-
HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
-
Diese
Erfindung betrifft infrarottransparente Strukturen, und genauer
gesagt solche Strukturen, die eine polymere Schicht wie etwa einen
Kleber oder eine Oberflächenbeschichtung
aufweisen.
-
Infrarottransparente
Multikomponenten-Strukturen werden in zahlreichen Infrarotvorrichtungen
verwendet. Die Strukturen können
vielfältiger Art
sein, wie z. B. Linsen und Fenster. Solche Strukturen müssen eine
hohe optische Transparenz und eine niedrige Verzerrung im Infrarotbereich
aufweisen und müssen
auch die notwendigen mechanischen und physikalischen Eigenschaften
besitzen, wie etwa Festigkeit, Widerstandsfähigkeit gegen Verzerrung und
Schaden aufgrund von thermischen Fehlanpassungen, gute thermische
Dissipation und niedrige Masse. Ferner müssen die Strukturen ohne Weiteres
herstellbar sein.
-
Eine
der Anwendungen von höchstem
Interesse für
infrarottransparente Multikomponenten-Strukturen sind Multikomponenten-Linsen wie etwa Dubletten
oder Triplets. Zwei, drei oder mehr optische Linsen werden in einer
einander zugewandten Anordnung verbunden, um eine Verbund-Linse herzustellen.
Bei vielen Anwendungen kann eine solche Multikomponenten-Linse dazu
ausgebildet sein, bessere optische und mechanische Eigenschaften als
eine Einkomponenten-Linse zu haben. Multikomponenten-Linsen können derart
hergestellt werden, dass sich die Linsen nur an ihren Umfängen verbinden,
was einen Luftspalt zwischen den Linsen freilässt.
-
In
der Theorie könnten
statt dessen die verschiedenen Linsenelemente mit einer kontinuierlichen
Schicht eines Klebstoffes zwischen den Paaren der Komponenten miteinander
verbunden werden, so dass der Klebstoff im optischen Weg liegt.
Bei solchen zementierten Dubletten-Anordnungen muss der Klebstoff
eine hohe Durchlässigkeit
und eine niedrige Verzerrung im Infraroten aufweisen. Er muss auch gut
an den Linsen, die er verbindet, anhaften und der Anordnung gute
mechanische Eigenschaften verleihen. Zementierte Dubletten sind
für Linsen
bekannt, die im sichtbaren Licht transparent sind, sie sind jedoch
bis jetzt nicht für
infrarottransparente Linsen bekannt. Das zementierte Design hat
optische und mechanische Eigenschaften, die theoretisch besser sind als
diejenigen bei Designs mit Luftspalt, jedoch sind bisher infrarottransparente
polymere Klebstoffe von ausreichend guter optischer und mechanischer
Qualität
nicht erhältlich,
um die zementierten Ausführungen
praktikabel zu machen. Demnach besteht ein Bedürfnis für solch ein polymeres Material,
das in einem Zement oder einem Klebstoff zwischen infrarottransparenten
optischen Komponenten verwendet werden kann. Obwohl das Problem
in Zusammenhang mit dem Problem von Multikomponenten-Linsen beschrieben
wurde, ist es auch für
andere Anwendungen von Bedeutung, wie etwa für infrarottransparente Filme
und Oberflächenschichten.
-
Die
DE-A-34 10 502 beschreibt thermoplastische Schichten zum Schützen von
Infrarot-Komponenten in der Luftfahrt gegen Regenerosion, insbesondere
für den
Infrarot-Bereich von 8– 13,5 μm. Die Schutzschichten
bestehen vorzugsweise aus Polyethylen.
-
EP-A-0
273 706 beschreibt selbsthaftende polyorganische Siloxan-Zusammensetzungen,
die durch eine Hydrosilationsreaktion mit einem Platinkatalysator
aushärtbar
sind.
-
Die
WO 86/02742 beschreibt ophthalmische Verbund-Linsen, bei denen die
Linsenteile mittels eines elastomeren Silikonklebers miteinander
verbunden werden.
-
S.
F. Pellicori in SPIE, Vol. 1535, Passive Materials for Optical Elements
(1991) gibt einen Überblick über die
erhätlichen
Bindemittel für
IR-refraktive Elemente.
-
Die
gegenwärtige
Erfindung gibt eine infrarottransparente Struktur gemäß der Definition
von Anspruch 1 an. Der Ansatz ist auf infrarottransparente Multikomponenten-Strukturen
anwendbar, ferner auch auf infrarottransparente Artikel mit Oberflächenschichten
und anderen Schichten. Der gegenwärtige Ansatz unterstützt eine
gute mechanische Stabilität der
verbundenen Optik, optische Ausführungen
mit größerer Leistung,
mit verbesserter thermischer Dissipation, mit reduzierten thermischen
Spannung und mit reduzierten Verzerrungen infolge von Temperaturveränderungen.
Die gesamten inneren Reflexionswinkel werden reduziert, was optische
Anordnungen mit größerer Leistung
erlaubt. Ferner wird die optische Ausrichtung verbessert, die Systemmasse
in vielen Fällen
reduziert und die Herstellbarkeit ist verbessert.
-
Die
infrarottransparenten Strukturen gemäß der Erfindung weisen ein
erstes infrarottransparentes Element auf, das eine erste Fläche aufweist,
wobei das Element vorzugsweise transparent gegenüber Infrarot-Energie in dem
Wellenlängenbereich
von ungefähr
3,6 bis ungefähr
7 μm ist
(der „3,6–7 μm Wellenlängenbereich"). Die Strukturen
weisen ferner eine Schicht eines polymeren Materials auf, das auf der
ersten Oberfläche
des ersten infrarottransparenten Elementes vorgesehen ist, das dadurch
gekennzeichnet ist, dass das polymere Material eine lösungsmittelfreie
Mischung eines additionsausgehärteten
Silikons und eines Adhäsionspromoters
ist und eine derartige Infrarot-Durchlässigkeit aufweist, dass eine
Dicke von 10 μm
des polymeren Materials wenigstens 95% (außer Fresnel-Verlusten) gegenüber Infrarot-Energie
in dem 3,6–7 μm Wellenlängenbereich
durchlässig
ist.
-
Das
Polymer weist ein additionsausgehärtetes Silikon auf, wie etwa
additionsausgehärtetes
Dimethyl-Silikon, Diphenyl-Silikon
oder Methylphenyl-Silikon und weist ferner auch einen Alkoxysilan-Adhäsionspromoter
auf. Der Adhäsionspromoter ist
vorzugsweise 3-Glycidoxypropyltrimethoxysilan. Der Adhäsionspromoter
ist in einer wirksamen Menge vorhanden, vorzugsweise zwischen 1
und 4 Gew.-% der Gesamtheit aus Polymer und aus Adhäsionspromoter.
Die polymere Schicht ist vorzugsweise zwischen 5,1 und 51 μm (0,0002
und 0,002 Inch) dick.
-
Bei
einer Ausführung,
die von besonderem Interesse ist, weist die Struktur ferner ein
zweites infrarottransparentes Element auf, das eine zweite Fläche hat,
die der ersten Fläche
des ersten infrarottransparenten Elements zugewandt ist. Das Polymer ist
dazwischen vorgesehen und kontaktiert die erste Fläche und
die zweite Fläche
und dient als ein Klebstoff oder Zement, der das erste und das zweite
Element zusammenhält. Diese
infrarotoptische Dublette bildet eine Verbundlinse, die exzellente
optische, mechanische und physikalische Eigenschaften hat. Die Struktur
kann ferner durch die Verbindung mit zusätzlichen Linsen ausgedehnt
werden, um Tripletten und sogar noch komplexere Linsen zu bilden.
-
Der
gegenwärtige
Ansatz ist besonders nützlich,
wenn die erste Fläche
des infrarottransparenten Elements mit einer Antireflexionsbeschichtung,
wie etwa einer solchen, die eine Deckschicht aus Zinksulfid aufweist,
wobei die zweite Fläche
des zweiten Elements, wo vorhanden, in ähnlicher Weise mit einer Antireflexionsbeschichtung
versehen ist. Die Verwendung des Adhäsionspromoters dient dazu,
eine gute Verbindung zwischen der polymeren Schicht und der Antireflexionsbeschichtung
zu erreichen.
-
Die
am meisten bevorzugte Zusammensetzung der polymeren Schicht, additionsausgehärtetes Dimethyl-Silikon
und 3-Glycidoxypropyltrimethosysilan
in einer Menge von 1 bis 4 Gew.-% an der Gesamtmenge ist besonders
nützlich,
da sie kein Lösungsmittel
aufweist, das verzerrende Bläschen
oder dergleichen in der Mischung im Falle eines Einschlusses bilden
kann, da es keine volatilen Nebenprodukte während des Aushärtens erzeugt
und da es während
und nach der Aushärtung
eine niedrige Gasentwicklung besitzt. Es besitzt eine relativ niedrige
Viskosität,
so dass dünne
Schichten gebildet werden können,
und es kann mit Hilfe von Vakuum entgast werden, um eingeschlossene
Gase zu entfernen. Der Additionsaushärtungsvorgang erzeugt keine
Nebenprodukte, die aus der dünnen
Grenzflächenschicht
entfernt werden müssen,
und die, falls sie nicht entfernt werden, zu Verzerrungen in der Schicht
führen
würden.
Das ausge härtete
Polymer hat einen niedrigen Elastizitätsmodul, so dass es Fehlabstimmungen
der thermischen Ausdehnung zwischen den verbundenen Komponenten
auffangen kann oder wenn es als eine Schicht dient.
-
Das
Polymer wird hergestellt durch das Mischen der Bestandteile, das
Entgasen und, soweit notwendig, das Auftragen der Mischung als eine
dünne Schicht.
Die Schicht wird auf einer freien Oberfläche verwendet oder als ein
Kleber verwendet, um ein anderes Element mit dem ersten zu verbinden.
Das Polymer wird danach ausgehärtet,
vorzugsweise durch Wärmeaushärtung.
-
Andere
Merkmale und Vorteile der gegenwärtigen
Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung der
bevorzugten Ausführung
im Zusammenhang mit der zugehörigen
Zeichnung deutlich, die beispielhaft die Prinzipien der Erfindung illustriert.
Jedoch soll der Rahmen der Erfindung nicht durch diese bevorzugte
Ausführung
begrenzt sein.
-
KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
-
1 ist eine schematische
geschnittene Darstellung einer infrarottransparenten Struktur, die ein
erstes Element sowie eine polymere Schicht darauf aufweist;
-
2 ist eine schematische
geschnittene Darstellung einer infrarottransparenten Struktur, bei der
ein erstes Element mit einem zweiten Element durch eine polymere
Schicht verbunden ist;
-
3 ist eine schematische
geschnittene Ansicht einer Infrarot-Dublette mit Luftspalt;
-
4 ist eine schematische
geschnittene Ansicht einer Infrarot-Dublette mit Klebeverbindung; und
-
5 ist ein Blockdiagramm
eines Verfahrens zur Herstellung der infrarottransparenten Verbundstruktur
gemäß 2.
-
DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
-
1 zeigt eine bevorzugte
Ausführung
einer infrarottransparenten Struktur 20 mit einem ersten
infrarottransparenten Element 22, das gegenüber Infrarot-Energie
in dem Wellenlängenbereich
von 3,6–7 μm durchlässig ist.
Das Element 22 ist als ein erstes infrarottransparentes
Substrat 24 gebildet, das eine optionale, jedoch bevorzugte,
erste infrarottransparente Antireflexbeschichtung 26 darauf
aufweist. Die erste (freiliegende) Fläche 28 des Elements 22 ist
deshalb die Oberfläche
der Beschichtung 26. Das Substrat ist vorzugsweise Silikon
oder Germanium, die beide in dem 3,6–7 μm-Bereich eine hohe Durchlässigkeit
aufweisen. Die Antireflexbeschichtung 26 ist vorzugsweise
eine Multilayer-Struktur, mit Zinksulfid als eine Deckschicht auf
der dem Substrat 24 abgewandten Seite. Solche Antireflexbeschichtungen 26 sind
im Stand der Technik wohlbekannt.
-
Eine
Schicht 30 eines ausgehärteten
infrarottransparenten polymeren Materials ist in Kontakt mit der
ersten Oberfläche 28 angeordnet.
Vorzugsweise weist das polymere Material additions ausgehärtetes Dimethyl-Silikon
und den Alkoxysilan-Adhäsionspromoter
auf. Andere adhäsionsaushärtbare polymere
Prekursoren, wie etwa Diphenyl-Silikon oder Methylphenyl-Silikon
können
gleichfalls verwendet werden. Die Schicht 30 ist vorzugsweise
zwischen 5,1 und 51 μm
(0,0002 und 0,002 Inch) dick. Das additionsausgehärtete Dimethyl-Silikon
hat eine chemische Struktur der Art
-
-
Die
bevorzugte Verwendung eines additionsaushärtbaren polymeren Prekursors
ist zu unterscheiden von der Verwendung eines kondensationsaushärtbaren
polymeren Prekursors. Der additionsaushärtbare polymere Prekursor erzeugt
keine Reaktionsprodukte während
der Aushärtung,
wie es der kondensationsaushärtbare
polymere Prekursor macht. Solche Reaktionsprodukte einer Kondensationsaushärtungsreaktion
würden
in der Schicht 30 im Falle der Verklebung einer optischen
Dublette eingefangen, was zu optischen Verzerrungen führen würde. Mit
einem additionsaushärtbaren
polymeren Prekursor entsteht kein solches Problem.
-
Der
Adhäsionspromoter
ist ein Alkoxysilan. Ein wirksamer Adhäsionspromoter ist 3-Glycidoxypropyltrimethoxysilan,
das die chemische Struktur hat
-
-
In
der polymeren Formulierung oder in dem ausgehärteten Endprodukt sind keine
wesentlichen Anteile von Lösungsmitteln,
Füllern
oder anderen Agenzien vorhanden.
-
Anstelle
eines Primers wird ein Alkoxysilan-Adhäsionspromoter
verwendet. Ein Primer ist ein Material, das auf eine Oberfläche vor
der Kontaktierung mit einem anderen Material aufgebracht wird, um
die Haftung zu verbessern. Ein Adhäsionspromoter wird mit dem
aufzutragenden Material gemischt. Bei der gegenwärtigen Spezifikation wurde
der Alkoxysilan-Adhäsionspromoter
verwendet, da die geeignete Anwendung eines Primers an den Oberflächen von
optischen Einheiten bei einem Herstellvorgang schwierig sein kann
und in das Endprodukt optische und mechanische Veränderungen
einführen
kann. Der Alkoxysilan-Adhäsionspromoter
wird mit dem polymeren Material in einer spezifischen Menge gemischt,
um so potentielle Herstellschwierigkeiten und -veränderungen
zu vermeiden.
-
Das
adhäsionsaushärtbare Dimethyl-Silikon ist
kommerziell als Castall S-1332 von Castall, Inc., erhältlich,
und das 3-Glycidoxypropyltrimethoxysilan ist
kommerziell als Z-6040 von Dow Corning erhältlich oder als G-6720 von
United Chemical Technologies u. a. erhältlich. Der Brechungsindex
von Castall S-1332
ist 1,410 bei der Wellenlänge
der Natrium-D-Linie, 0,589 μm,
und der Brechungsindex von Z-6040 ist 1,428 bei derselben Wellenlänge.
-
Die
bevorzugte polymere Spezifikation hat bei der gegenwärtigen Anwendung
wichtige Vorteile gegenüber
anderen möglichen
polymeren Spezifikationen. Es wurden Studien mit Polymeren, die
Lösungsmittel
enthalten, durchgeführt,
wie etwa mit Methylphenyl-Silikon, das ungefähr 20% an dem Lösungsmittel
Toluol enthält.
Diese Ausführung
konnte nicht zufriedenstellend entgast werden, infolge von Gasbildung,
während
das Lösungsmittel
verdampfte, so dass in dem vollständig ausgehärteten Polymer Blasen enthalten
waren. Während
solche Blasen bei einigen Anwendungen akzeptabel sein könnten, sind sie
dort nicht akzeptabel, wo optische Durchlässigkeit und das Fehlen an
Verzerrung von Bedeutung sind. Bei der Herstellung einer infrarotoptischen
Dublette unter Verwendung dieses Materials war das Polymer fleckig
und nicht akzeptabel. Gleichfalls war die mechanische Festigkeit
niedrig. Aus dieser Arbeit wurde gefolgert, dass das Polymer frei
von Lösungsmitteln
sein muss, das nicht ohne Weiteres aus einer dünnen Schicht entfernt werden
kann. Weitere Studien wurden mit Epoxydharzen durchgeführt, die
keine Lösungsmittel
besaßen,
jedoch verschiedene Arten von Katalysatoren. Die Infrarot-Durchlässigkeit
dieser Schichten war niedrig, in dem Bereich von 92–93% für eine 10 μm dicke Schicht,
und war folglich nicht akzeptabel. Weitere Studien wurden unter Verwendung
eines Zyanoacrylat-Polymers ohne Lösungsmittel durchgeführt. Dieses
Material war nicht akzeptabel, da es so schnell aushärtete, dass
es schwierig war, die Linsen einer optischen Dublette auszurichten
und ferner infolge seines höheren
Moduls. Es wurde ein kondensationsgehärtetes Silikon-Polymer probiert
und als nicht geeignet befunden, um zwei Linsen zur Bildung einer
Dublette zu verbinden, da die flüchtigen
Produkte der Kondensationsreaktion nicht aus einer dünnen Schicht
zwischen den beiden transparenten Elementen entweichen konnten.
-
Die
bevorzugte polymere Ausführung
der Erfindung hat eine Kombination von Eigenschaften, die sie für die gegenwärtige Anwendung
besonders geeignet machen. Sie hat eine Infrarot-Durchlässigkeit von mehr als 99% (ausgeschlossen
Fresnel-Verluste)
für eine
Schicht von 10 μm
Dicke über
einen Temperaturbereich von –54°C bis +100°C, und sie
hat einen bekannten, konsistenten Brechungsindex. Sie enthält kein
Lösungsmittel
und kann entgast werden, um eingeschlossene Luft zu entfernen. Sie
hat eine Viskosität,
die ein Zusammensetzen der Elemente und ein Entfernen von Luftblasen
innerhalb der Schicht vor der Aushärtung erlaubt. Die Ausführung härtet in
Form einer dünnen
Schicht in einer akzeptablen Zeit aus und setzt während der
Aushärtung keine
Gase frei. Die Aushärtung
wird durch einen Kondensationsmechanismus erreicht, der keine Feuchtigkeit
aus der Luft erfordert, die in die Grenzschicht diffundieren müsste, um
eine Aushärtung
zu erreichen. Sie weist eine gute Adhäsion gegenüber infrarottransparenten Materialien,
wie etwa Silikon und Germanium als auch gegenüber Materialien auf, die in
infrarottransparenten Antireflexschichten verwendet werden, wie
etwa Zinksulfid. Es ist kein Primer erforderlich, und für Arbeiter,
die den Zusammenbau der optischen Komponenten durchführen, besteht
ein niedriges Gesundheitsrisiko.
-
2 zeigt eine andere Ausführung, hier eine
Struktur 40, die dieselben Elemente wie die Struktur 20 hat,
außer
der Hinzufügung
eines zweiten infrarottransparenten Elements 42, das eine
zweite infrarottransparente Beschichtung 44 auf einem zweiten
Substrat 46 hat. Die zweite infrarottransparente Beschichtung 44 definiert
eine zweite Fläche 48,
die der ersten Fläche 28 zugewandt
ist. Die Schicht 30 liegt zwischen den Elementen 22 und 42 und
ihren zugewandten Flächen 28 und 48.
Hier dient die Schicht 30 als ein Kleber oder Bindemittel
zwischen den beiden Elementen 22 und 42. Die Elemente 22 und 42 und
ihre Antireflexbeschichtungen, soweit verwendet, müssen gegenüber Infrarot-Energie transparent
sein, müssen
jedoch nicht die gleiche Zusammensetzung oder die gleichen physikalischen
Dimensionen haben.
-
In
den 1 und 2 sind die infrarottransparenten
Elemente 22 und 42 in allgemeiner Form dargestellt,
ohne ihre weiteren physikalischen Charakteristiken oder ihre Funktion
zu spezifizieren. Die 3 und 4 zeigen eine spezifische
Anwendung solcher Elemente 22 und 42 und die gegenwärtige Erfindung. 3 ist eine infrarottransparente
Dublette 60, die mit den infrarottransparenten Elementen 22 und 42, die
linsenförmig
sind, hergestellt ist. In der Dublette 60 gemäß 3 gibt es einen Luftspalt 62 zwischen den
beiden Elementen 22 und 42. Der Ansatz von 3 ist nicht innerhalb des
Rahmens der Erfindung, jedoch ist es ein Ansatz, der in dem Fall
verwendet werden könnte,
dass keine geeignete infrarottransparente polymere Ausführung erhältlich wäre.
-
Andererseits
zeigt 4 eine infrarottransparente
Dublette 40a, die eine Ausführung der Struktur 40 gemäß 2 ist. Die Flächen 28 und 48 sind in
einer gemäß der Funktion
der Struktur angepassten Weise gekrümmt. Die Elemente 22 und 42 sind vorzugsweise
mit einer Antireflexbeschichtung an ihren Flächen, die einander zugewandt
sind und an ihren voneinander abgewandten Flächen beschichtet, jedoch sind
die Antireflexbeschichtungen in 4 zum
Zwecke der Klarheit der Darstellung nicht weiter dargestellt. Die
polymere Schicht 30 liegt zwischen den beiden Elementen 22 und 42 und
verbindet sie miteinander. Bei zahlreichen Anwendungen hat die zementierte
Dublette 40a eine optische und mechanische Leistungsfähigkeit,
die bes ser als diejenige der Dublette 60 gemäß 3 mit Luftspalt ist.
-
5 ist ein Block-Flussdiagramm
eines bevorzugten Verfahrens zum Herstellen der Struktur 40 (oder 40a).
Das erste Element 22 und das zweite Element 42 werden
bereitgestellt (Ziffern 70 bzw. 72). Die Elemente 22 und 42 haben
Zusammensetzungen, Formen und Beschichtungen, die für ihre Funktion
geeignet sind. Die polymere Mischung, wie zuvor beschrieben, wird
bereitgestellt (Ziffer 74). Der bevorzugte Mischungsansatz
besteht in der Mischung von 10 Anteilen von Castall S-1332-Harz
mit 1 Teil seines empfohlenen Silan-Aushärtungsagens, und in der Mischung
dieser Mischung mit 1 bis 4 Gew.-% (der Gesamtheit) des Z-6040-Adhäsionspromoters.
Die Komponenten werden in einer Tasse zusammengemischt und die Mischung
wird entgast, um während der
Mischung gebildete Blasen zu entfernen. Das bevorzugte Entgasen
erfolgt 3–4
Minuten in einem Vakuum von weniger als 1 mm Quecksilbersäule, bis die
Blasen verschwinden.
-
Die
Struktur wird zusammengesetzt (Ziffer 76). Ein Überschuss
der Mischung wird auf die Mitte von einem der Elemente 22 oder 42 aufgebracht.
Das zweite Element wird so aufgesetzt, dass die Mischung zwischen
den beiden Elementen 22 und 42 eingeschlossen
wird. Die Mischung wird verteilt, indem die beiden Linsen vorsichtig
in einem kreisenden Muster bewegt werden, was auch dazu dient, verbleibende
Blasen zur Oberfläche
hinzuziehen. Die Verteilung wird fortgesetzt, bis die Mischung zu
den Rändern
der Anordnung wandert. Ein Gewicht von ungefähr 1 bis ungefähr 5 Pfund
pro Quadratinch (1 Pfund pro Quadratinch = 6895 Pa) wird angewandt, um
zusätzliche
Mischung aus dem Raum zwischen den Elementen 22 und 42 zu
extrudieren und um eine gewünschte
Dicke der Schicht 30 einzustellen, die vorzugsweise zwischen
5,1 und 51 μm
(0,0002 bis 0,002 Inch) liegt. Die Last wird gleichmäßig verteilt, um
eine mechanische Verspannung der Anordnung zu vermeiden. Die Elemente 22 und 42 werden
danach unter Verwendung geeigneter Werkzeuge optisch ausgerichtet,
was möglich
ist, da die Mischung für
eine Zeitdauer nicht aushärtet,
die eine Ausrichtung erlaubt.
-
Die
Mischung wird ausgehärtet
(Ziffer 78), um die ausgehärtete polymere Schicht 30 zu
bilden, indem die Anordnung auf 85°C mindestens 4 Stunden lang
geheizt wird. Dieser Aushärtungszyklus
beeinträchtigt
die Infrarot-Durchlässigkeit
von keinem der verbundenen Elemente oder dem Polymer nachteilig,
tatsächlich
verbessert er die Infrarot-Durchlässigkeit.
-
Die
folgenden Beispiele verdeutlichen Aspekte der Erfindung, sollten
jedoch nicht derart interpretiert werden, dass sie den Rahmen der
Erfindung in irgend einer Weise beeinträchtigen. Vor der Durchführung dieser
Studien wurden nicht akzeptable Komponentenkandidaten aus der Betrachtung
ausgeschieden, wie dies vorher beschrieben wurde.
-
Beispiel 1
-
Proben
aus Castall S-1332 und Z-6040 wurden in verschiedenen Anteilen gemäß der zuvor
beschriebenen Verfahren gemischt und wurden verwendet, um Verbindungen
mit Substraten aus Zinksulfid, Cleartran (ein verarbeitetes Zinksulfidmaterial) und
zwischen Linsen hergestellt, die eine Antireflexbeschichtung mit
einer Zinksulfid-Deckschicht aufwiesen, die das polymere Material
kontaktiert. Die Ergebnisse für
das Verbinden der verschiedenen Materialien waren im Wesentlichen
dieselben. Die verbundenen Proben waren Punkte der Mischung auf
den verschiedenen Substraten.
-
Eine
Folge von Zusammensetzungen gemäß 0, 0,5,
1,0, 2,0 und 3,0 Gew.-% Z-6040 mit Rest Castall S-1332 wurde hergestellt
und verwendet, um Proben gegen die Substratflächen zu schaffen. Die Punkte
wurden mechanisch mit einem Werkzeug geprüft, um ihre Adhäsion qualitativ
zu beurteilen. Die Punktproben mit 0, 0,5 oder 1,0 Gew.-% Z-6040
wurden infolge des Versagens des Klebers leicht entfernt, während diejenigen
mit 2,0 und 3,0 Gew.-% eine gute Haftung auf dem Substrat aufwiesen
und statt dessen durch Kohäsionsversagen
versagten. Es wurde gefolgert, dass der Adhäsionspromoter wenigstens in
einer Menge von ungefähr
1 bis 2 Gew.-% der Mischung des Polymers und des Adhäsionspromoters
vorhanden sein sollte. Um die Menge des Adhäsionspromoters zu minimieren,
wurde ein Einsatz von 2,0 Gew.-% an Z-6040 mit Rest Castall S-1332 als bevorzugt
ausgewählt.
-
Beispiel 2
-
Mechanische
Testproben wurden vorbereitet und getestet. Scheiben aus Zinksulfid
mit einem Durchmesser von 25,4 mm (1 Inch) wurden mit nicht modifiziertem
Castall S-1332 verbunden, sowie mit der bevorzugten Ausführung von
2 Gew.-% Z-6040, mit Rest Castall S-1332. Die mit dem unmodifizierten Castall
S-1332 verbundenen Scheiben fielen auseinander, als sie in die Testmaschine
eingesetzt wurden. Quantitative Festigkeitsdaten konnten nicht erhalten werden,
jedoch wurde die Scherfestigkeit auf weniger als 68 kPa (10 Pfund
pro Quadratinch) geschätzt. Die
mit der bevorzugten Ausführung
verbundenen Scheiben zeigten ein Versagen der Scherfestigkeit bei
1,03 MPa (148 psi). Der Versagensmodus zeigte ein deutliches Kohäsionsversagen,
was eine starke Adhäsionsbindung
zwischen den verbundenen Elementen anzeigt.
-
Beispiel 3
-
Beispiele
aus Zinksulfid wurden mit Borosilikatglas unter Verwendung des erfindungsgemäßen Ansatzes
verbunden, sowie mit nicht modifiziertem Castall S-1332, zur Verwendung
in thermischen Testzyklen. Das Borosilikatglas ist kein infrarotdurchlässiges Material
von Interesse für
Komponenten, jedoch ist es im sichtbaren Bereich transparent, um
eine visuelle Inspektion der Verbindungsfläche der zyklierten Proben zu
erlauben. Der Unterschied des thermischen Ausdehnungskoeffizienten
zwischen Zinksulfid- und Borosilikatglas, 4,2 ppm (Teile pro Million)
pro °C,
ist in der Größenordnung
von, und in der Tat etwas größer als
der Unterschied der thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen
Silikon und Germanium (was allgemein für Dubletten verwendet wird), 3,3
ppm pro °C.
-
Die
Proben wurden 16 Stunden bei 85°C ausgehärtet und
hatten Dicken der Schicht 30 von 15 ± 5 μm. Die mit dem unmodifizierten
Castall S-1332 verbundenen Proben hatten eine kleine Anzahl von Blasen
auf der Außenoberfläche nach
der Aushärtung,
während
die Proben gemäß der Erfindung
keine Blasen hatten.
-
Die
zwei Proben wurden zwischen –54°C und +90°C thermisch
zykliert, mit einer Heiz-/Kühlrate
von 10°C
pro Minute, über
100 Zyklen, mit Inspektion nach jeweils 20 Zyklen. Nach 100 Zyklen
hatten die Proben, die mit der bevorzugten Ausführung verbunden waren, keine
Anzeichen von Blasen, Delamination oder irgend einer anderen Anomalie.
Die mit Castall S-1332 verbundenen Proben zeigten ein Wachstum der
vorhandenen Blasen um anfängliche Delaminationen
zu bilden, jedoch keine neuen Anzeichen eines Versagens.
-
Beispiel 4
-
Die
Infrarot-Durchlässigkeit
wurde für
die Ausführung
mit dem unmodifizierten Castall S-1332 und für die bevorzugte Ausführung (außer mit
3 Gew.-% an Z-6040) gemessen. Es wurden relativ dicke Schichten
von 185 μm
Dicke verwendet, um messbare Ergebnisse zu erhalten.
-
Aus
diesen Messungen wurde geschätzt, dass
eine 10 μm
dicke Schicht der bevorzugten Ausführung eine Infrarot-Durchlässigkeit
von 99,2% (außer
Fresnel-Verlusten) in dem 3,6–7 μm-Wellenlängenbereich
hatte.
-
Beispiel 5
-
Die
Verwendung der bevorzugten Ausführung
der polymeren Mischung zur Verbindung von infrarotdurchlässigen Komponenten
mit anderen Strukturen, die aus Cyanatester, Invar 36, Calciumfluorid mit
Antireflexbeschichtung, Zinkselenid mit Antireflexbeschichtung oder
Titan wurde geprüft.
Die Verwendung von Z-6040
verbessert weder solche Verbindungsfestigkeiten, noch verschlechtert
es sie. Die Bindefestigkeiten waren in allen Fällen gut, mit der Ausnahme
von Titan. Für
die Verbindung mit Titan verbessert die Verwendung eines Primers
die Bindefestigkeit auf einen akzeptablen Wert.
-
Die
Fähigkeit
der bevorzugten Ausführung, Verbindungen
der infrarotdurchlässigen
Komponenten mit zahlreichen nicht durchlässigen Strukturen erlaubt es,
eine einzige Zusammensetzung für
eine große
Anzahl an Klebeanwendungen bei typischen Infrarot-Systemen zu verwenden.
Dies erleichtert die Klebeverfahren einer industriellen Herstellung.
-
Obwohl
eine besondere Ausführung
der Erfindung zum Zwecke der Illustration im Detail beschrieben
wurde, können
zahlreiche Modifikationen und Verbesserungen gemacht werden, ohne
vom Rahmen der Erfindung abzuweichen, wie dieser in den zugehörigen Ansprüchen definiert
ist.
