FR2593331A1

FR2593331A1 - Reflecteur d'un rayonnement electromagnetique et son procede de fabrication

Info

Publication number: FR2593331A1
Application number: FR8700471A
Authority: FR
Inventors: Eric Talley; Raj Natarajan Gounder
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1986-01-17
Filing date: 1987-01-16
Publication date: 1987-07-24
Also published as: DE3701029C2; US4686150A; DE3701029A1; FR2593331B1

Abstract

L'invention concerne un réflecteur d'un rayonnement électromagnétique. Elle se rapporte à un réflecteur ayant un substrat 12 formé de résine époxyde armée par des fibres de graphite. Le substrat, lorsqu'il est utilisé seul, provoque une polarisation du rayonnement électromagnétique renvoyé. Selon l'invention, une couche de chrome d'environ 600 Å d'épaisseur, puis une couche d'aluminium d'environ 6000 Å d'épaisseur sont formées successivement à la surface du substrat 12. Une couche protectrice, par exemple de silice, peut ensuite être formée. Application aux réflecteurs utilisés sur les vaisseaux spatiaux. (CF DESSIN DANS BOPI)

Description

La présente invention concerne des réflecteurs de rayonnement

électromagnétique et plus précisément des structures de réflecteurs destinées à être utilisées dans

des antennes.

Les réflecteurs à antenne sont très utilisés dans les satellites ou vaisseaux spatiaux en orbite autour de la Terre de manière qu'ils facilitent la concentration directionnelle des signaux entre le vaisseau spatial et la Terre. De tels réflecteurs ont de grandes dimensions,

habituellement ils ont un diamètre de 2,15 m par exemple.

Les conditions très sévères régnant dans l'espace soumettent ces structures à une déformation thermique (provoquée

par les variations de température de l'ensemble de la struc-

ture ou par la présence de températures différentes en des points répartis dans la structure) et à une dégradation provoquée par les rayons gamma incidents et par d'autres perturbations dues à l'espace. La déformation thermique peut être réduite par réalisation d'une structure convenable

de réflecteur.

Un réflecteur connu qui réduit la déformation thermique comporte plusieurs couches de rubans de résine

époxyde armée de fibres unidirectionnelles de graphite, dis-

posés afin qu'ils forment une mince structure composite pleine à base de fibres de graphite jouant le rôle d'un réflecteur. Cependant, la relation unidirectionnelle des fibres de graphite placées dans le revêtement ou la

face réfléchissante d'un tel réflecteur a tendance à pola-

riser le rayonnement électromagnétique réfléchi par le réflecteur. Une polarisation non prévue est ainsi introduite

car les fibres unidirectionnelles réfléchissent le rayon-

nement électromagnétique incident alors que la résine époxyde, qui est placée entre les fibres de la structure composite et les lie, est relativement transparente au rayonnement électromagnétique. Cette polarisation imprévue des signaux réléchis est indésirable dans certains types

de réflecteurs.

Ce problème posé par la polarisation introduite a été résolu dans le passé par utilisation de la structure composite de résine époxyde armée de fibres de graphite comme substrat et par formation, à la surface du substrat, d'une couche supplémentaire dont la surface assure la réflexion soit avec une polarisation réglée soit sans introduction d'une polarisation quelconque. Un exemple de telle couche supplémentaire destinée à maîtriser la polarisation est une couche réfléchissante relativement épaisse et lourde comprenant une grille de conducteurs unidirectionnels de cuivre enrobés dans une résine époxyde ("Kapton"). La couche de cuivre et de "Kapton" est formée à la surface du substrat et est liée à celle-ci

par une résine époxyde. Les conducteurs de grille réfléchis-

sent fortement le rayonnement électromagnétique et la

résine époxyde est transparente au rayonnement électromagné-

tique si bien que la polarisation introduite dans les

signaux réfléchis est maîtrisée par la grille réfléchissante.

Un exemple de couche supplémentaire qui n'introduit pas de polarisation est un revêtement d'aluminium formé à

la surface du substrat ayant une structure composite.

Ce revêtement peut être formé par pulvérisation d'aluminium avec une flamme formant un plasma, sur la surface d'un moule, puis par formation d'un substrat à structure composite

sur la surface du moule formée par pulvérisation. Le revête-

ment ou la couche d'aluminium est transféré du moule au substrat de la structure composite lorsque ce substrat est séparé du moule. Le revêtement d'aluminium est réalisé avec une épaisseur relativement grande (par exemple de 0,25 mm) afin que les fibres composites soient convenablement revêtues et que le transfert du revêtement d'aluminium à la structure

composite soit assure.

Dans les exemples précédents, le matériau de la couche réfléchissante n'est pas thermiquement compatible avec le matériau de la structure composite. Ainsi, le coefficient de dilatation thermique de la couche ou grille réfléchissante est différent de celui du matériau de la structure composite. Cette incompatibilité et l'épaisseur de la couche supplémentaire soumettent le réflecteur terminé à une déformation thermique relativement grande, par exemple lorsque le réflecteur subit des cycles entre des températures extrêmes très éloignées (par exemple entre 180 et + 80 C)

qui sont subies dans l'espace. En outre, la couche d'alumi-

nium ou grille supplémentaire épaisse accroît de façon indésirable le poids du réflecteur. L'observation des réflecteurs ayant un revêtement

d'aluminium directement à la surface de la structure compo-

site de résine époxyde armée de fibres de graphite a montré une mauvaise liaison entre le revêtement et la structure composite, lorsque le réflecteur subit des cycles entre des températures de - 180 et + 80 C. La mauvaise liaison est attribuée en partie à la différence importante entre les coefficients de dilatation thermique de l'aluminum et du matériau à base de résine époxyde armée de fibres de

graphite de la structure composite sous-jacente. Le coeffi-

cient de dilatation thermique de l'aluminium est d'environ

23,5.10 6 m/m. C, et celui du matériau à base de résine épo-

xyde armée de fibres de graphite est d'environ 0,9.106 m/m. C.

La différence entre les coefficients de dilatation thermique des deux matériaux et en conséquence les vitesses différentes correspondantes de dilatation et de contraction lors des changement de température contribue à la défaillance de la liaison entre l'aluminium et la résine époxyde armée

de fibres de graphite au cours des cycles thermiques.

Un réflecteur d'un rayonnement électromagnétique selon la présente invention comporte un substrat ou une structure de support, ayant sur une face un revêtement d'un

matériau à base de résine époxyde armée de fibres de gra-

phite. Une couche de chrome est déposée sur cette face

de revêtement. La couche de chrome a une épaisseur suffisam-

ment grande pour qu'elle forme un revêtement continu et non poreux sur le revêtement et cependant suffisamment mince pour que la couche de chrome puisse ne présenter qu'une déformation négligeable par rapport au revêtement en présence d'excursions thermiques. Une couche d'aluminium est déposée

sur la couche de chrome. La couche d'aluminium a une épais-

seur suffisante pour qu'elle réfléchisse le rayonnement électromagnétique dans une bande de largeur déterminée, et pour que l'effet de polarisation des fibres de graphite

soit réduit au minimum.

D'autres caractéristiques de l'invention seront

mieux compris à la lecture de la description qui va suivre

d'exemples de réalisation, faite en référence aux dessin annexé dont la figure unique est une perspective éclatée représentant la structure d'un réflecteur d'un rayonnement

électromagnétique selon l'invention.

Sur la figure, le réflecteur 10 d'un rayonnement électromagnétique comporte un substrat 12 de fibres de graphite formé de plusieurs couches 13, 14, 15, 16, 17 et 18 de fibres unidirectionnelles de rubans de résine époxyde armée de graphite. Une telle structure de réflecteur est

de type connu.

Dans le mode de réalisation représenté, les fibres 19 de graphite sont parallèles les unes aux autres, dans chacune des couches 13 à 18. Les fibres d'une couche (par exemple la fibre 14) peuvent avoir une orientation faisant des angles de + 60 et - 60 avec les directions des fibres des couches adjacentes (les couches 13 et 15 dans l'exemple considéré). Les directions différentes des fibres dans les diverses couches donnent au substrat une structure pratiquement isotrope. La section des couches 13, 14 et 15

peut être symétrique à celle des couches 18, 17 et 16.

L'invention peut être mise en oeuvre par utilisa-

tion d'une variante de substrat. Ce substrat selon une variante comporte une structure ayant un noyau en nid d'abeilles, d'une manière connue dans la technique, ayant

un revêtement de surface formé de fibres de graphite unidi-

rectionnelles ou à plusieurs directions, jouant le rôle d'une surface réfléchissante. Cette structure de réflecteur est décrite dans l'article "Optimized Design and Fabrication Processes for Advanced Composite Spacecraft Structures", de Mazzio et al., 17th Aerospace Sciences Meeting, New Orleans,

LA, 15-17 janvier, 1979, pages 5-7.

Sur la figure, le réflecteur 10 a une couche

de chrome déposée en phase vapeur sur le substrat 12.

Un revêtement d'aluminium est déposé en phase vapeur sur la couche de chrome. L'aluminium est suffisamment épais pour qu'il réfléchisse le rayonnement en hyperfréquences dans une largeur de bande déterminée, par exemple la bande Ku ou bande P. Une couche protectrice, par exemple de silice, est déposée en phase vapeur sur le revêtement d'aluminium. Le chrome qui a un coefficient de dilatation

thermique d'environ 6,1.10-6 m/m. C forme une couche intermé-

diaire donnant une bonne liaison avec le substrat 12. L'alu-

minium présente lui-même une bonne liaison avec la couche de chrome. La couche de chrome réduit les effets de la différence entre les coefficients de dilatation thermique du substrat 12 (environ 0,9.10 6 m/m. C) et de l'aluminium

(environ 23,5.10-6 m/m. C).

Habituellement une couche d'aluminium, lorsqu'elle est directement formée sur la couche 13 de revêtement du substrat 12 (comme dans l'exemple décrit précédemment), n'assure pas une liaison fiable avec la couche 13. On attribue cette mauvaise liaison, au moins en partie, à la différence entre les coefficients de dilatation thermique des deux matériaux (aluminium et résine époxyde armée

de fibres de graphite) comme décrit précédemment. On consi-

dère en outre que la mauvaise liaison formée entre l'alumi-

nium et le graphite peut aussi être due à une mauvaise attraction moléculaire des matériaux. Une autre raison qui contribue sans doute à la mauvaise liaison est la présence, à la surface du substrat de graphite, d'impuretés telles que celles qui sont laissées par les agents de démoulage utilisés pour la fabrication du substrat de

graphite et par manutention de la structure.

Le procédé suivant a été utilisé pour la prépara-

tion de plusieurs substrats tels que décrits précédemment.

Des éléments de chrome destinés à être vaporés à la surface du substrat 12 ont été placés sur un jeu de filaments de tungstène dans un chambre d'évaporation thermique sous vide. Simultanément, des éléments d'aluminium ont été placés sur un autre jeu de filaments de tungstène, dans la chambre, et des éléments de silicium ont été placés

sur un autre jeu de filaments de tungstène dans la chambre.

Les trois jeux de filaments de tungstène d'évaporation, à raison d'un pour chaque matériau de revêtement, ont été disposés de manière que le matériau correspondant

(chrome, aluminium ou silicium), après évaporation par excita-

tion d'un jeu respectif de filaments, donne un recouvrement uniforme des surfaces des substrats qui sont aussi placés dans la chambre par le matériau considéré, comme indiqué dans la suite. Le chargement des jeux de filaments de tungstène par les matériaux respectifs de revêtement (chrome, aluminium et silicium) a permis l'évaporation des matériaux

un par un, successivement.

Quatre substrats 12 de réflecteurs à haute fré-

quence, formés d'une résine époxyde armée de graphite, ont été placés dans la chambre d'évaporation thermique sous vide, les réflecteurs ayant chacun un diamètre de 2,15 m et une épaisseur de 0,46 mm et comprenant six couches de rubans unidirectionnels orientées à 0, + 60 et - 60 et ayant une surface parabolique lisse. Les substrats ont été dégraissés par essuyage en présence d'acétone puis séchés à l'air pendant 30 min. L'essuyage en présence d'acétone a compris l'essuyage avec un chiffon ne formant pas de peluches, imprégné d'acétone, le chiffon étant passé doucement à la surface du substrat afin qu'il retire les huiles déposées par manipulation et par les agents de

démoulage utilisés au cours de la fabrication du substrat.

Dans la chambre, chaque substrat 12 essuyé en présence d'acétone a été supporté par ces éléments de montage (trous de stockage, montants, tiges filetées, etc.) placés dans la chambre d'évaporation thermique sous vide à 91 cm des jeux précités de filaments de tungstène et parallèlement à ces jeux. Des instruments, par exemple des thermocouples, ont été couplés à chaque substrat afin

qu'ils contrôlent la température du substrat et la maintien-

nent dans une plage de travail au cours du traitement. Des dispositifs d'épreuve formés de stratifié de résine époxyde et de verre et de graphite ont été fixés aux bords des substrats respectifs et connectés aux instruments. Les dispositifs d'essai ont donné, au cours du traitement, une mesure mécanique de l'épaisseur du revêtement de la surface

et des mesures des propriétés thermiques et à haute fré-

quence, et ils ont été utilisés ultérieurement pour la réalisation d'échantillons de revêtement soumis à des

essais après le traitement.

Il faut noter que, dans la description qui suit

du traitement, chacun des quatre substrats traités a été

réglé séparément et indépendamment des autres.

La chambre a d'abord été mise sous un vide de 1.10 5 torr, et a été laissée en relation avec la pompe pendant 12 heures au minimum, afin que l'humidité présente

dans la chambre et des substrats soit dégazée.

Un courant de 30 A à 120 V a alors circulé dans le jeu de filaments de tungstène supportant le chrome afin O que des revêtements d'environ 600 A d'épaisseur se déposent sur les surfaces du substrat. La température maximale de traitement de chaque substrat pendant l'évaporation

du chrome et le dépôt de la couche était de 38 C.

Ensuite, un courant de 30 A à 120 V a circulé dans

le jeu de filaments de tungstène portant l'aluminium, jus-

O

qu'au dépôt d'un revêtement d'aluminium d'environ 6000 A-

d'épaisseur (c'est-à-dire ayant fix fois environ l'épaisseur du revêtement de chrome) sur les surfaces respectives du substrat revêtu de chrome. La température du substrat a

augmenté jusqu'à 60 C pendant le dépôt d'aluminium.

Enfin, la pression dans la chambre a été portée à 1.10- 3 torr par introduction d'oxygène et un courant de A et 120 V a été appliqué au jeu de filaments portant le silicium afin que le revêtement protecteur de bioxyde de silicium soit formé. Pendant la création de cette couche de silice, les substrats ont été maintenus à une température

maximale de traitement de 69 C.

Tous les substrats revêtus (formant alors un réflecteur terminé) ont pu se refroidir naturellement à 38 C avant remise de la chambre et du réflecteur à la

pression atmosphérique.

L'inspection des surfaces réfléchissante des

réflecteurs a montré que les revêtements étaient reproduc-

tibles parmi les quatre réflecteurs. Les épaisseurs précitées des matériaux de revêtement ont été mesurées à l'aide

des dispositifs d'essai.

Chaque réflecteur terminé a alors été connecté à son circuit de transmission de signaux. Des essais ultérieurs à haute fréquence ont montré que le revêtement réfléchissant de chaque réflecteur jouait le rôle d'une enveloppe continue d'aluminium, c'est-à-dire n'introduisait pas de polarisation

dans le rayonnement électromagnétique réfléchi.

D'autres essais réalisés avec les dispositifs d'essai n'ont pas indiqué de dégradation des liaisons entre les matériaux lorsque les dispositifs d'essai ont subi des

cycles thermiques entre - 180 C et + 800C, pendant 1000 cy-

cles. L'irradiation des dispositifs d'essai par des rayons gamma à une exposition de fin de vie de 1.108 rads, n'a pas indiqué de signes de dégradation du revêtement. Les essais à haute fréquence et les essais et évaluations des autres propriétés ont été réalisés avec les dispositifs

d'essai et les réflecteurs à la fois avant et après exposi-

tion aux conditions du milieu. L'exposition atmosphérique, dans une zone de stockage réglée maintenue à 21 + 5,50C et + 20 % d'humidité relative, pendant plus de 400 jours, n'a pas donné de signes de dégradation observables de la surface, dans l'un quelconque des dispositif d'essai ou

des réflecteurs revêtus.

L'examen à l'oeil des surfaces revêtues a compris un essai de pelage au cours duquel un ruban adhésif a été appliqué au revêtement et le ruban a été tiré à distance de la surface soumise à l'essai. Les dispositifs d'essai ont tous satisfait à cet essai car aucun des revêtements n'a collé au ruban mais est resté au contact du substrat

du réflecteur.

Dans d'autres essais, on a constaté que l'épais-

seur de la couche de chrome était primordiale pour les caractéristiques satisfaisantes du réflecteur terminé. Plus

précisément, on a constaté qu'une couche de chrome d'épais-

o seur inférieure à 400 A ne recouvrait pas totalement les fibres de graphite. Lorsque l'épaisseur est inférieure o à 400 A, la porosité de la surface de résine époxyde armée de fibres introduit des discontinuités à la surface i la couche de chrome et donne alors une mauvaise adhérence à la couche d'aluminium déposée ultérieurement. On a aussi constaté que, lorsque l'épaisseur de la couche de chrome o dépasse 700 A non seulement le poids du réflecteur a tendance à augmenter mais encore le taux de défaillance sous l'action des contraintes thermiques dans les revêtements a tendance à augmenter. La défaillance est sans doute provoquée par la différence entre le coefficient de dilatation thermique du chrome et celui de chacune des fibres de graphite et de l'aluminium. L'épaisseur préférable de la couche de chrome

O O

est donc de 600 A + 100 A. Le problème de la liaison de la couche d'aluminium au substrat de graphite a été déjà étudié. Une solution proposée comprend la disposition d'une couche de titane O

ayant une épaisseur d'environ 100 A sous forme d'un revête-

ment portant à son tour une couche d'aluminium dont l'épais-

o seur est environ de 5000 A. Cependant, le revêtement de la structure du réflecteur par du titane pose les problèmes suivants, dans une opération d'évaporation, lorsque la structure composite à base de résine époxyde armée de fibres de graphite est placée dans une chambre d'évaporation thermique sous vide et est mise à distance des filaments de tungstène et parallèlement à ces filaments qui portent des éléments de titane. Dans ces conditions, lorsque les filaments sont chauffés à une température qui suffit pour l'évaporation des éléments de titane, les filaments de tungstène réagissent chimiquement avec le titane, et la réaction affecte sérieusement l'aptitude des filaments à évaporer le titane afin qu'il se dépose sur le substrat

placé dans la chambre.

D'autres matériaux, notamment un matériau carbo-

nisé, ont été étudiés comme couche d'interface (couche intermédiaire) entre l'aluminium et les fibres de graphite, afin que la liaison de l'aluminium et du substrat de graphite soit améliorée. Le matériau carbonisé a tendance à détériorer l'aptitude des filaments de chauffage formes de tungstène

à faire bouillir le matériau à évaporer à la surface métal-

lique des filaments. Le résultat de l'essai réalisé avec un matériau carbonisé a été l'obtention d'un revêtement

grossier, avec décollement des fibres de carbone du substrat.

Un métal réfractaire tel que le molybdène a été considéré comme trop lourd pour pouvoir être utilisé dans un réflecteur

de vaisseau spatial.

Les essais des couches de carbone, de titane et de tungstène comme matériaux intermédiaires entre le substrat plein de graphite et le revêtement d'aluminium ont donné une mauvaise résistance au pelage (mauvaise adhérence) et ont indiqué que les différences entres les coefficients de dilatation thermique des matériaux de la couche et du substrat ont contribué à la dégradation

de la structure combinée, même lorsque le matériau inter-

O médiaire avait une épaisseur voisine de 600 A. Le meilleur de ces autres matériaux intermédiaires essayés, le titane, n'est pas utilisable en pratique pour la raison indiquée,

lorsqu'on se rend compte que le tungstène est le seul maté-

riau actuellement disponible en pratique pour la réaction des filaments utilisés pour l'évaporation thermique de métaux dans une chambre d'évaporation thermique sous vide ayant la taille nécessaire au logement des substrats de

graphite considérés qui ont une taille relativement grande.

Ainsi, en pratique, le chrome est le seul matériau qui remplisse les diverses conditions fixées pour un matériau

placé entre le substrat de graphite et le revêtement d'alu-

minium, dans un réflecteur destiné à être utilisé dans

un vaissseau spatial.

Bien entendu, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux réflecteurs et procédés qui viennent d'être décrits uniquement à titre d'exemples

non limitatifs, sans sortir du cadre de l'invention.

Claims

REVENDICATIONS

1. Réflecteur destiné à réfléchir un rayonnement électromagnétique, du type qui comprend: un substrat (12) ayant en surface un revêtement constitué d'une couche d'une matière à base d'une résine époxyde armée de fibres de graphite, les fibres de graphite de ce revêtement ayant tendance à polariser les ondes électromagnétiques qui sont réfléchies, et une couche métallique recouvrant le revêtement,

caractérisé en ce que la couche métallique com-

porte: une couche de chrome déposée sur le revêtement, la couche ayant une épaisseur qui suffit à la formation d'un revêtement continu et non poreux sur les fibres du

revêtement et étant suffisamment mince pour que la déforma-

tion par rapport au revêtement du substrat soit négligeable en présence d'excursions thermiques, et une couche d'aluminium déposée sur la couche

de chrome, la couche d'aluminium ayant une épaisseur suffi-

sante pour que le rayonnement électromagnétique soit réfléchi dans une bande de largeur déterminée et que l'effet de

polarisation des fibres soit réduit au minimum.

2. Réflecteur selon la revendication 1, caracté-

risé en ce que la couche de chrome a une épaisseur comprise O

entre 400 et 700 A, et la couche d'aluminium a une épais-

seur à peu près égale à dix fois l'épaisseur du chrome.

3. Réflecteur selon l'une des revendications

1 et 2, caractérisé en ce qu'il comporte en outre un revête-

ment protecteur placé sur la couche d'aluminium.

4. Réflecteur selon l'une quelconque des revendi-

cations précédentes, caractérisé en ce que le chrome et l'aluminium sont placés à la surface du revêtement du

substrat par dépôt en phase vapeur.

5. Procédé de fabrication d'un réflecteur d'un rayonnement électromagnétique par dépôt d'un métal par

évaporation sur un revêtement d'un substrat (12) du réflec-

teur, ce revêtement comprenant des fibres de graphite, caractérisé en ce qu'il comprend: une étape initiale de dépôt par évaporation, sur le revêtement du substrat, d'une couche de chrome dont l'épaisseur suffit pour que cette couche soit continue mais qui est insuffisante pour qu'elle permette une séparation

du substrat et d'une couche d'aluminium déposée ultérieu-

rement, et une étape de dépôt par évaporation, sur la couche de chrome, d'une couche d'aluminium dont l'épaisseur est suffisante pour que la polarisation du rayonnement réfléchi par le réflecteur, cette polarisation étant autrement introduite par réflexion sur les fibres de graphite, soit minimale.

6. Procédé selon la revendication 5, caractérisé en ce que, au cours de la première étape, du chrome est o déposé avec une épaisseur comprise entre 400 et 700 A et, dans la seconde étape, de l'aluminium est déposé avec O une épaisseur comprise entre 5000 et 7000 A.

7. Procédé selon l'une des revendications 5

et 6, caractérisé en ce qu'il comporte en outre la formation

d'un revêtement protecteur sur la couche d'aluminium.