DE4207009A1

DE4207009A1 - Verfahren zur herstellung von leichtbau-reflektoren, insbesondere leichtbau-spiegeln, sowie reflektor und spiegel und deren verwendung

Info

Publication number: DE4207009A1
Application number: DE19924207009
Authority: DE
Inventors: Peter Goedtke; Ernst Blenninger; Ulrich Papenburg
Original assignee: Deutsche Aerospace AG; IABG Industrieanlagen Betriebs GmbH
Current assignee: ECM Ingenieur Unternehmen fuer Energie und Umwelttechnik GmbH
Priority date: 1992-03-05
Filing date: 1992-03-05
Publication date: 1993-09-16
Anticipated expiration: 2012-03-06
Also published as: DE4207009C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Reflektoren oder Spie geln, einen Reflektor oder Spiegel sowie die Verwendung eines Reflektors oder Spiegels nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 bzw. 34.

Ein großer Teil der optischen Werkstoffe dient der geordneten Weiterleitung von Strahlen durch Brechung oder Reflexion, wobei auch beide Eigenschaften gleichzeitig ausgenützt werden können. Durch Brechung wirkende Materialien werden vor allem durch die Abhängigkeit ihrer Brechzahl und ihres Transmis sionsgrades von der Wellenlänge gekennzeichnet.

Bei Spiegeln und Reflektoren interessiert der Reflexionsgrad als Funktion der Wellenlänge. Bei nicht zu dünnen Metallschichten wird der nicht reflek tierte Strahlungsanteil absorbiert, bei den nahezu absorptionsfrei her stellbaren dielektrischen Spiegeln ist die Widerstandsfähigkeit gegen at mosphärische Einflüsse und ihre Erhöhung durch Schutzschichten wesentlich.

Während im sichtbaren Spektralbereich eine große Anzahl hochtransparenter Gläser zur Verfügung steht, ist dies im UV und IR-Bereich nicht mehr der Fall. Hier werden die Gläser durch eine kleine Anzahl von Kristallen und davon abgeleiteten Werkstoffen ergänzt, deren wichtigste Eigenschaft ein hoher Transmissionsgrad ist. Einige dieser Materialien (z. B. BaF₂, CaF₂, LiF, Al₂O₃, SiO₂) sind für Breitband- und Multispektralsysteme geeignet, weil ihre Durchlässigkeit vom UV bis zum IR reicht. Bei einigen dieser Stoffe stört die hohe Wasserlöslichkeit, die Schutzschichten und/oder eine Verwendung in völlig getrockneter Luft.

Einkristalle (je nach Kristallart isotrop oder anisotrop) werden aus natür lichen Fundstücken oder durch Kristallzüchtung (Ziehen aus der Schmelze) gewonnen. Polykristallines Material (isotrop) wird durch Drucksintern her gestellt.

Für die meisten Anwendungen kommen nur isotrope Materialien in Frage. An isotrope Kristalle werden in der Polarisationsoptik verwendet.

Der Halbleiter Silicium mit isotropem Charakter wirkt als Langpaßfilter mit steiler Kante und sperrt somit den sichtbaren und den nahen IR-Bereich. Po lykristallines Silicium hat im Anwendungsbereich bei 2 mm Dicke, ohne Re flexminderung, einen Transmissionsgrad τ ∼0,53, nach einem Transmissions minimum bei etwa 16 µm liegt der Transmissionsgrad im langwelligen Bereich bis über 300 µm wieder bei 0,4 bis 0,5 und macht, trotz seiner Sprödigkeit, in Kombination mit seinen günstigen thermischen Eigenschaften Anwendungen vor allem in der Infrarotoptik und als Spiegelträger möglich. (Quelle 1: Naumann/Schröder: Bauelemente der Optik, 5. Auflage, Seite 64, Hanser Ver lag).

Oberflächenspiegel ergeben durch achromatische Abbildung und Vermeidung an derer mit dem Durchgang durch brechende Materialien verbundener Fehler viele Vorteile vor refraktiven Systemen. Da jedoch die Änderung eines Strahl-Ab lenkungswinkels doppelt so groß wie die Änderung des Einfallwinkels ist, werden bei gleichen optischen Anforderungen an Formgenauigkeit und Mikroge stalt der Spiegelflächen höhere Ansprüche gestellt als bei brechenden Grenzflächen. Eine weitere Eigenschaft des Spiegels ist der Verlauf des spektralen Reflexionsgrades. Von der Möglichkeit, die Oberfläche eines mas siven Metallkörpers durch gute Politur unmittelbar als Spiegel einzusetzen, macht man heute nur in Ausnahmefällen Gebrauch. Im allgemeinen wird eine Spiegelschicht auf einem Spiegelträger beschichtet. Der metallische Spie gelträger wird vorher poliert und ist für die Formgenauigkeit der Fläche verantwortlich. Auf den Träger wird die Spiegelschicht durch (meist) Auf dampfen im Hochvakuum oder chemische Verfahren aufgebracht. Die Spiegel schicht paßt sich hier völlig der Form der Trägerfläche an und bestimmt den Verlauf der spektralen Reflexionsfunktion und (ggf. zusammen mit Schutz schichten) die zeitliche Stabilität der Reflexionsfunktion. Für Spiegel schichten werden bevorzugt Metalle wie zum Beispiel Aluminium, Chrom, Nickel, Quecksilber, Silber, Gold, Platin, Rhodium aber auch Siliciummono xid (SiO) und Siliciumdioxid (SiO₂) eingesetzt (Quelle 1).

An Material für Spiegelträger und Reflektoren werden hohe Anforderungen be züglich mechanischer und thermischer Stabilität gestellt. Große Spiegel ve rformen sich bei unterschiedlicher Lage bereits durch ihr Eigengewicht; Verschiebungen um Bruchteile von λ müssen verhindert bzw. durch Gegenkräfte kompensiert werden. Temperaturänderungen und ungleichmäßige Temperaturver teilungen führen zu inneren Spannungen und Verformungen. Wesentliche Anfor derungen an ein Trägermaterial für Präzisionsspiegel sind deshalb ein hoher Elastizitätsmodul E und ein sehr niedriger thermischer Ausdehnungskoeffi zient α. Weiterhin wird gute Polierbarkeit gefordert, damit optimal glatte Flächen mit geringem Streulichtanteil erzielt werden.

In dieser Hinsicht sind die meisten Metallflächen ungünstig, weil ihre Ge fügestruktur wegen abweichender Eigenschaften an den Korngrenzen zu Flä chenabweichungen nach dem Polieren führen kann. Es werden aber u. a. Rein kupfer, Aluminium- und Molybdänlegierungen sowie druckgesintertes Beryllium als Spiegel benutzt, wobei die Polierbarkeit durch eine Schicht von che misch abgeschiedenem Nickelphosphid verbessert werden muß. Metallspiegel haben eine hohe Wärmeausdehnung, können aber wegen ihrer günstigen Wärme leitfähigkeit nur begrenzt z. B. für Hochleistungslaser eingesetzt werden. Größere Bedeutung haben zur Zeit Glas und Glaskeramiken.

Bestimmte Bauteile, insbesondere für die Raumfahrt, sollen sich neben einer hohen Grundfestigkeit und Temperaturbeständigkeit auch durch ein niedriges Raumgewicht auszeichnen. Darüber hinaus wird eine gute Temperaturwechsel beständigkeit (TWB), verbunden mit einem niedrigen Wärmeausdehnungskoeffi zienten (WAK), gefordert.

Beispielsweise sollen zukünftige Satelliten mit einer im Einsatz rotieren den Spiegelstruktur ausgestattet werden. Derartig große Spiegel mit Abmes sungen von beispielsweise 800 × 600 mm müssen an einer Stirnseite eine optisch reflektierende Oberfläche aufweisen.

Da im Weltraum-Einsatz mit zyklischen Temperaturwechseln von 0 bis 700 K zu rechnen ist, muß neben der größenbedingten Bauteilsteifigkeit die Tempera tur- und Thermoschockbeständigkeit, niedriges Raumgewicht und nicht zuletzt geringe thermische Ausdehnung gewährleistet werden. Darüber hinaus müssen sich an den in Frage kommenden Werkstoffgruppen hohe Oberflächengüten für reflektierende Optiken erzielen lassen.

Konventionelle Spiegelbauteile werden heute aus einer Glaskeramik gefer tigt. Der Herstellungsprozeß erfolgt über das Schmelzen verschiedener Oxid pulver wie zum Beispiel LiO₂₁, Al₂O₃, MgO, ZnO und P₂O₅ in Platinöfen. Nach der Homogenisierung der Schmelze werden über die Preß-, Gieß- und andere Glasformgebungsverfahren entsprechende Glasformkörper hergestellt. Nach einer Sturzkühlung und dem Entformen erfolgt eine kontrollierte Temperung der Glas-Bauteile auf Temperaturen von ca. 700°C, wobei sich im nichtkri stallinen (amorphen) Glas sogenannte Kristallkeime ausbilden. Bei entspre chender Haltezeit führt die angesprochene Keimbildung zum Kristallwachstum und vollzieht die "Keramisierung" des Glases zur Glaskeramik.

Diese kristalline Glaskeramik besitzt die vorteilhafte Eigenschaft, in ei nem Temperaturbereich von 273 K bis 323 K eine niedrige thermische Ausdeh nung von nur 0 ± 0,15 × 10^-6 K^-1 aufzuweisen.

Als Spiegelwerkstoff ist diese Glaskeramik nur begrenzt einsetzbar, da sie nur über aufwendige Formgebungsverfahren hergestellt werden kann und außer dem ein relativ hohes Raumgewicht von 2,53 g/cm³, eine geringe Zugfestig keit und nicht zuletzt ein sprödes Bruchverhalten aufweist. Außerdem ist ihr Einsatzbereich als optische Komponente auf eine konstante oder eine ma ximale Temperatur von 423 K begrenzt, da die kristalline Struktur von der artigen Glaskeramiken im Temperaturbereich von 200 bis 300 K sowie 360 bis 480 K einer Spannungshysterese unterliegen. Im Temperaturbereich größer 700 K wird das Gefüge bereits irreversibel geschädigt (Quelle 2: SiRA; ESTEC- Contract Nr. 5976/84/NL/PR; Oktober 1985).

Ferner sind Versuche bekannt, Leichtbau-Spiegelbauteile aus preisgünstigem Aluminium (Raumgewicht 2,71 g/cm³) herzustellen. Aufgrund der geringen Steifigkeit des Aluminiums ist es bisher jedoch nicht möglich, daraus Prä zisionsoptiken zu fertigen. Für den Einsatz in korrosiver Umgebung müssen Aluminiumspiegel mit einer dicken (0,2-0,5 mm) Nickelbeschichtung ver sehen werden. Aufgrund massiver Wärmeausdehnungsunterschiede zwischen Alu minium (23×10^-6K^-1) und Nickel (13×10^-6K^-1) dürfen diese Spiegel keinerlei Temperaturwechselbeanspruchungen ausgesetzt werden, da sonst thermisch in duzierte Risse entstehen.

Spiegel aus reinem Aluminium, wie sie im Vakuum eingesetzt werden können, zeigen schon bei geringer Temperaturbeanspruchung - aufgrund des sehr hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf den optischen Spiegelflächen - lokale Verformungen, die im Einsatz beispielsweise als Laserspiegel zur Entfern ungsmessung zu undefinierten Ergebnissen führen würden (Quelle 2).

Stand der Technik sind auch reflektierende Optiken auf Quarzglasbasis. Auf grund ihres äußerst niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten von nahezu Null im Temperaturbereich von 0 bis 273 K sind Quarzglassysteme prädestiniert für sogenannte cryogene Anwendungen. Im Bereich zwischen 273 K und 373 K steigt der thermische Ausdehnungskoeffizient auf 5,1×10^-7K^-1. Weitere Nach teile sind das relativ hohe Raumgewicht von 2,2 g/cm³, die geringe Steifig keit, die niedrige Zugfestigkeit von < 50 MPa, hohe Produktionskosten und die Begrenzung des Durchmessers auf rd. 500 mm wegen des komplexen Hers tellungsverfahrens (Quelle: W. Englisch, R. Takke, SPIE, vol. 1113, Reflec tive Optics II, 1989, page 190-194).

Aufgrund seiner mechanischen und thermischen Eigenschaften sowie des nie drigen Raumgewichts von nur 1,85 g/cm³ eignet sich Beryllium besonders zur Herstellung von Leichtbau-Spiegelstrukturen. Zum Beispiel besitzt Beryllium eine fünfmal höhere Steifigkeit als Aluminium oder Glaswerkstoffe. Be schichtete Berylliumplatten lassen sich auf Raumtiefen von kleiner 15 Ang ström (R_a) polieren und sind damit prädestiniert für optisch reflektierende Oberflächen.

Besonders nachteilig ist, neben den hohen Rohstoff- und Herstellungskosten, das generell toxische Verhalten von Beryllium-Werkstoffen. Um sie als opti sche Komponenten unter atmosphärischen Bedingungen einsetzen zu können, müssen diese zuvor mit Nickel beschichtet werden. Aufgrund unterschiedli cher Wärmeausdehnungskoeffizienten von Beryllium (11,2×10^-6K^-1) und Nickel (15×10^-6K^-1) dürfen diese Komponenten keinesfalls auf Thermoschock bean sprucht werden und kommen daher nur bei konstanten Temperaturen oder in sehr engen Temperaturbereichen zum Einsatz.

Außerdem wurde festgestellt, daß die über die Vakuum-Heißpreßtechnik oder das heißisostatische Pressen hergestellten Berylliumteile einen anisotropen Werkstoff-Charakter mit unterschiedlichen Eigenschaften in unterschiedli chen Kristallrichtungen aufweisen.

Unter Weltraumbedingungen können unbeschichtete Spiegel verwendet werden. Der hohe Wärmeausdehnungskoeffizient bewirkt jedoch bei den typischen Tem peraturwechseln zwischen 0 und 700 K lokale Verformungen auf der optischen Fläche, die Beryllium für den Einsatz in der Präzisionsoptik ausschließen (Quelle 1) und auch bei Satellitenspiegeln zu erheblichen Übertragungspro blemen führen können.

Derartige Spiegelstrukturen werden gegenwärtig auch aus monolithischer Ke ramik auf der Basis von Siliciumcarbid über die sogenannte Schlickerguß-Te chnik hergestellt. Bei diesem Formgebungsverfahren wird in eine als Negativ ausgebildete Gipsform eine Siliciumcarbid-Pulversuspension eingefüllt. In Abhängigkeit von der Verweilzeit der Suspension in den Gipsformen bildet sich ein keramischer Scherben, also der positive Bauteil-Grünkörper, mit unterschiedlicher Wandstärke aus. Nach der Trocknung der Rohlinge erfolgt ein Sinterprozeß in Vakuum- oder Schutzgasöfen bei Temperaturen von bis zu 2200°C. Neben dem aufwendigen Formenbau zur Herstellung der Grünlinge bein haltet diese Herstellungstechnologie den Nachteil, daß nur bestimmte Geome trien und kleine Baugrößen verwirklicht werden können und die Fertigung insgesamt einer hohen Ausschußrate unterliegt. Da diese Siliciumcarbid- Formkörper bei der Trocknung und Sinterung einer Schwindung unterliegen, kann die erforderliche Maßhaltigkeit nur durch eine kostspielige Bearbei tung mit Diamantwerkzeugen gewährleistet werden. Aufgrund des heterogenen Gefüges wird der Sinterkörper anschließend zusätzlich über die chemische Gasphasenabscheidung mit Siliciumcarbid beschichtet, um Rauhtiefen von we niger als 40 Angström erreichen zu können. Neben dem aufwendigen Herstel lungs- und Bearbeitungsverfahren besitzt Siliciumcarbid ein relativ hohes Raumgewicht von 3,2 g/cm³ und zeigt ein äußerst sprödes Bruchverhalten.

Aus der Offenlegungsschrift DE 32 46 755 A1 ist bekannt, daß man hochfeste Verbundmaterialien, bestehend aus verschiedenen Laminatschichten in Kombi nation mit Zellkern- oder Wabenschichten, in Leichtbauweise herstellen kann. Als Rohstoffe kommen dabei kunstharzgetränkte Vliese oder Gewebe aus Papier, Kunststoff, Folie, Glasgewebe, Carbon-Faservliese oder Polyimid zum Einsatz, wobei der Zellkern oder die Wabenschicht eine bessere Stabilität und eine erhöhte Biegesteifigkeit des Formkörpers gewährleisten sollen.

Derartige Verbundmaterialien auf CFK- oder GFK-Basis (kohle- oder glasfa serverstärkte Kunststoffe) sind auf Raumtemperaturanwendungen beschränkt. Aufgrund des inhomogenen Faser- oder Laminataufbaus kann durch eine Ober flächenbearbeitung keine optische Spiegelfläche erzeugt werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bzw. einen Reflek tor oder Spiegel der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, daß ein Reflektor oder Spiegel mit geringem Gewicht und verbesserten mecha nisch-/thermischen Eigenschaften in einfacher Weise herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 bzw. 34 angegebenen Merkmale gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung er geben sich aus den Unteransprüchen.

In der nachfolgenden Beschreibung wird in erster Linie davon ausgegangen, daß Kohlenstoff bzw. Kohlenstoffasern als Grundbaustein für die Formkörper verwendet werden. Es soll aber an dieser Stelle ausdrücklich darauf hinge wiesen sein, daß die Entwicklung von Materialien ähnlichen feinstrukturel len Aufbaus bzw. die Verwendung derartiger Stoffe vom Erfindungsgedanken mit umfaßt ist. Ein wesentlicher Gedanke der vorliegenden Erfindung liegt nämlich darin, daß diese "durchtränkt" werden, so daß sich die Silicium-Re flektorschicht mit dem Grundkörper fest verbinden kann.

Weiterhin sei darauf hingewiesen, daß in der nachfolgenden Beschreibung im allgemeinen von Silicium-Formkörpern oder -Wafern zur Herstellung der Außen schicht gesprochen wird. Es ist aber auch möglich, metallisches Silicium in körniger Form oder pulverförmig zu verwenden, wobei dann eine mechanische Nachbehandlung (schleifen, polieren) erforderlich wird. Besonders einfach gestaltet sich das Verfahren jedoch bei der Verwendung von Wafern, die oh nehin hinreichend spiegelnde Oberflächen aufweisen.

CFC-Verbundwerkstoffe, welche aus einer Kohlenstoffmatrix und Verstärkungs fasern aus Kohlenstoff bestehen, werden über das Harz-Imprägnier- und Car bonisierungsverfahren industriell gefertigt. Diese entstandenen Werkstoffe zeichnen sich durch eine äußerst günstige Kombination von Werkstoffeigen schaften aus, wie z. B. hohe mechanische Festigkeit im Raum- und Hochtempe raturbereich in Verbindung mit niedrigem Raumgewicht (1,0-1,7g/cm³) und geringe Sprödigkeit.

Die ausgezeichneten Materialeigenschaften von CFC werden dadurch getrübt, daß dieser Werkstoff eine geringe Oxidationsbeständigkeit besitzt und nur sehr begrenzt in sauerstoffhaltiger Atmosphäre eingesetzt werden kann. Die geringe Resistenz gegenüber Sauerstoff beschränkt CFC zur Zeit auf den Va kuum- und Schutzgaseinsatz, da sonst bei Temperaturen oberhalb von 400°C ein Abbrand einsetzt.

Um die Oxidationsbeständigkeit dieser Verbundwerkstoffe zu erhöhen, wurden die sogenannten Ceramic Matrix Composites (CMC) entwickelt. Bei diesen Werkstoffen werden in die poröse CFC-Matrix refraktäre und keramische Kom ponenten infiltriert. Es ist auch die Herstellung von Kurzfaser-Formkör pern möglich, wobei Kurzfasern auf Kohlenstoffbasis in einer Phenolharz- Suspension gelöst sind und bei Temperatursteigerung aushärten. Bei weiterer Temperaturaufgabe werden die Harzbindemittel beider Compositequalitäten unter Ausschluß von Sauerstoff carbonisiert.

Das erfindungsgemäße Bauteil weist als Grundkörper faserverstärkte CFC- oder CMC- oder Kohlenstoff-Waben-Composites und oberflächlich metallisches Silicium auf. Unter metallischem Silicium ist dabei elementares Silicium zu verstehen, welches durch Diffusions-, Sinter- oder Anschmelzvorgängen von Silicium-Formkörpern oder Wafern oder Siliciumpulver auf CFC-Trägersubstra te appliziert wurde. Silicium-Wafer sind metallische Scheiben, bestehend aus Reinstsilicium. Das Silicium kann ein kristallines oder polykristallines Gefüge aufweisen.

Die Erfindung erlaubt die Herstellung von Bauteilen mit komplexer Geome trie, hoher Temperaturwechselbeständigkeit, niedrigem Raumgewicht (0,5-2 g/cm³) bei gleichzeitig hoher Festigkeit (< 150 MPa), geringen Wärmeaus dehnungskoeffizienten (WAK) und Oberflächen, die sich für reflektierende Optiken eignen.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß preisgünstige, handelsübliche Werkstoffe verwendet werden können, die sich auf jeder Werkzeugmaschine bearbeiten lassen.

Darüber hinaus können die Dichte und Festigkeit des Bauteils gezielt über die Auswahl der Trägerstrukturen und die Quantität bzw. Qualität der ge wählten Infiltrationsprozesse eingestellt werden. Die Wärmeausdehnungsko effizienten der erfindungsgemäß eingesetzten Werkstoffgruppen sind unter einander sehr ähnlich; somit ergeben sich sehr genaue, formstabile Teile, auch bei großen Abmessungen.

Dabei können vorteilhafterweise jegliche CFC-Rohstoffe, insbesondere auf Lang- oder Kurzfaserbasis sowie mit orientiertem oder unorientiertem Fa seraufbau verwendet werden. Darüber hinaus kann das erfindungsgemäße Ver fahren auch an bekannten Wabenstrukturen auf Papier, Zellstoff- oder Kohle faserbasis angewendet werden.

Der eingesetzte CFC-Vollkörper besitzt eine Dichte von höchstens 1,4 g/cm³, d. h. er weist eine hohe Porösität auf. Abgesehen von den Poren weist der Vollkörper keine Hohlräume auf, d. h., er ist von seiner Form her ein massi ver Körper, z. B. eine Platte, ein Block oder ein Vollzylinder. Bei mehrdi mensional orientierten CFC-Qualitäten mit Langfaseraufbau geht man in der Regel von in Harz getränkten Kohlefasergeweben, sogenannten Prepregs aus, die in beheizbaren axialen Pressen zu CFK-Platten verpreßt werden.

Zur Herstellung von CFC-Vollkörpern auf Kurzfaserbasis werden in bekannter Weise Kohle- oder Graphitfasern in einem wärmehärtbaren Harzbindemittel suspendiert. Die Suspension wird in eine Form gegeben und anschließend die Lösungsmittel z. B. durch Erwärmen entfernt und das Harz-Bindemittel und da mit der CFK-Vollkörper ausgehärtet. Bei allen CFC-Qualitäten soll die Fa serverstärkung einer Versprödung der keramisierten CFC-Werkstoffe entgegen wirken und ein quasiduktiles Bruchverhalten aufrecht erhalten. Die aus den bekannten Formgebungsverfahren hergestellten Wabenstrukturen zum Beispiel auf Hartpapier- oder Kohlefaserbasis werden zur Erhöhung der Kohlenstoff ausbeute mit einem Harzbindemittel, vorzugsweise Phenolharz, imprägniert und in einer anschließenden Wärmebehandlung ausgehärtet.

Gemeinsam ist allen CFC- oder Wabenstrukturen die anschließende Carbonisie rung des Bindemittelharzes im Vakuum oder Schutzgas bei Temperaturen von beispielsweise 900 bis 1300°C. Die erhaltenen CFC-Vollkörper oder Waben strukturen werden dann vorzugsweise in Vakuum- oder Schutzgasatmosphäre auf Temperaturen von mehr als 2000°C erhitzt, um eine zumindest teilweise Gra phitierung der C-Matrix und Fasern vorzunehmen.

Durch materialabtragende Bearbeitung wird dann aus den Vollkörpern der ent sprechende CFC-Rohling hergestellt, der die Maße des herzustellenden Bau teils, also beispielsweise die Spiegelgrundstruktur eines Satelliten oder anderer optisch reflektierender Systeme besitzt. Die materialabtragende Be arbeitung kann beispielsweise durch Drehen, Fräsen oder Schleifen erfolgen, wobei die zur spanabhebenden Bearbeitung von metallischen Werkstoffen be kannten Maschinen eingesetzt werden können. Zur weiteren Gewichtsersparnis können vorteilshafterweise bei der Bearbeitung der CFC-Rohstoffe an der Rückseite der Spiegelstrukturen Taschen beliebiger Geometrie eingefräst, erodiert oder gebohrt werden. Die Kohlenstoff-Wabenstrukturen können nach der Carbonisierung an den Stirnseiten mit Kohlefasergeweben beliebiger Art oder Gewebeprepregs mittels eines Harzbindemittels zu einem Verbund lami niert werden. Es ist außerdem möglich, die Wabenstrukturen in das hochpo röse Kurzfaser-CFC einzupressen oder die mit CFC-Geweben ummantelten Waben strukturen zu einem Sandwich-System, bestehend aus mehreren Wabenstruktu ren, zu verpressen, um so nach der Carbonisierung einen hochtemperaturbe ständigen Leichtbaukonstruktionswerkstoff mit hoher Steifigkeit und quasi duktilem Bruchverhalten zu erhalten.

Der nach der Bearbeitung erhaltene CFC- oder Wabenrohling, der wie der Vollkörper eine geringe Dichte von 0,1 bis 1,3 g/cm³ und damit eine hohe Porosität von bis zu 90 Vol% aufweist, kann anschließend erneut über die Imprägnierung von Harzbindemitteln und deren Carbonisierung weiter infil triert und verfestigt werden.

Auch eine Infiltration über die chemische Gasphasenabscheidung (CVD) mit pyrolytischem Kohlenstoff bis zu einer Dichte von maximal 1,4 g/cm³, vor zugsweise 0,3 bis 1,0 g/cm³, kann zur notwendigen Verfestigung der CFC-Roh linge und somit Versteifung der Spiegelgrundstruktur führen. Während bei der Harzimprägnierung vorzugsweise Phenolharze zum Einsatz kommen, wird bei der chemischen Gasphasenabscheidung des Kohlenstoffs vorzugsweise ein Ge misch aus Kohlenwasserstoffen, wie Methan oder Propan, und einem inerten Gas, wie Argon oder Stickstoff, bei einer Temperatur zwischen 700 und 1100°C und einem Druck von 1 bis 100 Millibar durchgeführt. Das Gas diffun diert in die offenporige Struktur, zersetzt sich in Kohlenstoff und Wasser stoff, wobei der Kohlenstoff vorzugsweise als pyrolytischer Kohlenstoff an den Faseroberflächen bzw. an den Faserkreuzungspunkten abscheidet und so eine Festigkeitssteigerung erzielt wird.

Die aus beiden Infiltrationsverfahren erhaltenen CFC-Rohlinge werden an der für die Spiegelfläche vorgesehenen Seite oberflächlich geschliffen und in einen Vakuum- oder Schutzgasofen eingebaut. Auf die geschliffene Seite wer den ein oder mehrere metallische Silicium-Formkörper aufgelegt und die Pro be auf Temperaturen von 1300 bis 1600°C, vorzugsweise 1350 bis 1450°C auf geheizt. Durch eine chemische Reaktion des Kohlenstoffs mit dem Silicium bildet sich an den Grenzflächen Siliciumcarbid aus, welches zu einer Verfe stigung oder Fügung und damit zur Applizierung des Silicium-Wafers auf dem CFC-Trägersubstrat führt. Neben der chemischen Reaktion können auch An schmelzvorgänge des metallischen Siliciums oder Diffusion zur Applizierung der Wafer auf dem CFC-Rohling führen und sich so optisch reflektierende Strukturen ausbilden.

Auf sogenannte Ceramic-Matrix-Composites (CMC), welche beispielsweise in der Matrix Siliciumcarbid und Silicium aufweisen, können metallische Sili cium-Wafer bei Temperaturen von 1300 bis 1600°C fest appliziert werden.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht auch vor, daß man die zu verspiegelnden Flächen mit einem oder mehre ren Silicium-Formkörpern oder Si-Wafern belegt und die so vorbereiteten Spiegelträger mit ihrem unteren Ende in eine dotierte Siliciumschmelze stellt. Durch die Kapillarkräfte in der Trägerstruktur steigt das geschmol zene Silicium im Rohling bis zu den hochreinen Silicium-Formkörpern nach oben, wodurch zum einen der Rohling zum CMC veredelt wird und die auflie genden Silicium-Formkörper oder Wafer untereinander verbunden und rücksei tig fest an das Bauteil gefügt werden. Trägerstrukturen, die aus mehreren Teilelementen gesteckt oder gefügt sind, können außerdem durch das auf steigende Silicium zu einer Gesamtstruktur verfestigt werden.

Die Infiltration des CFC- Rohlings erfolgt mit einer solchen Menge an ge schmolzenem metallischem Silicium, daß seine Dichte weniger als 2,0 g/cm³, vorzugsweise 1,5 bis 1,8 g/cm³ beträgt. Vorteilhafterweise sind die han delsüblichen metallischen Silicium-Einkristall-Wafer schon derart vorge schliffen und poliert, daß sie nach der Applizierung direkt optisch reflek tierende Flächen ausbilden und so spanabhebende Bearbeitungszyklen auf ein Minimum reduziert oder ausgeschlossen werden können. Um ein massives An schmelzen, Deformieren und Abdampfen der aufliegenden Siliciumteile zu ver hindern, darf eine maximale Prozeßtemperatur von 1550°C nicht überschritten werden; die Prozeßtemperatur liegt vorzugsweise zwischen 1350 und 1500°C. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht auch vor, daß man die Silicium-Formkörper vor der Applizierung mit einem Kleber oder Harzbindemittel auf die CFC- oder CMC- oder Wabengrund strukturen aufklebt und diese bei der Temperaturbehandlung entsprechende Diffusions-, Sinter- oder Anschmelzvorgänge an der Grenzfläche zwischen dem Trägersubstrat und den Silicium-Formkörpern fördern.

Als Kleber oder Harzbindemittel können vorteilhafterweise Precursoren auf Polysilan- oder Siliciumcarbonitrid-Basis und/oder Kleber auf Silicium-, Siliciumcarbid oder Kohlenstoff-Basis oder Silikone eingesetzt werden. Vor der Reaktionsapplizierung müssen die Kleber bei Temperaturen zwischen 100 und 200°C getrocknet bzw. gehärtet werden. Eine Pyrolyse der Harzbindemit tel erfolgt bei 1000°C in Vakuum- oder Schutzgasatmosphäre.

Polysilane (Polymethylphenylsilane) besitzen beispielsweise je nach Lö sungsmittelanteil nach der Pyrolyse unter Inertgas bei 1200°C eine kera mische Feststoffausbeute von 30 bis maximal 70 Gew.-%.

Für Spiegel- und Reflektorverwendungen im Temperaturbereich von beispiels weise 250 und 330 K ohne größere Temperaturschwankungen führt eine Klebung der Siliciumteile mittels Silikonen auf die Trägerstrukturen zu einer aus reichenden Verfestigung zwischen den Trägern und der Spiegelschicht.

Auch der Einsatz von Glasfritten führt bei einer entsprechenden Temperung über 600°C zu einer Applizierung der Siliciumkörper durch Anschmelzvorgänge auf den CFC- oder CMC-Spiegelträgern.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht weiterhin vor, daß man mehrere Sili cium-Formkörper oder Si-Wafer unterschiedlicher Dotierung bzw. Schmelzpunk te als sogenannte Multilayer auf die CFC- oder CMC- oder Wabenträgerstruk turen aufbringt, wobei die Silicium-Formkörper vorzugsweise derart angeord net sind, daß das Si-Formteil mit dem niedrigsten Schmelzpunkt direkt auf dem Trägersubstrat aufgebracht ist und alle darüber angeordneten Silicium- Körper einen höheren Schmelzpunkt aufweisen. Undotiertes Reinstsilicium be sitzt beispielsweise seinen Schmelzpunkt bei 1412°C. Je nach der Quantität der Verunreinigungen im Silicium (Dotierung) kann der Schmelzpunkt aufgrund von Eutektikumsbildungen entsprechend herabgesetzt werden.

Die so hergestellten Bauteile können dann noch einer Nachbearbeitung unter zogen werden, beispielsweise um optisch reflektierende Flächen bei einem Satelliten-Spiegel zu erzeugen. Zur Nachbearbeitung können die von der Me tallbearbeitung her bekannten Schleif-, Läpp- oder Poliermaschinen und Werkzeuge verwendet werden, insbesondere auch Diamantwerkzeuge.

Wird die reflektierende/spiegelnde Fläche aus Wafern erzeugt, dann wird die Temperatur für den Anschmelzprozeß so gewählt, daß die glatte äußere Ober fläche des Wafers nicht anschmilzt. Bei Silicium-Formkörpern mit nichtglat ten Oberflächen oder bei Verwendung von Si-Pulver entsteht die reflektie rende Fläche aus der erstarrten Schmelze mit nachfolgendem Schleif- und Po liervorgang.

Eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung sieht vor, daß man die auf die CFC- oder CMC-Spiegelträger applizierten Silicium-Formkörper zumindest oberflächlich zu hartem Siliciumcarbid (SiC) umwandeln kann. Insbesondere in den Anwendungsbereichen, in denen mit chemischem Angriff oder Abrasion zu rechnen ist, können die Spiegel oder Reflektoren mit ihrer Siliciumspie gelschicht einer kohlenstoffhaltigen Atmosphäre oberhalb 700°C ausgesetzt werden, wobei das Silicium mit dem Kohlenstoff reagiert und eine ver schleißbeständige Oberflächenschicht aus Siliciumcarbid ausbildet. Bei spielsweise reagiert das Silicium mit einem Gasgemisch bestehend aus Methan und Argon oder Wasserstoff bei Temperaturen von 1200 bis 1300°C zu Silici umcarbid. Im Temperaturbereich von 900 bis 1200°C führt ein Gasgemisch be stehend aus C₃H₈ und H₂ ebenfalls zu einer entsprechenden Siliciumcarbid- Bildung.

Silicium-Spiegelflächen auf CFC- oder CMC-Substraten können erfindungsgemäß nicht nur durch die Applizierung von Silicium-Formkörper, sondern auch un ter Verwendung von Siliciumpulver auf den Spiegelträgern erzeugt werden. Dazu wird metallisches Siliciumpulver auf die zu verspiegelnden Oberflächen der CFC- oder CMC-Spiegelträger aufgestreut und im Vakuum oder unter Schutzgasatmosphäre oberhalb Temperaturen von 1000°C, vorzugsweise 1300°C bis 1600°C, geschmolzen. Nach dem Abkühlen weisen die Spiegel- oder Reflek torstrukturen aus CFC oder CMC oberflächlich eine geschlossene Silicium schicht auf, welche sich durch eine schleifende Bearbeitung zu spiegelnden oder reflektierenden Oberflächen ausbildet.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, daß die Siliciumspiegel-Schichten auf den CFC- oder CMC-Spiegel trägern für Anwendungen wie zum Beispiel im Breitband- oder Multispektral system oberflächlich in Siliciumdioxid (SiO₂) oder Quarz umgewandelt werden können. Dazu wird die gesamte Spiegel- oder Reflektorstruktur oder andere optische Komponenten mit ihren spiegelnden Siliciumoberflächen in sauer stoffhaltiger Atmosphäre, vorzugsweise Luft, Temperaturen oberhalb von 500°C, vorzugsweise 800 bis 1000°C, ausgesetzt werden und so das metal lische Silicium oberflächlich zu Siliciumdioxid (SiO₂) oxidiert.

Das entwickelte Verfahren sieht auch vor, daß zur Herstellung von besonders komplexen Spiegel- oder Reflektorsystemen oder anderer optischer Komponen ten auf CFC- oder CMC-Trägerbasis die spiegelnden oder reflektierenden Si liciumoberflächen über das heißisostatische Pressen (HIP) zu einem Werk stoffverbund mit durchgehender Flächenverbindung gefügt werden. Die Techno logie des heißisostatischen Pressens beruht auf der Kombination von gleich zeitiger Druck- und Temperaturaufgabe auf die Spiegelkomponenten. Dabei wird der Druck über ein Gas allseitig auf die Reflektorstruktur ausgeübt und kann bis zu 2000 bar erreichen. Da es sich um einen allseitigen Gas druck handelt, sind der Geometrie der Spiegel und Reflektoren keine Grenzen gesetzt. Allerdings muß dafür gesorgt werden, daß kein Gas in die mit den CFC- oder CMC-Träger verbundenen Silicium-Schichten eindringen kann und die Verschweißung der Grenzflächen verhindert. Die Spiegelstrukturen werden deshalb vor dem heißisostatischen Pressen beispielsweise in Stahlbehälter gehüllt und so die zu verbindenden Flächen gegenüber dem außen anliegenden Gasdruck abgedichtet. Die Temperatur bei der Siliciumverspiegelung der CFC- oder CMC-Träger liegt unterhalb des Schmelzpunktes von Silicium. Der HIP- Prozeß wird unterhalb von 1412°C, vorzugsweise bei 1100 bis 1412°C durchge führt. Man erhält eine Diffusionsverbindung zwischen der oberflächlich vor liegenden Siliciumschicht und dem CFC- oder CMC-Spiegelträger. Bedingt durch den allseitigen Gasdruck bei gleichmäßiger Wärmeverteilung im Werk stück wird auch bei komplexen Strukturen eine homogene und durchgehende Flächenverbindung garantiert.

Genau wie bei der zuvor beschriebenen drucklosen Applizierung von Silicium formkörpern auf CFC oder CMC werden hier durch das Sintern unter Druck, die Si-Spiegelschicht und die Träger-Komponenten ineinander verpreßt und bilden unlösbare Verankerungen, Verzahnungen sowie Hinterschneidungen.

Vorteilhafterweise können auch hier Siliciumformkörper oder Wafer jeglicher Geometrie und chemischer Zusammensetzung oder Siliciumpulver zur Erzeugung der spiegelnden oder reflektierenden Siliciumoberflächen herangezogen wer den.

Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand von Abbildungen näher beschrieben. Hierbei zeigen

Fig. 1 einen Querschliff einer Silicium-Wafer-Applizierung auf einem CMC- Substrat bei 20-facher Vergrößerung,

Fig. 2 den Anschliff nach Fig. 1 bei 40-facher Vergrößerung,

Fig. 3 den Anschliff nach Fig. 1 bei 100-facher Vergrößerung,

Fig. 4 den Anschliff nach Fig. 1 bei 200-facher Vergrößerung,

Fig. 5A einen Großspiegel, der aus Facetten zusammengesetzt ist,

Fig. 5B einen Teilausschnitt des Spiegels nach Fig. 5A,

Fig. 5C eine andere Ausführungsform eines Großspiegels in einer Darstel lung ähnlich der 5B,

Fig. 6A einen Längsschnitt durch eine bevorzugte Ausführungsform einer Trägerstruktur,

Fig. 6B einen Schnitt entlang der Linie VI-VI aus Fig. 6A, und

Fig. 7 ein Bild einer Silicium-Wafer-Applizierung auf einer, mit Kohlefa ser-Geweben ummantelten Wabenstruktur,

Fig. 8A eine Ausführungsform von Infrarot-Teleskopspiegeln,

Fig. 8B eine Ausführungsform von Infrarot-Teleskopspiegeln.

Beispiel 1:

40 Kohlefaser-Gewebepregregs mit Satin-Bindung, einem Phenolharzanteil von 35 Gew. % und einem Durchmesser von 150 mm werden in einer beheizbaren axi alen Presse bei einer Temperatur von 200°C und einer Preßdauer von 8 Minu ten zu einem CFK-Formkörper mit einem Durchmesser von 150 mm bzw. einer Wandstärke von 12 mm verpreßt. Der nach dem Entformen erhaltene Formkörper, beispielsweise diese Platte, wird nun in einem Reaktor unter Ausschluß von Sauerstoff, d. h. im Vakuum oder in einer Schutzgasatmosphäre, bei etwa 1000°C carbonisiert. Um die Reaktivität der Kohlenstoffasern zu minimieren bzw. den E-Modul zu beeinflussen, wird der Vollkörper einer Temperatur von mehr als 2000°C unter Sauerstoffausschluß, d. h. im Vakuum oder in einer Schutzgasatmosphäre, ausgesetzt, wodurch der durch Carbonisieren des Phe nolharzes gebildete Matrixkohlenstoff zumindest teilweise graphitiert wird. Diese Graphitierung erfolgt beispielsweise mit einer Aufheizgeschwindigkeit von 30 K/min und einer Haltezeit von 2 Stunden bei 2100°C. Der erhaltene CFC-Vollkörper besitzt eine Dichte von 1,0 g/cm³.

Aus dem Vollkörper wird dann maschinell durch Dreh-, Fräs- und/oder eine Schleifbearbeitung der in Fig. 6 dargestellte Rohling, welcher als Träger substrat für optisch reflektierende Spiegelstrukturen dient, hergestellt.

Der Rohling wird in einem Druck-Autoklaven bei 500 bar erneut mit Phenol harz imprägniert. Nach der Druckimprägnierung wird das Bauteil mit einem metallischen Silicium-Formkörper (Durchmesser 123 mm, Wandstärke 0,8 mm) beklebt. Als Kleber wird z. B. ein handelsüblicher Siliciumcarbidkleber vom Typ RTS 7700 der Fa. Kager verwendet, welcher bei 100°C an Luft ohne Schwinden antrocknet. Das imprägnierte Bauteil wird in einem Reaktor bei 1000°C und bei einem Druck von 10 mbar erneut carbonisiert. Die Aufheizge schwindigkeit beträgt 2 Kelvin pro Minute, die Haltezeit 12 Stunden.

Der Rohling mit aufgeklebtem Silicium-Formkörper und einer Dichte von 1,18 g/cm³ wird nun in einem Vakuumofen mit einer Aufheizgeschwindigkeit von 20 K pro Minute auf eine Temperatur von 1390°C aufgeheizt und dort 30 Minuten gehalten. Nach der Abkühlung auf Raumtemperatur ist die Silicium-Scheibe ohne Deformierung fest mit dem CFC verzahnt.

Die mikroskopische Untersuchung der Schnittfläche durch ein Referenzbauteil bestätigte, daß der Silicium-Formkörper fest verzahnt und ohne erkennbare Risse und Poren auf das CFC-Grundsubstrat gefügt ist. Polierversuche mit Submikron-Diamantsuspensionen ergaben, daß sich die Silicium-Oberflächen problemlos auf Rauhtiefen R_a von kleiner 15 Angström schleifen lassen und sich damit als optisch reflektierende Strukturen ausgezeichnet eignen.

Beispiel 2:

Kohlenstoff-Kurzfasern mit einer Länge von 10 bis 30 mm werden in einer Phenolharzsuspension aufgeschlämmt. Der Fasergehalt in der Suspension be trägt 40 Gew.-%. Die Suspension wird in eine zylindrische Form mit einem Durchmesser von 150 mm und einer Höhe von 100 mm gefüllt. Bei 60 bis 70°C werden die im Phenolharz enthaltenen Lösungsmittel unter Vakuumatmosphäre entfernt. Bei einer Temperatursteigerung auf 180°C erfolgt die Aushärtung des Phenolharzes. Nach dem Entformen wird der zylindrische CFK-Vollkörper unter Ausschluß von Sauerstoff wie in Beispiel 1 carbonisiert.

Der erhaltene CFC-Vollkörper mit quasi-isotropem Gefüge weist eine Dichte von 0,55 g/cm³ und eine Porosität von etwa 70 Vol.-% auf. Um die Reaktivi tät der verwendeten Kohlefasern zu minimieren bzw. aus dem Phenolharz ge bildeten Matrix-Kohlenstoff zumindest teilweise zu Graphit umzuwandeln, wird eine Graphitierung bei Temperaturen von größer 2000°C, wie in Beispiel 1 beschrieben, vorgenommen.

Aus dem zylindrischen Vollkörper werden dann maschinell durch Dreh-, Fräs- und/oder Schleifbearbeitung die in Fig. 6 dargestellten Bauteile herge stellt, die als Trägersubstrat für die Satelliten-Spiegelstrukturen dienen können.

Die Bauteile werden in einem Vakuumofen 50 Stunden lang bei 750°C und bei einem Partialdruck von 2 mbar unter Verwendung von Propan und Argon im Ver hältnis 1 : 5 durch chemische Gasphasenabscheidung mit pyrolytischem Koh lenstoff infiltriert, bis ihre Dichte 0,90 g/cm³ beträgt und ihre offene Porösität auf ca. 30% abgenommen hat.

Die Bauteile werden jetzt in einer Hochtemperatur-Vakuumkammer in ein Gra phitgefäß gestellt, dessen Boden mit geschmolzenem metallischen Silicium bedeckt ist. Aufgrund der Kapillarkräfte steigt das geschmolzene Silicium in dem Rohling nach oben, wodurch die Poren fast ganz mit Silicium gefüllt werden. Bei weiterer Temperatursteigerung auf etwa 1750°C bis 1800°C wird ein Teil des metallischen Siliciums mit pyrolytischem Kohlenstoff zu Sili ciumcarbid umgesetzt.

Nach der Abkühlung auf Raumtemperatur weist das Bauteil eine Dichte von 1,75 g/cm³ auf, wobei in der Matrix 20 % unreagiertes, freies metallisches Silicium vorliegt.

Das entstandene Ceramic Matrix Composite (CMC)-Bauteil (10) mit Ausnehmun gen (16) und Bohrungen (17) wird jetzt an der für die Spiegelfläche vorge sehenen Stirnseite mittels einer Schleifmaschine geschliffen. Auf die ge schliffene Oberfläche wird ein Silicium-Formteil (11) mit einem Durchmesser von 123 mm und einer Wandstärke von 1,0 mm ohne Verwendung von Klebern oder Harzbindemitteln aufgelegt und in einen Schutzgasofen eingebaut. In Argon- Atmosphäre wird das Bauteil mit einer Aufheizgeschwindigkeit von 30 K/min auf eine Temperatur von 1405°C aufgeheizt. Nach einer Haltezeit von 20 Mi nuten werden die Strukturen auf Raumtemperatur abgekühlt.

Um die Applizierung bzw. Fügung der Silicium-Teile zu prüfen, wurde ein Bauteil zersägt und ein Anschliff angefertigt. Die riß-, poren- und fugen freie Aufsinterung des Siliciums zeigen die in Fig. 1 bis 4 dargestellten Mikroskop-Aufnahmen. Die Verzahnung beruht offensichtlich auf Diffusions- und Sintervorgängen zwischen dem Silicium aus dem CMC-Träger-Bauteil und dem Silicium-Formteil.

Nach der Bearbeitung wurden die Spiegelstrukturen auf ihre Thermoschock-Be ständigkeit hin untersucht. In hundert Versuchen sind die Strukturen zy klischen Temperaturwechseln im Bereich von 0 bis 700 K ausgesetzt worden. Gefügeanschliffe zeigten nach der Temperaturwechseluntersuchung keinerlei Rißbildungen im Gefüge und an der Grenzfläche zwischen Trägersubstrat und dem Silicium.

Aus dem Oberflächenbereich einer Spiegelstruktur wurde ein Stab mit den Ab messungen 50×4×4 mm herausgesägt und eine Dilatometer-Messung durchgeführt. Im Temperaturbereich von 0 bis 700 K zeigt der Spiegelwerkstoff einen Wär meausdehnungskoeffizienten von nur 2,0×10^-6K^-1.

Beispiel 3:

Es wird ein CFC-Vollkörper gemäß Beispiel 1 hergestellt. Nach der Carboni sierung, Graphitierung und Infiltration über die chemische Gasphasenab scheidung wird der CFC-Zylinder, wie in Fig. 6 angegeben, mechanisch bear beitet. Auf das hochporöse CFC-Bauteil wird ein Silicium-Wafer mit einer Wandstärke von 0,8 mm unter Verwendung von Polysilan-Precursoren der Firma Wacker aufgeklebt. Nach dem Trocknen und Härten des Harzbindemittels in Ar gonatmosphäre bei 180°C wird das Bauteil mit einer Aufheizgeschwindigkeit von 3 Kelvin pro Minute auf 1200°C weiter aufgeheizt und so die Polysilan- Precursoren pyrolisiert.

Danach wird die CFC-Struktur in einen Vakuumofen in einen Graphittiegel ge stellt, der mit pulverförmigem metallischen Silicium gefüllt ist. Mit einer Aufheizgeschwindigkeit von 20 K pro Minute wird das System auf 1400°C auf geheizt und nach einer 30-minütigen Haltezeit auf Raumtemperatur abgekühlt. Das aufgrund einer Dotierung schon bei ungefähr 1350°C schmelzende Silicium diffundiert in die poröse CFC-Matrix bis zur Trägersubstrat-Wafer-Grenzflä che und bewirkt eine sogenannte Reaktionsapplizierung der Silicium-Wafer auf den Composite. Ein Gefügeanschliff zeigt, daß sich das infiltrierte Si licium teilweise mit pyrolytischem Kohlenstoff zu Siliciumcarbid umgesetzt hat und der Gehalt an ungebundenem Silicium im Bauteil 21% beträgt. Der Si licium-Wafer ist ohne Poren, Risse oder Fugen und fest verzahnt auf das CMC-Composite gefügt. Diese optisch reflektierende Struktur mit einer Dich te von 1,7 g/cm³ wird mittels einer Läppmaschine kurzzeitig auf die gefor derte Rautiefe poliert.

Bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren ist besonders vorteilhaft, daß in situ sowohl die CMC-Herstellung als auch die Reaktionsapplizierung bzw. Fü gung der Silicium-Wafer auf den CFC-Rohlingen erfolgt und so hochglänzende Spiegelstrukturen ausgebildet werden.

Beispiel 4:

Es wird ein handelsübliches Wabenmaterial auf Hartpapier-Basis mit einem Raumgewicht von 0,2 g/cm³ und einer Wabenschlüsselweite von 6 mm mit einem Phenolharz-Bindemittel imprägniert und bei 70°C getrocknet.

Auf den Wabenkörper mit einem Durchmesser von 400 mm und einer Wandstärke von 10 mm sind nun in einer beheizbaren Presse bei 200°C stirnseits jeweils drei Lagen Kohlefasergewebe-Prepregs aufgepreßt bzw. laminiert.

Die entstandene CFK-Struktur wird unter Ausschluß von Sauerstoff mit einer Aufheizgeschwindigkeit von 2 Kelvin pro Minute auf 1000°C aufgeheizt und carbonisiert. Nach einer Haltezeit von 6 Stunden wird auf Raumtemperatur abgekühlt und man erhält eine Wabenstruktur auf Kohlenstoffbasis, die - ab gesehen von einer linearen Schrumpfung von etwa 17% - dem ursprünglichen CFK-Bauteil entspricht. Zur weiteren Verfestigung wird die noch poröse Wa benstruktur über die chemische Gasphasenabscheidung, wie in den Beispielen 2 und 3 beschrieben, mit pyrolytischem Kohlenstoff infiltriert. Das so ge wonnene Bauteil mit einem Raumgewicht von 0,22 g/cm³ zeigt 4-Punkt-Biege bruchfestigkeiten von größer 150 N/mm².

Eine der mit Kohlefasergewebe laminierten Stirnseiten wird oberflächlich geschliffen und mit zwei Silicium-Wafern beklebt. Als Harzbindemittel wird ein Phenolharz-Siliciumpulver-Gemisch mit einem Gewichtsverhältnis von 2:1 verwendet.

Im Anschluß daran erfolgt eine Siliciuminfiltration gemäß Beispiel 3, wobei die Wafer auf die Wabenstruktur appliziert werden. Die nach der Abkühlung erhaltene Spiegelstruktur auf Wabenbasis mit einem realen Raumgewicht von 0,42 g/cm³ ist in Fig. 7 dargestellt.

Der entstandene extrem leichte Konstruktionswerkstoff zeichnet sich neben seiner hohen Steifigkeit und Druckfestigkeit durch eine geringe Wärmeleit fähigkeit aus. Als besonders vorteilhaft erweist sich auch, daß die inneren flexiblen Wabenstrukturen wegen ihrer Dünnwandigkeit bei Thermoschock-Bean spruchung entsprechende Wärmeausdehnungen kompensieren und so zu erwartende thermisch induzierte Risse auf ein Minimum reduziert werden.

In Fig. 5 ist gezeigt, wie man einen großflächigen Spiegel aus Teilstücken zusammensetzen kann. Besonders vorteilhaft ist hier der Umstand, daß mit tels Grundbausteinen bestehend aus Silicium-Wafern (11) und größenmäßig angepaßten Trägerstrukturen (10) jede beliebige Spiegelgröße zusammenge setzt werden kann. Die Trägerstrukturen (10) werden hierbei über Stege (14) (vorzugsweise aus CFC-Material) zusammengehalten. Wenn die Spalten zwischen den einzelnen Bausteinen nicht stören, so kann der Aufbau aus fertigen Ein zel-Reflektoren erfolgen. Selbstverständlich ist es auch möglich, die "Roh linge" miteinander zu verbinden und gemeinsam dem oben dargestellen Verfah ren zu unterziehen, so daß sich alle Teile fest miteinander verbinden.

Bei der in Fig. 5C gezeigten Ausführungsform sind keine Stege (14) mehr nö tig, da die Trägerstrukturen (10) jeweils Nut- und Federverbindungen (15) aufweisen.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Reflektoren, Spiegeln oder dergleichen Körper zur Reflexion elektromagnetischer Wellen, wobei auf mindestens einer Trägeroberfläche einer Trägerstruktur eine Außenschicht aufge bracht wird, deren Oberfläche die elektromagnetischen Wellen in eine definierte Richtung reflektiert, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Formkörper aus hochtemperaturbeständigem Material als Trägerstruktur herstellt, auf die mindestens eine Trägeroberfläche me tallisches Silicium zur Bildung der reflektierenden oder spiegelnden Schicht aufbringt und das metallische Silicium mittels Temperaturbe handlung mit dem Formkörper, insbesondere durch Aufschmelzen oder Auf sintern, verbindet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man den Formkörper so herstellt, daß mindestens seine Trägerober fläche porös ist.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man den Formkörper aus CFC-Verbundwerkstoff oder CMC-Werkstoff her stellt.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man das metallische Silicium mit der Trägeroberfläche in einer Schutzgasatmosphäre verbindet.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man das metallische Silicium mit der Trägeroberfläche in Vakuum verbindet.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man das metallische Silicium mit der Trägeroberfläche bei einer Temperatur oberhalb von 800°C verbindet.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man bei einer Temperatur zwischen 1300 und 1600°C, vorzugsweise bei einer Temperatur zwischen 1350 bis 1450°C arbeitet.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man das Silicium vor dem Verbinden mit dem Formkörper auf die Trä geroberfläche aufklebt.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Klebung mittels eines Klebers erfolgt, der Diffusions-, Sinter- oder Anschmelzvorgänge fördert.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Klebung mittels eines Harz-Bindemittels oder eines Klebers auf Kohlenstoff-, Silicium- oder Siliciumcarbid-Basis oder Precursoren auf Polysilan-oder Siliciumcarbonitrit-Basis oder Silikonen erfolgt.

11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man das Silicium in Form von Wafern aufbringt.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Herstellung größerer Flächen diese mit Wafern derartig be legt, daß die Trägeroberfläche im wesentlichen lückenfrei belegt ist.

13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man das metallische Silicium in mehreren Schichten aufbringt, wobei die Schichten aus metallischem Silicium vorzugsweise unterschiedlicher Dotierungen bzw. unterschiedlichen Verunreinigungsgrades bestehen.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß man das Silicium mit der höchsten Dotierung bzw. mit dem höchsten Verunreinigungsgrad als nächste Schicht zur Trägeroberfläche aufbringt.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß man insbesondere bei Zusammensetzung der Oberfläche aus mehreren Teil-Flächen als oberste Schicht eine ggf. weitere Schicht Silicium be sonders hoher Reinheit aufbringt.

16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man die Trägerstruktur, auf deren zu verspiegelnder Oberfläche hochreine Silicium-Formkörper aufgeklebt sind, mit dem der Reflektor fläche gegenüberliegenden Seite in ein Bad mit dotiertem und daher nie driger schmelzendem Silicium derart verbringt, daß das dotierte Silici um durch Kapillarkräfte in der Trägerstruktur bis zu den hochreinen Si licium-Formkörpern hochsteigt und sich mit diesen rückseitig verbindet.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß eine Trägerstruktur, die aus mehreren Teilelementen gesteckt oder gefügt ist, durch das aufsteigende Silicium zu einer Gesamtstruktur verfestigt wird.

18. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß man die Trägerstruktur aus Kohlenstoff-Material bzw. kohlenstoff haltigem und danach karbonisiertem bzw. grafitiertem Material her stellt.

19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man die Trägeroberfläche vor Aufbringen des metallischen Siliciums glättet, insbesondere schleift.

20. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man die Trägerstruktur aus mehreren, miteinander verbundenen Form körpern herstellt.

21. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man im Formkörper Ausnehmungen vorsieht.

22. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man in den Formkörper pyrolytischen Kohlenstoff, vorzugsweise durch chemische Gasphasenabscheidung, einbringt.

23. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß man den Formkörper derart herstellt, daß er einen unumgesetzten me tallischen Siliciumanteil von 5-50 Gew.-% aufweist.

24. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man die reflektierende Siliciumoberfläche karbidisiert und ggf. glättet bzw. poliert.

25. Verfahren nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, daß man die Karbidisierung in einer kohlenstoffhaltigen Atmosphäre, insbesondere in einer Kohlenwasserstoffe wie Propan oder Methan enthal tenden Atmosphäre, bei erhöhter Temperatur, vorzugsweise oberhalb von 700°C, ausführt.

26. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Silicium-Formkörper vor dem Applizierungsprozeß mit einer den Anschmelzvorgang fördernden Glasfritte auf der Trägerstruktur fixiert werden.

27. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung von reflektierenden Flächen auf Trägerstrukturen so wohl metallische Silicium-Formkörper als auch Silicium-Wafer als auch Siliciumpulver oder eine Kombination dieser Formen verwendet werden.

28. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man metallisches Siliciumpulver auf die zu verspiegelnden Oberflä chen der Trägerstrukturen aufbringt und im Vakuum oder unter Schutzgas atmosphäre oberhalb 1000°C durch Schmelzen des Pulvers eine geschlosse ne Siliciumschicht erzeugt.

29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß man nach Erstarren des geschmolzenen Siliciums die spiegelnden oder reflektierenden Oberflächen durch vorzugsweise schleifende und/oder po lierende Bearbeitung erzeugt.

30. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die metallischen Silicium-Formkörper oder die Silicium-Wafer oder das Siliciumpulver durch heißisostatisches Pressen (HIP) auf die Trä gerstrukturen gefügt werden und so reflektierende oder spiegelnde Ober flächen ausbilden.

31. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck zwischen 100 und 2000 bar, vorzugsweise bei 500 bis 1000 bar liegt und die Temperatur zwischen 500 und 1412°C, vorzugsweise bei 1100 bis 1350°C liegt.

32. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das verwendete metallische Silicium je nach Transmissionsgrad iso tropen oder polykristallinen Charakter aufweist.

33. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Silicium-Formkörper an ihrer Oberfläche zu Siliciumdioxid (SiO₂) oder Quarz oxidiert werden, indem sie in sauerstoffhaltiger At mosphäre, vorzugsweise Luft, Temperaturen oberhalb von 500°C ausgesetzt werden.

34. Reflektor mit einer Trägerstruktur (10) und einer Außenschicht (11) mit reflektierender Oberfläche (12), dadurch gekennzeichnet, daß die Außenschicht (11) aus metallischem Silicium besteht und mit der Trägerstruktur (10) fest verbunden ist (Fig. 5C).

35. Reflektor nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerstruktur (10) aus CFC- oder CMC-Material besteht.

36. Reflektor nach einem der Ansprüche 34 oder 35, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerstruktur (10) und/oder die Außenschicht (11) aus mehreren Stücken zusammengesetzt und die Stücke miteinander fest verbunden sind, vorzugsweise zur Bildung einstückiger Körper.

37. Reflektor nach einem der Ansprüche 34-36, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerstruktur (10) porös ist und/oder Ausnehmungen (13) auf weist.

38. Verwendung eines Reflektors nach einem der Ansprüche 34 bis 37 im Welt raum.

39. Verwendung eines Reflektors nach einem der Ansprüche 34 bis 37 in be wegten Reflexions- oder Spiegelsystemen.

40. Verwendung eines Reflektors nach einem der Ansprüche 34 bis 37 als Spiegel für Licht (IR-UV).

41. Verwendung eines Reflektors nach einem der Ansprüche 34 bis 37 als An tennen-Reflektor.

42. Verwendung eines Reflektors nach einem der Ansprüche 34 bis 37 als Re flektor zur Sonnenenergie-Gewinnung.

43. Verfahren gemäß den Ansprüchen 1-33, dadurch gekennzeichnet, daß die spiegelnde/reflektierende Oberfläche entweder durch die im Anschmelzprozeß nicht mitschmelzende Oberfläche der Wafer gebildet wird oder aus der erstarrten Schmelze des Si-Form körpers entsteht.