase in einem einstufigen Verfahren hergestellt werden, ohne daß ein Bindungsmittel erforderlich ist, um die SiC-Stützstruktur an der Vorderplatte des Spiegels zu befestigen.
Die verschiedenen neuen Merkmale, die die Erfindung kennzeichnen, sind mit Ausführlichkeit in den beigefügten Ansprüchen wiedergegeben, die einen Teil dieser Beschreibung bilden. Für ein besseres Verständnis der Erfindung, ihrer Arbeitsvorteile und speziellen Ziele, die man mit ihrer Verwendung erreicht, wird Bezug genommen auf die beiliegende Zeichnung und Beschreibung, worin bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung erläutert sind.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nun unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung beschrieben, worin
Figuren 1 und 2 eine Draufsicht bzw. Vorderansicht eines Kerns für leichte Struktur sind, die gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zur Abscheidung eines Beschichtungsmterials darauf angeordnet sind,
Figur 3 eine Detaildarstellung von zwei der drei sich schneidenden und ineinandergreifenden Rippen des Kerns für eine leichte Struktur der Figuren 1 und 2 ist,
Figur 4 eine Detaildarstellung der dritten der sich schneidenden und ineinandergreifenden Rippen des Kerns für die leichte Struktur nach den Figuren 1 und 2 ist,
Figuren 5 und 6 eine Draufsicht bzw. Vorderansicht eines Kerns für eine leichte Struktur sind, der gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zur Abscheidung eines Überzuges darauf angeordnet ist,
Figur 7 eine perspektivische Darstellung einer chemisch aus der Dampfphase abgeschiedenen leichten SiC-Struktur ist, die unter Benutzung des Kerns für eine leichte Struktur erzeugt wurde, welcher wie in Figuren 5 und 6 gezeigt angeordnet wurde,
Figuren 8 und 9 eine Draufsicht bzw. Vorderansicht eines Kerns für eine leichte Struktur sind, der gemäß einer dritten Ausführungsform der Erfindung zur Abscheidung eines Überzugsmaterials darauf angeordnet ist,
Figur 10 eine perspektivische Darstellung einer durch chemische Abscheidung aus der Dampfphase hergestellte leichte SiC-Struktur ist, die an eine SiC-Vorderplatte gebunden ist, die unter Benutzung des Kerns für eine leichte Struktur hergestellt wurde, welcher, wie in den Figuren 8 und 9 gezeigt, angeordnet wurde,
Figur 11 eine schematische Erläuterung einer Apparatur für chemische Abscheidung aus der Dampfphase ist, die verwendet werden kann, um leichte SiC- und Si-Strukturen herzustellen, wie in den Figuren 1 bis 10 erläutert ist,
Figuren 12 und 13 eine Draufsicht bzw. Seitenansicht einer im Maßstab vergrößerten Kernanordnung für eine leichte Stütztstruktur sind, wobei diese Anordnung Brauchbarkeit bei der Herstellung einer monolithischen leichten Si/SiC-Spiegelvorderplatte und der Stützstruktur hierfür durch chemische Abscheidung aus der Dampfphase hat,
Figuren 14 - 30 Seitenansichten sind, die die Formen der Rippen erläutern, die in der Kernanordnung für eine Stützstruktur der Figuren 12 und 13 verwendet werden, wobei die Anordnung gemäß einer ersten und bevorzugten Methode ist,
Figuren 31 und 32 eine Draufsicht bzw. Seitenansicht einer im Maßstab vergrößerten Kernanordnung für eine leichte Stützstruktur mit Brauchbarkeit bei der Bildung einer monolithischen leichten Si/SiC-Spiegelvorderplatte und der Stützstruktur hierfür durch chemische Abscheidung aus der Dampfphase sind, wobei die Anordnung des Kerns für eine leichte Stützstruktur nach einer zweiten Methode erfolgt,
Figuren 33 - 42 Seitenansichten sind, die die Formen der Rippen erläutern, die in der Kernanordnung für eine Stützstruktur gemäß den Figuren 31 und 32 nach einer zweiten Anordnungsmethode verwendet werden, und
Figur 43 eine schematische Erläuterung eines Ofens für chemische Abscheidung aus der Dampfphase ist, der verwendet werden kann, um SiC- und Si-Abscheidungen auf einer Spiegelvorderplatte und der Stützstruktur hierfür zu bewirken, wie in den Figuren 12, 13, 31 und 32 gezeigt ist.
Die Figuren 1 und 2 der Zeichnung erläutern einen Kern 10 für eine leichte Struktur, der aus Graphitrippen 12a, 12b, 12c und 14a...14f hergestellt ist. Der Kern 10 ist so hergestellt, daß die Rippen 14a... l4f, die alle von der gleichen Länge sind, eine sechseckige Zelle bilden. Die Rippen 12a, 12b und 12c schneiden sich in der Mitte und verbinden die sechs Ecken des Sechseckes. Die Rippen 12a, 12b und 12c teilen das Sechseck auch in sechs dreieckige Teile. Die Rippen 12a, 12b und 12c sind mit Mittelschlitzen hergestellt, wie weiter nachfolgend unter Bezugnahme auf die Figuren 3 und 4 beschrieben ist, um sie an ihrer Stelle ineinandergreifen zu lassen.
Bei den bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung haben die Rippen alle eine Dicke von etwa 0,5 mm (0,020 Inch). Außerdem sind die Rippen alle dadurch gekennzeichnet, daß sie ein großes Verhältnis ihrer Länge und Höhe zu ihrer Dicke haben. D.h., die Länge und die Höhe jeder Rippe überschreitet stark ihre Dicke.
Bei der in den Figuren 1 und 2 erläuterten erfinderischen Ausführungsform und auch bei jenen, die in den Figuren 5 und 6 und in den Figuren 8 und 9 erläutert sind, haben alle Rippen wenigstens zwei benachbarte Oberflächen, die eine erste längliche Kante bilden, von der alle Teile in einer einzigen Ebene angeordnet sind, so daß sie die in Figur 2 gezeigten Bodenkanten 14g, 14h und 14i enthält.
Damit die Rippen 12a, 12b und 12c in ihrer Mitte ineinandergreifen können, sind zwei der Rippen, beispielsweise 12a und 12b, wie in Figur 3 gezeigt, in einer ersten länglichen Kante mit einem einzigen Querschlitz 12d versehen, der sich etwas weiter als über die Hälfte der Höhe der Rippe erstreckt. Die dritte Rippe 12c ist, wie in Figur 4 gezeigt, in einer ersten länglichen Kante und in einer zweiten länglichen Kante bei deren Mitten mit einander gegenüberliegenden Querschlitzen 12e bzw. 12f versehen, die sich weniger als die Hälfte über die Höhe der Rippe 12c erstrecken. Die Anordnung der Rippen 12a... 12c in Arbeitsbeziehung zueinander wird bewirkt, indem man die Schlitze 12d der Rippen 12a und 12b in ineinandergreifender Beziehung mit gegenüberliegenden Querschlitzen 12e und 12f plaziert, von denen sich jeder Schlitz weniger als über die Hälfte der Höhe der Rippe 12c erstreckt. Die Rippen 14a... 14f sind so angeordnet, daß sie den Außenumfang einer Struktur 10 mit sechs Seiten mit drei Paaren am weitesten voneinander beabstandeter Ecken definieren und sechs Zellen bilden und so ein Sechseck vervollständigen, wie gezeigt ist.
Die Graphitrippen 12a ...12c und 14a... 14f können mit einem Graphitzement verbunden werden. Graphit ist ein gutes Kernmaterial, da es mit den meisten Abscheidungsverfahren verträglich ist. Weiterhin sind mehrere verschiedene Graphittypen mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten verfügbar. Ein spezieller Graphit mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten, der nahe zu jenem eines abzuscheidenden Überzugsmaterials paßt, kann ausgewählt werden. Ein Nachteil von Graphit besteht darin, daß er ein brüchiges Material ist. So können Schwierigkeiten bei der Herstellung von Kernen für eine leichte Struktur mit Graphitrippendicken geringer als 0,5 mm (0.020 Inch) auftreten. Die Graphitrippendicke kann jedoch auf weniger als 0,5 mm durch Brennen der Rippe in Luft reduziert werden. Andere feste und steife Materialien, wie Si, SiC, Wolfram (W), Molybdän (Mo) usw., können auch verwendet werden, um Kerne mit extrem dünner Wand für eine leichte Struktur herzustellen.
Die Anordnung des Kerns 10 für eine leichte Struktur in einem Abscheidungssystem zur Abscheidung eines geeigneten Abscheidungsmaterials darauf hängt von der Anwendung ab, für welche die leichte Struktur beabsichtigt ist. Wenn nur der Kern für die leichte Struktur ohne irgendeine Platte oder ein Substrat an jedem Ende erforderlich ist, kann der Kern für die leichte Struktur auf Graphitpolen 16a ...16f angeordnet werden, die an einem Substrat 18 befestigt sind, wie in Figur 2 gezeigt ist, wobei die Kanten der Rippen an den Spitzen der Pole anliegen. Nach Beendigung der Abscheidung des Überzugsmaterials wird die leichte Struktur erhalten, indem man die Struktur von den Polen trennt, wie durch Abschneiden.
Wenn eine Platte des abgeschiedenen Materials an einem Ende der leichten Struktur erforderlich ist, kann der Kern 10 für die leichte Struktur entweder lose an ein Substrat 20, das mit einem Entformungsmittel 22 beschichtet ist, wie in den Figuren 5 und 6 gezeigt ist, gebunden oder auf einem solchen Substrat angeordnet werden. Eine Suspension von Graphitteilchen in einem organischen Lösungsmittel kann als der Entformungsüberzug verwendet werden.Bei einer solchen Verwendung erfolgt die Abscheidung nicht nur auf den Wänden des Kerns 10 für die leichte Struktur, sondern auch an seiner Basis. Bei Beendigung des Abscheidungsverfahrens wird die leichte Struktur mit einer Basisplatte 24 von darauf gebildetem Überzugsmaterial von dem Substrat 20 abgetrennt. In Figur 7 ist eine perspektivische Darstellung einer vollständig mit SiC eingeschlossenen leichten Graphitstruktur 26, die nach diesem Verfahren hergestellt wurde, erläutert.
Bei einigen Anwendungen, wie bei der Herstellung leichter Si- oder SiC-Spiegel, kann es erwünscht sein, gleichzeitig die leichte Struktur herzustellen und sie an eine Vorderplatte eines erwünschten Materials zu binden. In solchen Fällen wird ein Kern 10 für eine leichte Struktur, wie in den Figuren 8 und 9 gezeigt, an eine Vorderplatte 28, etwa durch die bei 30 angezeigte Fließbindung gebunden und die Abscheidung durchgeführt. Das Material der Vorderplatte sollte mit dem Abscheidungsverfahren verträglich sein, um ein Anhaften des abgeschiedenen Materials zu gewährleisten. Figur 10 erläutert eine von SiC eingeschlossene leichte Graphitstruktur, die an eine SiC-Vorderplatte gebunden ist, welche unter Verwendung dieser Methode hergestellt wurde.
Um den Kern für eine leichte Struktur einzuschließen, kann ein geeignetes Überzugsmaterial nach irgendeinem der Abscheidungsverfahren aus der Dampfphase, die derzeit verfügbar sind, abgeschieden werden. Diese Verfahren schließen physikalische Abscheidung aus der Dampfphase, Sputtern, chemische Abscheidung aus der Dampfphase und ihre verschiedenen Typen (von Plasma unterstützte Abscheidung aus der Dampfphase, Niederdruckabscheidung aus der Dampfphase, von Laser unterstützte Abscheidung aus der Dampfphase, metallorganische Abscheidung aus der Dampfphase usw.), Aufdampfen und Ionenstrahlempflanzung ein. Die Materialien, die abgeschieden werden können, schließen Metalle und Nichtmetalle (Kunststoffe, Keramikmaterialien, Gläser, Polymere usw.) ein.
Figur 11 erläutert schematisch eine Apparatur zur chemischen Abscheidung aus der Dampfphase, die mit 32 bezeichnet ist und die verwendet werden kann, um leichte SiC- und Si- Strukturen gemäß der Erfindung herzustellen. Diese Apparatur 32 enthält einen horizontalen Forschungsofen 34, speziell einen elektrisch beheizten Lindberg-Dreizonenofen, ein Reaktionspartnerzuführungsystem 36 und ein Abzugssystem 38.
Verbunden mit dem Ofen 34 ist ein längliches Rohr 40 aus Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;), das eine Reaktions- oder Abscheidungskammer 42 enthält, die sich im wesentlichen zusammen mit der Zone 2 erstreckt. Die Zone 2 wird, wie gezeigt, durch ein Heizelement 44 erhitzt, während die Zonen 1 und 3 durch einzeln verbundene Heizelemente 46 bzw. 48 erhitzt werden. Schamotteblöcke, die mit 50 und 52 bezeichnet sind, liegen außerhalb des Rohres 40 in deren Bereichen, die jeweils mit Zonen 1 und 3 verbunden sind.
Der Abscheidungsbereich innerhalb der Kammer 40 ist mit 54 angegeben und hat, wie gezeigt, damit verbunden einen Formkern 56, der aus vier Seiten eines offenen Kastens und einer Prallplatte 58 besteht. Der Druck in der Kammer 42 wird durch ein Druckmeßgerät 60 angezeigt.
Eine Befestigung des Kerns 10 für die leichte Struktur auf der Prallplatte 58 für die Abscheidung eines Überzugsmaterials darauf, wie durch Bindung, ist bevorzugt. Der Grund hierfür ist, daß eine solche Befestigung miminale Abscheidungsungleichmäßigkeit von Zelle zu Zelle in dem Kern für leichte Strukturen liefert.
Das Reaktionspartnerzufuhrsystem 36 schließt einen Behälter 60, der eine Quelle für Argon (Ar) unter Druck umfaßt, einen Einperlbehälter 62, der Methyltrichlorsilan (CH&sub3;SiCl&sub3;) oder Trichlorsilan (SiHCl&sub3;) enthält, durch welches Argon aus der Quelle 60 unter Steuerung durch die Ventile 64a und 64b eingeperlt wird, und eine (nicht gezeigte) getrennte Wasserstoffquelle (H&sub2;) ein. Das abzuscheidende SiC- und Si-Material wird durch Umsetzung von CH&sub3;SiCl&sub3; bzw.SiHCl&sub3; mit H&sub2; hergestellt. Andere Silan- und Kohlenwasserstoffquellen können verwendet werden, um SiC und Si zu bilden. Beide dieser Materialien wurden über einen weiten Abscheidungstemperatur- und Reaktordruckbereich hergestellt, wie in Tabelle I nachfolgend gezeigt ist. Tabelle I - Nominelle CVD-Verfahrensparameter, die zur Herstellung leichter SiC- und Si-Strukturen verwendet werden Erzeugtes Material Fließgeschwindigkeiten Abscheidungstemperatur, Grad C Reaktordruck Torr Abscheidungsgeschwindidigkeit, µm/min
Die Reagenzien können in die Abscheidungskammer 42 durch einen mittigen Injektor (nicht gezeigt) eingeführt werden. Der Injektor kann mit Wasser gekühlt werden, um (i) eine Abscheidung in dem Injektor zu vermeiden und (ii) um die Temperatur der Reagenzien niedrig zu halten und so eine Gasphasenzersetzung oder Keimbildung zu minimieren. Die Abscheidungsdicke wird durch Variieren der Verfahrensparameter der chemischen Abscheidung aus der Dampfphase und der Abscheidungszeit gesteuert. Nachdem eine ausreichende Dicke des Materials abgeschieden ist, wird das Abscheidungsverfahren beendet und der Ofen sehr langsam gekühlt, um ein Brechen oder Verwerfen der leichten Struktur durch Restspannungen zu vermeiden.
Das in Figur 11 gezeigte Abzugssystem 38 enthält eine Vakuumpumpe 64, einen Gaswäscher 66, Gasfilter 68 und ein Ölfilter 70. Das Abzugssystem 38 ist vorgesehen, um die gasförmigen Reaktionsprodukte, die in der Reaktionskammer 42 während des Abscheidungsverfahrens abgegeben werden, zu evakuieren.
Entfernung des Graphitkerns, wie oben erwähnt, erfolgt gegebenenfalls. Da das abgeschiedene Material das Kernmaterial vollständig einschließt, ist es nicht erforderlich, das Kernmaterial zu entfernen. Wie der Fachmann versteht, kann ein Kernmaterial ausgewählt werden, dessen Gegenwart die Leistung der leichten Struktur nicht verschlechtert. Mögliche Kernmaterialien sind Graphit, Si, Glas, Quarz und verschiedene Metalle.
Es wird festgestellt, daß, wenn eine Abscheidungstechnik aus der Dampfphase verwendet wird, um eine leichte Struktur herzustellen, der Gasfluß in der leichten Struktur, wie durch die Pfeile in Figur 2 erläutert, ein durch Diffusion geleiteter "Stagnations"-Fluß ist. Dieser neigt dazu, Abscheidungsungleichmäßigkeiten zusammen mit der Zellentiefe zu ergeben, wo die unerwünschten Wirkungen von Stagnationsfluß dazu neigen, am größten zu sein. Unter dem Begriff "Stagnationsfluß" versteht man einen Fluß, der schleppend ist oder dem Aktivität fehlt, d.h. ein Fluß, der geringe Bewegung oder Bewegungsstärke hat.
Gemäß der Erfindung kann ein solcher Stagnationsfluß minimiert werden, indem man Löcher 14j, wie in den Figuren 6, 7 und 9 gezeigt, in den Wänden des Kerns 10 für leichte Struktur und insbesondere den Wänden benachbarter Zellen vorsieht. Dies führt zu einem Gasfluß, wie durch die Pfeile in den Figuren 6 und 9 erläutert, und verbessert die Festigkeit der leichten Struktur, die erzeugt wird. Die bevorzugte Stelle für die Löcher 14j ist auf den Wänden nahe der Basis des Kerns für die leichte Struktur, d.h. nahe dem Substrat 20, wie in Figur 6 gezeigt, und nahe der Vorderplatte 28, wie in Figur 9 gezeigt.

Beispiel I

Die in Figur 7 gezeigte von SiC eingeschlossene leichte Graphitstruktur wurde nach dem oben beschriebenen Verfahren in Verbindung mit der in Figur 11 gezeigten Abscheidungsapparatur und mit den in Tabelle I aufgeführten Verfahrensparametern hergestellt. Der Kern für die leichte Struktur wurde aus Graphitrippen konstruiert, die etwa 0,5 mm dick, 3,25 cm lang und 2,5 cm hoch waren. Die Abscheidungsdicke war etwa 0,76 mm(0,03 Inch). Die erzeugte leichte Struktur war recht fest und starr. Es gab keine offensichtlichen Spannungen oder Risse in der Struktur.

Beispiel II

Die chemische Abscheidungstechnologie aus der Dampfphase zur Herstellung einer leichten Stützstruktur wurde durch Herstellung einer einzelligen SiC-Struktur auf der Rückseite einer Vorderplatte demonstriert. Zunächst wurde ein Graphitkern, der aus einer äußeren sechseckigen Zelle mit sechs inneren dreieckigen Zellen bestand, wie in den Figuren 8 und 9 erläutert ist, aus Graphitrippen mit einer Dicke von etwa 0,5 mm konstruiert. Jede Seite dieser sechseckigen Zelle war 3,35 cm lang und 2,50 cm hoch. Dieser Graphitkern wurde auf der Rückseite der SiC-Vorderplatte angeordnet und dann mit SiC beschichtet. Dieses Verfahren erzeugte eine monolithische leichte SiC-Struktur ohne Verwendung irgendeines Bindemittels. Um Restspannungen in der Struktur zu vermeiden, wurde eine Graphitqualität verwendet, die einen größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als der des chemisch aus der Dampfphase abgeschiedenen SiC hatte.
Ein SiC-Überzug von etwa 0,5 mm Dicke auf der SiC-Vorderplatte mit nahezu der Endform wurde aufgebracht, um eine Herstellung der fertigen optischen Form zu gestatten. Um einen gleichmäßigeren Si-Überzug zu erhalten, wurde die SiC-Vorderplatte so befestigt, daß der Fluß direkt auf die unterteilte Oberfläche auftraf. Da der Si-Überzug nur auf der Vorderoberfläche des Spiegels erforderlich ist, wurden alle anderen Bereiche mit Folie abgedeckt. Der Spiegel wurde zu einer Form von einem Fünftel einer Welle bei 0,6328 µm und einem Fertigprodukt von ≤ 10A RMS flach poliert.
Gemäß der Erfindung kann das oben erwähnte Verfahren auch ausgedehnt werden, um gekrümmte Si/SiC-Spiegel von vergrößertem Maßstab und leichte Stützstrukturen hierfür herzustellen.
Bei der Herstellung von Strukturkernen für die Verwendung als Stützstruktur für flache Spiegel ist die Anordnung der Rippen, wie oben erwähnt, derart, daß alle Rippen wenigstens zwei benachbarte Oberflächen haben, die eine Kante bilden, von der alle Teile in einer einzigen Ebene liegen. So liegen benachbarte Kantenabschnitte der von der Rippenanordnung gebildeten mehreren Zellen alle in der gleichen Ebene. Im Falle der Herstellung von Strukturkernen für die Verwendung als Stützstruktur für gekrümmte Spiegel liegen benachbarte Kantenabschnitte der Zellen der von den Rippen gebildeten Struktur nach der Montage auf einer gekrümmten Oberfläche.
Die Herstellung gekrümmter Spiegel ist komplizierter, wie aus der nachfolgenden Beschreibung ersichtlich ist, infolge (i) der optischen Herstellung einer erforderlichen gekrümmten Oberfläche und (ii) der Herstellung und Montage eines Graphitkerns für die leichte Struktur. In anderer Hinsicht ist die Herstellung gekrümmter und flacher Spiegel ähnlich.
Um die leichte SiC-Stützstruktur zu vergrößern, wird zunächst der Graphitkern vergrößert. Da die Dicke der Graphitrippen während der Vergrößerung gleich gehalten wird, ist erhebliche Sorgfalt erforderlich, um einen großen Graphitstrukturkern zusammenzubauen.
Die Figuren 12 und 13 erläutern die Draufsicht bzw. Seitenansicht eines vergrößerten Kerns für eine leichte Struktur nach der Erfindung. Der mit 72 bezeichnete Kern für eine leichte Struktur nach einer vierten Ausführungsform der Erfindung ist besonders brauchbar als die Rückenstützstruktur für leichte gekrümmte Si/SiC-Spiegel im Unterschied zu flachen Spiegeln, wie in den Figuren 7 und 10 gezeigt ist. Für die Herstellung des Kerns 72 flir eine leichte Struktur sind hier zwei Methoden beschrieben.
Der Kern 72 für eine leichte Struktur wird, wie in Figur 12 gezeigt, aus sechs Rippen gleicher Länge hergestellt, die derart positioniert werden, daß eine große sechseckige Zelle mit einer Tiefe gleich derjenigen der Rippen das meiste der Rückseite der runden Vorderplatte 74 bedeckt. Die sechs Ecken dieses Sechseckes verbinden drei große Rippen, die sich in ihren Mittelpunkten schneiden. Diese Rippen teilen das Sechseck auch in sechs gleiche dreieckige Teile. Diese großen Rippen werden ähnlich den Rippen 12a, 12b und 12c, die in den Figuren 3 und 4 gezeigt sind, mit Mittelschlitzen hergestellt, um sie an ihrer Stelle ineinandergreifen zu lassen.
Spezieller werden bei der Herstellung des Kerns 72 für eine leichte Struktur sechs Außenseiten eines großen Sechseckes, das Rippen eines ersten Satzes umfaßt, die alle die am weitesten beabstandeten gleicher Länge haben, und drei mittige Rippen, die Rippen eines zweiten Satzes umfassen und von denen alle gleiche Länge haben, miteinander verbunden. Danach werden die sechs dreieckigen Bereiche, die in dem Sechseck gebildet werden, mit Rippen eines dritten Satzes gefüllt, um kleinere Zellen gleichseitigen Querschnitts und miteinander verbunden, um den Innenbereich zu vervollständigen, gefüllt. Der Bereich außerhalb des Sechseckes kann dann mit Rippen eines vierten Satzes geschlossen werden, um so viel wie möglich von der runden Fläche der Vorderplatte 74 zu bedecken.
Einzelheiten des Zusammenbaus des Kerns 72 für die leichte Struktur gemäß den Figuren 12 und 13 nach einer bevorzugten Zusammenbaumethode sind hier unter Bezugnahme auf die Figuren 14 bis 30 beschrieben. Wie in Figur 12 gezeigt ist, werden Rippen 76, 78, 80, 82 und 84 parallel in gleich beabstandeter Beziehung zueinander angeordnet. Die Rippen 76... 84 haben alle unterschiedliche Längen und sind jeweils in einer ersten länglichen Kante mit gleich beabstandeten Schlitzen versehen, die oben mit 86a bezeichnet sind, wie jeweils in den Figuren 14 bis 18 gezeigt ist. Jede der Rippen 76 und 82 enthält, wie in den Figuren 14 und 17 gezeigt, auch zwei voneinander beabstandete Nuten, die mit 86b bezeichnet sind, am oberen Ende. Für jede der Rippen 78 ... 84 gibt es zwei Teile, wobei das zweite Teil in jedem Fall durch ein Apostroph (') in Figur 12 bezeichnet ist. Eines der beiden Teile ist in jedem Fall in der oberen Hälfte des großen Sechsecks angeordnet, wie in Figur 12 gezeigt ist, und das andere Teil ist in der unteren Hälfte angeordnet. So ist die Rippe 84 in der oberen Hälfte und die Rippe 84' in der unteren Hälfte positioniert.
Weitere parallel angeordnete und gleich voneinander beabstandete Rippen, die mit 88, 90, 92, 94 und 96 bezeichnet sind, wie in Figur 12 zu sehen ist, haben alle unterschiedliche Längen und sind jeweils in einer zweiten länglichen Kante mit gleichmäßig beabstandeten Schlitzen versehen, die unten mit 98a bezeichnet sind, wie in den Figuren 19 bis 23 jeweils gezeigt ist, wobei die Rippen 88 und 94 auch zwei mit 98b bezeichnete Kerben an ihren oberen oder ersten länglichen Kanten haben. Bemerke, daß die Rippen aus drei Teilen bestehen, wenn die Schlitze in die Kerben gehen. So umfaßt die Rippe 88, wie in Figur 19 gezeigt, drei Teile, die mit 94, 94' und 94" bezeichnet sind. Ähnlich umfaßt die Rippe 94, wie in Figure 22 gezeigt, drei Teile, die mit 94, 94' und 94" bezeichnet sind. Es gibt zwei Teile jeder der Rippen 90 ... 96, wobei das zweite Teil mit einem Apostroph bezeichnet ist. Die beiden Rippenteile 96 und 96' werden somit an gegenüberliegenden Seiten des großen Sechsecks positioniert, wie gezeigt ist.
Weitere parallel angeordnete und gleich voneinander beabstandete Rippen, die mit 100, 102, 104, 104 und 108 bezeichnet sind, wie in Figur 12 zu sehen ist, haben alle unterschiedliche Längen und sind mit gleichmäßig voneinander beabstandeten, mit 110a bezeichneten Schlitzen an der oberen oder ersten länglichen Kante und mit gleichmäßig voneinander beabstandeten, mit 110b bezeichneten Schlitzen an der unteren oder zweiten länglichen Kante versehen, wie jeweils in den Figuren 24 bis 28 gezeigt ist, wobei zwei voneinander beabstandete Kerben, die jeweils mit 112 bezeichnet sind, oben an den Rippen 100 und 106 vorgesehen sind. Es gibt zwei Stück jeder der Rippen 102 .... 108, wobei das zweite Stück mit einem Apostroph versehen ist.
Wie in Figur 12 gezeigt ist, kann der Bereich außerhalb des großen Sechsecks durch insgesamt zwölf mit 114 (oder 116) bezeichneten Rippen geschlossen werden, und es gibt sechs mit 118 bezeichnete Rippen. Die Rippen 114, 116, wie in Figur 29 gezeigt, und die Rippen 118, wie in Figur 30 gezeigt, sind nicht mit Schlitzen versehen. Aus Gründen der Bequemlichkeit der Erläuterung sind die Verschlußsegmente 114, 116 und 118 in Figur 13 nicht gezeigt.
Es gibt insgesamt 45 Teile, die erforderlich sind, um den Kern 72 für die leichte Rückenstützstruktur zusammenzubauen. Es gibt mit 120 bezeichnete Fließlöcher, die in den Rippen vorgesehen sind. Jede Zelle hat solche Löcher.
Gemäß der Erfindung kann der im Maßstab vergrößerte Kern für eine leichte Struktur nach einer zweiten Methode zusammengebaut werden. Gemäß dieser Methode, die unter Bezugnahme auf die Figuren 31 und 32 beschrieben ist, werden zunächst beim Zusammenbau des Kerns 72' für eine leichte Struktur drei Mittelrippen 122, 124 udn 126 an deren Mitten befestigt. Eine dieser Rippen 122 hat einen Schlitz oben in der Mitte, wie in Figur 33 gezeigt, eine andere 124 hat einen Schlitz unten in der Mitte, wie in der Figur 34 gezeigt, und die dritte 126 hat zwei Schlitze, wobei einer in der Mitte unten und der andere in der Mitte oben ist, wie in Figur 35 gezeigt. Sodann werden sechs mti 128, 130, 132, 134, 136 und 138 bezeichnete Rippen, die alle die gleiche Größe haben, wie in Figur 36 erläutert ist, an Rippen 122, 124 und 126 gebunden, um das große Sechseck zu vervollständigen. Jedes der in dem Sechseck gebildeten großen Dreiecke wird dann mit kleineren dreieckigen Zellen gefüllt. Beispielsweise werden die Rippen 140, 142 und 144, wie in Figur 37 erläutert, verbunden. Jede der Rippen 140, 142 und 144 hat einen oberen Schlitz und einen unteren Schlitz, die um eine Zellenlänge voneinander beabstandet sind. Sodann werden die Rippen 146, 148 und 150, die die gleiche Länge haben, in der Mitte des Dreiecks verankert und an den Kanten verbunden. Eine solche Verankerung kann in der gleichen Weise, wie oben beschrieben, erfolgen. Das heißt, eine der Rippen 146 kann einen Schlitz unten haben, eine andere Rippe 148 kann einen Schlitz oben haben, und die dritte Rippe 150 kann zwei Schlitze haben, einen oben und einen unten, wie in Figur 38 gezeigt ist. Die Rippe 150 und die Rippen 152, 154 werden dann, wie in Figur 39 gezeigt ist, verankert und an den Kanten gebunden. Schließlich werden die Rippen 148 und 154 und eine Rippe 156, wie auch in Figur 39 gezeigt ist, verankert, um das Dreieck zu vervollständigen. Wenn alle sechs Dreiecke und damit das große Sechseck aufgefüllt sind, werden unter Benutzung der Verschlußsegmente 158, 160, 162, wie jeweils in den Figuren 40 bis 42 und in Figur 31 gezeigt, sechs äußere Verschlußmodule angesetzt. Aus Gründen der Bequemlichkeit der Erläuterung wurden die Verschlußsegmente in Figur 32 nicht gezeigt.
Wie in der folgenden Tabelle II gezeigt ist, gibt es insgesamt 117 Rippen oder Teile, die bei dem Zusammenbau des Kerns 72 für eine leichte Struktur unter Benutzung der zweiten Methode erforderlich sind. Die erforderliche Menge jedes Teils ist in der Tabelle angegeben. TABELLE II Bezugszeichen des Teils Menge Figur Nr.
Im Gegensatz zu den Rippen in den Kernen 10 für leichte Struktur, die in den Figuren 1 bis 10 gezeigt sind, in welchen die Unterkanten der Rippen alle in der gleichen Ebene liegen, sind die Unterkanten der Rippen der Kerne 72 und 72' für leichte Strukturen, wie am besten in den Figuren 13 bzw. 33 zu sehen ist, gekrümmt, so daß nicht alle ihre Abschnitte in der gleichen Ebene liegen. Die Struktur der Figuren 1 bis 10 ist, wie beschrieben, geeignet für die Verwendung bei der Herstellung von Stützstrukturen für flache Spiegel oder andere flache Teile. Jene der Figuren 12 bis 42 erleichtern die Verwendung bei der Herstellung von Spiegeln oder anderer Teile mit gekrümmten Oberflächen. Dies demonstriert die Anpassungsfähigketi des Kerns für leichte Struktur nach der Erfindung zur Herstellung verschiedener Formen.
Figur 43 erläutert ein System 164 für chemische Abscheidung aus der Dampfphase, das verwendet werden kann, um SiC- und Si-Abscheidungen auf einer Spiegelvorderplatte und der Rückenstützstruktur derselben zu bewirken. Das System 164 enthält einen Ofen 166 mit einem vertikal angeordneten Graphitrohr 168, elektrischen Heizelementen 170, die das Rohr 168 umgeben, drei Formkernen 172, 174 und 176 und drei Prallplatten 178, 180 und 182.
Formkerne 172, 174 und 176 sind in Reihe angeordnet und bestehen aus Graphit hoher Dichte mit einem größeren Wärmeausdehnungskoeffizienten als jene des chemisch aus der Dampfphase abgeschiedenen SiC. Jeder Graphitformkern 172, 174 und 176 wird von vier Graphitpfeilern gehalten, die ihrerseits an jeweils verbundenen Graphitprallplatten 178, 180 und 182 befestigt sind.
Jede Prallplatte wird von dem runden Graphitrohr 168 getragen, das die Abscheidungsfläche einschließt und letztere gegenüber den Graphitheizelementen 170 isoliert.
Reagenzien, CH&sub3;SiCl&sub3; und H&sub2;, werden am Boden des Rohres 170 aus vier wassergekühlten Injektoren 184 eingeführt, die in der Bodenabdeckung 186 des Rohres 168 befestigt sind.
Um die Abscheidungseffizienz zu erhöhen und die drei Formkerne in dem Ofen für chemische Abscheidung aus der Dampfphase unterzubringen, ist der erste Formkern 172 nahe den Injektoren 184 angeordnet. Um zu verhindern, daß die Injektoren 184 "Wachstumsmarkierungen" auf dem ersten Formkern erzeugen, wurde ein Graphitsammelrohr 188 verwendet, welches den Injektorfluß abstumpfte und erlaubte, daß die Reagenzien gleichmäßig durch ein großes Mittelloch fließen. Diese Anordnung liefert eine gleichmäßigere Abscheidung auf allen drei Formkernen 172, 174 und 176.
CH&sub3;SiCl&sub3; ist bei Raumtemperatur eine Flüssigkeit mit einem Dampfdruck von etwa 140 Torr bei 20º C. Es wird zu dem Abscheidungsbereich durch Hindurchperlen von Argon durch zwei CH&sub3;SiCl&sub3;-Behälter (nicht gezeigt) geführt. Der CH&sub3;SiCl&sub3;-Fluß aus den beiden Behältern wird in vier Teile geteilt, die durch die vier Injektoren gehen. Der Druck und die Temperatur des CH&sub3;SiCl&sub3;-Behälters und die Argonfließgeschwindigkeiten werden für beide Behälter gleich gehalten, um eine gleichmäßige Abscheidung zu bekommen.

Beispiel III

Die Technologie der Spiegelherstellung durch chemische Abscheidung aus der Dampfphase wurde von einem kleinen horizontalen Forschungsofen auf einen Produktionsofen von Pilotanlagengröße vergrößert, der in der Lage war, einen Spiegel von 40 cm Durchmesser herzustellen. Ein Spiegel von 40 cm Durchmesser wurde geschaffen. Die hervorstechenden Merkmale der Anordnung sind in der Tabelle III angegeben. TABELLE III - Gestaltungsmerkmale des Si/SiC-Spiegels mit einem Durchmesser von 40 cm Si-beschichtete SiC-Vorderplatte Inch Si-Beschichtungsdicke SiC-Vorderplattendicke Vorderplattengesamtdicke Leichte SiC-Struktur Wanddicke Zellenhöhe Zellenlänge Fließloch Durchmesser Lochmittenabstand von der Kante Anzahl gleichseitiger Dreieckszellen Zellen-Seitenverhältnis Si/SiC-Spiegel Formkerndurchmesser Krümmungsradius Gesamte Spiegeldicke Tiefe der Mitte
Die Spiegelform bekam eine polierende Belastung von -1 psi, einen Spitzen-zu-Tal- Interzellendurchhang von -0,025 µm, eine Spitzen-zu-Tal-Verformung unter dem Eigengewicht zwischen den Trägern (20 cm Abstand) von -0,025 µm und eine natürliche Mindestfrequenz von 25 Hz. Das Gewicht des Spiegels ist 2,94 kg, was einer Gewichtsspezifikation von etwa 19 kg je Quadratmeter entspricht.
Um die SiC-Rückenstützstruktur zu vergrößern, wird zunächst der Graphitkern vergrößert. Die leichte Struktur bestand aus sechszehn sechseckigen Zellen, die insgesamt 96 dreieckige Zellen enthielten. Das Seitenverhältnis der Zellen, definiert als die Zellentiefe zum Durchmesser des Inkreises, ist 1,3 für jede dreieckige Zelle.
Die Maßstabvergrößerung der Herstellungstechnologie durch chemische Abscheidung aus der Dampfphase auf die erforderliche Größe schließt folgendes ein:
a) Materialvergrößerung. Die optimalen Verfahrensbedingungen für chemische Abscheidung aus der Dampfphase, die die Si- und SiC-Materialien in dem Forschungsofen erzeugten, wurden auf die Ofengröße einer Pilotanlage vergrößert. Diese Vergrößerung wurde durchgeführt, wobei die folgenden Parameter unverändert blieben: (1) Abscheidungsgeschwindigkeit, (2) Abscheidungsaufbau geometrisch ähnlich demjenigen, der in dem Forschungsofen verwendet wurde, (3) Abscheidungstemperatur und (4) Ofendruck. Außerdem wurden nicht die Abmessung betreffende Verfahrensparamter der chemischen Abscheidung aus der Dampfphase identifiziert und wichtige Vergrößerungsgesetze wurden entwickelt. Bezogen auf diese Gesetze wurden die Reagenzfließgeschwindigkeiten, das Molverhältnis und der Injektordurchmesser festgelegt. Die Vergrößerungsgesetze wurden durch Herstellung von Si- und SiC-Platten einer Größe von 32 cm x 90 cm und 0,63 cm im Ofen von Pilotanlagengröße gültig gemacht. Wesentliche physikalische, optische, mechanische und thermische Eigenschaften dieses Materials wurden mit jenen verglichen, die dem Forschungsmaterial entsprachen, und man fand, daß sie identisch waren.
(b) Maßstabvergrößerung der Spiegelherstellungstechnologie durch chemische Abscheidung aus der Dampfphase. Dies schließt eine Vergrößerung der unterteilten Vorderplatte ein.
Der vergrößerte Graphitkern wurde auf der Rückseite der SiC-Vorderplatte plaziert und mit SiC in dem Ofen von Pilotanlagengröße beschichtet. Nachdem dies erfolgt war, wurde die SiC- Vorderplatte von dem Graphitformkern getrennt, und die Vorderseite der Vorderplatte wurde mit chemisch aus der Dampfphase abgeschiedenem Si beschichtet.
So bekam man gemäß der Erfindung einzigartige leichte Strukturen und verbesserte Methoden, die eine Vereinfachung der Herstellung, eine Verminderung der erforderlichen Zeit für die Herstellung und der Kosten für die Herstellung ermöglichten. Die vorgesehenen Strukturen umfassen ein aus der Dampfphase abgeschiedenes Material, wie SiC oder Si, in einer monolithischen Form. Die Strukturen sind, obwohl sie leichtes Gewicht haben, dadurch gekennzeichnet, daß sie sehr steif und fest sind und extreme Formbeständigkeit behalten. Die Strukturen sind weiterhin dadurch gekennzeichnet, daß sie außerordentliche Anpassungsfähigkeit an die Herstellung in verschiedenen vorbestimmten Gestaltungen haben, im Maßstab vergrößert werden können und Brauchbarkeit in einer Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen einschließlich Rückenstützstrukturen für Spiegel, haben.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung einer leichten Struktur aus mehreren Rippen (12, 14), von denen jede im wesentlichen die gleiche Höhe und Dicke hat, wobei die Höhe und Länge die Dicke wesentlich überschreiten und wobei jede der Rippen eine Mitte, eine erste längliche Kante und eine zweite längliche Kante hat, mit den Stufen, in denen man

a) aus einem ersten Satz dieser Rippen (14a bis 14f), von denen jede im wesentlichen die gleiche Länge hat, eine sechseckige Zelle mit mehreren Paaren von am weitesten voneinander beabstandeten Ecken (16a bis 16f) und einer Tiefe gleich der Höhe der Rippen bildet,

b) Schlitze in der Mitte einer ersten (12a), zweiten (12b) und dritten (12c) eines zweiten Satzes dieser Rippen bildet, die alle die gleiche Länge im wesentiichen gleich dem Abstand zwischen den am weitesten voneinander beabstandeten Ecken der sechseckigen Zelle haben, mit einem ersten Schlitz (12d) von der ersten länglichen Kante der ersten (12a) der Rippen, einem zweiten Schlitz (12d) von der zweiten länglichen Kante der zweiten (12b) der Rippen und einem dritten und vierten Schlitz (12e, 1 2f) von der ersten länglichen Kante bzw. der zweiten länglichen Kante der dritten (12c) dieser Rippen, wobei die Längen des ersten und zweiten Schlitzes größer als die Hälfte der Höhe der Rippen sind und die Längen des dritten und vierten Schlitzes kleiner als die Hälfte der Höhe des zweiten Rippensatzes sind,

c) die erste, zweite und dritte der Rippen (12a bis 12c) an ihren Mitten miteinander verankert, indem man den ersten und zweiten Schlitz in zusammenwirkende Beziehung mit dem dritten bzw. vierten Schlitz bringt,

d) die miteinander verankerte erste, zweite und dritte (12a bis 12c) der Rippen so in Beziehung zu der sechseckigen Zelle positioniert, daß man deren am weitesten voneinander beabstandete Ecken (16a bis 16f) verbindet und dabei einen Strukturkern (10) mit sechs Bereichen jeweils mit gleichseitigem dreieckigem Querschnitt bildet, wobei jeder solcher Bereich eine Zelle umfaßt, und

e) den Strukturkern einem Verfahren zur Abscheidung aus der Dampfphase unterzieht und dabei ein versteifendes und verfestigendes Material abscheidet und als Überzug darauf aufbringt und so den Strukturkern in einer monolithischen Struktur eines solchen Materials einschließt.

2. Verfahren nach Anspruch 1 mit der weiteren Stufe (f) zwischen den Stufen (d) und (e), bei der man die sechs Zellen von gleichseitigem dreieckigem Querschnitt mit gleich voneinander beabstandeten Rippen (78 bis 84, 78' bis 84', 90 bis 96, 90' bis 96', 102 bis 108, 102' bis 108') eines dritten Satzes unterteilt, die parallel zu den Rippen (76, 88, 100) des zweiten Satzes positioniert werden, so daß kleinere Zellen von gleichseitigem dreieckigem Querschnitt gebildet werden, die miteinander verbunden sind, um den Strukturkern (72) zu komplettieren.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Rippen des dritten Satzes (78 bis 84, 78' bis 84', 90 bis 96, 90' bis 96', 102 bis 108, 102' bis 108') auf gegenüberliegenden Seiten einer jeden der ersten, zweiten und dritten Rippe (76, 88, 100) des zweiten Rippensatzes gleichmäßig beabstandet sind, wobei alle Rippen des dritten Satzes, die mit jeder Seite der ersten, zweiten und dritten Rippe des zweiten Satzes verbunden sind, unterschiedliche Länge haben und geeignet angeordnete Schlitze (98a, 998b, 110a, 110b) entlang ihren ersten länglichen Kanten für ein Zusammenwirken mit geeignet angeordneten Schlitzen in den zweiten länglichen Kanten der ersten, zweiten und dritten Rippe des zweiten Rippensatzes in den Kreuzungspositionen mit ihnen einschließen, um eine solche Kreuzung und gegenseitige Verankerung derselben zu gestatten.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem in der Stufe (f) der dritte Rippensatz vier Rippen (78 bis 84, 78' bis 84', 90 bis 96, 90' bis 96', 102 bis 108, 102' bis 108') umfaßt, die in gleichmäßigem Abstand und in Parallelbeziehung auf jeder Seite der ersten, zweiten bzw. dritten Rippe des zweiten Rippensatzes angeordnet sind, wodurch sechzehn gleichseitige dreieckige Volumina, die sechzehn Zellen umfassen, in jeder der sechs Zellen von gleichseitigem dreieckigem Querschnitt gebildet werden.

Verfahren nach Anspruch 4, weiterhin mit der Stufe (g) nach der Stufe (f), indem man einen vierten Rippensatz (114, 116, 118) an einem Außenumfang des Strukturkerns anordnet und dabei einen Verschluß für jede der sechs Zellen von gleichseitigem dreieckigem Querschnitt bildet, wobei der vierte Rippensatz für jede der sechs Zellen drei Rippen einschließt, die mit Enden der benachbaren Rippen des dritten Rippensatzes verbunden sind, wodurch der Außenumfang des Strukturkerns (72) von einem sechseckigen Querschnitt mit sechs Seiten in einen Polygonquerschnitt mit achtzehn Seiten umgewandelt wird.

6. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, bei dem alle Rippen aus Graphit bestehen und das versteifende und festigende Material SiC ist.

7. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche der weiteren Stufe (i) zwischen den Stufen (a) und (b), in dem man die erste, zweite und dritte der Rippen des zweiten Rippensatzes auf der Oberfläche eines kreisförmigen Substrates (18, 74) anordnet.