DE4329551A1 - Verfahren zur Herstellung von Leichtbaureflektoren mittels beschichteter Silicium-Formkörper - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von sehr formgenauen, hochsteifen und leichten Reflektoren, Antennen und Spiegeln, die auch unter Extrembedingungen wie Orbitaleinsatz verwendbar sind, nach Patentanmeldung P 4207009.0. Diese beschreibt ein Herstellverfahren sowie die Verwendung von derartigen Leichtbaureflektoren, deren Trägerstruktur aus Kohlenstoff- oder faserverstärkten Kohlenstoffen oder Ceramic Matrix Composites (CMC) besteht. Auf die zu verspiegelnde Fläche einer solchen Trägerstruktur wird Silicium in Form von Silicium-Wafern oder Siliciumpulver im Vakuum oder unter Schutzgas aufgeschmolzen oder aufgesintert.

Dieser Stand der Technik nach P 4207009.0 erfordert aufgrund der Größenbeschränkung der Siliciumwafer von derzeit maximal 420 mm bei der Fertigung von großen Spiegeln ein Zusammenfügen von mehreren Einzelsegmenten.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren, das das Aufbringen von einer oder mehrerer sowohl oberflächenglättender als auch optisch reflektierender Schichten beliebiger Art, Größe und Dicke auf die CMC-Träger­ strukturen ohne Geometrieeinschränkung ermöglicht.

Erfindungsgemaß werden die reflektierenden Schichten, bestehend aus Kohlenstoff oder Siliciumcarbid oder Silicium oder Siliciumdioxid oder Siliciumnitrid oder Gold oder Silber oder Nickel oder Kupfer oder aus Legierungen derselben, durch physikalische Gasphasenabschei­ dung (PVD = Physical Vapour Deposition), vorzugsweise im Temperaturbereich von 20°C bis 900°C, im Vakuum oder unter Schutzgasatmosphäre, auf die unbearbeitete oder geschliffene Reflektoroberfläche der Trägerstruktur aus faserverstärkten Keramiken (CMC = Ceramic Matrix Composites) aufgebracht.

Diese PVD-Beschichtungen entstehen im Gegensatz zu thermischen Spritzschichten, die durch Übertragen von Tröpfchen oder Partikeln auf die Substratoberfläche aufgebracht werden, durch das Abscheiden von Atomen oder Molekülen aus der Gasphase in einem Schichtdickenbereich, welcher von wenigen Angstroem bis zu einigen Millimetern reichen kann. Zu den gängigen PVD-Schichten zählen Vakuumaufdampfschichten; Sputterschichten und Ionenplattier­ schichten. Auf diese Weise können unterschiedliche Werkstoffe wie zum Beispiel Metalle, Metallegierungen, Gläser, Keramiken und Nichtmetalle sowie Kunststoffe auf Oberflächen abgeschieden werden.

Beim Vakuumaufdampfverfahren werden Metalle oder Verbindungen im Vakuum verdampft und auf Spiegelträger-Oberflächen, welche eine wesentlich niedrigere Temperatur als der Dampf haben, abgeschieden. Die Energie mit welcher die Atome oder Moleküle auf der Substratoberfläche auftreffen, ist gering und nicht ausreichend, um eine gute Haltung der Schicht zu erzielen. Daher wird die Oberfläche der zu beschichtenden Spiegelseite besonders vorbereitet. Dies kann beispielsweise in der Bedampfungsanlage geschehen durch Beschießen der Oberfläche mit Ionen inerter Gase in einem Glimmlichtplasma und/oder durch Erhitzen der Teile auf mehrere Hundert Grad, um Verunreinigungen und adsorbierte Filme (Feuchtigkeit) abzudampfen. Das Beschichtungsmaterial wird thermisch durch Widerstandsheizung oder Hochfrequenzheizung oder mittels Elektronenstrahl oder Laserstrahl verdampft. Im Vakuum­ verfahren beträgt die freie Weglänge der Atome/Moleküle einige Meter, so daß diese direkt d. h. ohne Zusammenstöße mit den Molekülen der Restgasatmosphäre, auf die Substratoberfläche gelangen können und zu dem Aufdampffilm kondensieren.

Reflektierende Schichten der erfindungsgemäßen Reflektoren können auch durch sogenannte Sputter-Verfahren (Aufstäuben) hergestellt werden. Hier wird eine Wolke von Partikeln in einem Glimmlichtplasma erzeugt. Zwischen der aus dem Beschichtungsmaterial bestehenden Kathode und der Anode werden durch Spannung von ca. 1-10 kV aus einem Edelgas (z. B. Ar) Edelgasionen (Ar +) erzeugt, mit welchem die Kathode beschossen wird. Kathodenmaterial stäubt atomar ab und schlägt sich auf dem in der Nähe der Kathode angebrachten Spiegelsubstrat nieder. Bauteil (Probenhalter) und Rezipient liegen an Masse. Das Anstäuben von Schichten kann in Abwandlung des Verfahrens auch in einer reaktiven Gasatmosphäre stattfinden, mit welcher die abgestäubten Metalle Verbindungen eingehen wie Carbide, Nitride, Oxide, welche sich dann als Schicht abscheiden.

Beim Ionenplattieren wird das Beschichtungsmaterial in ein Plasma, welches zwischen Ver­ dampfungsquelle und zu beschichtendem Spiegelbauteil aufrecht gehalten wird, eingedampft und aus diesem auf dem Substrat abgeschieden. In einer evakuierbaren Anlage wird Be­ schichtungsmaterial mittels thermischer Verdampfer, Induktionsheizung oder Elektronen­ strahlkanone verdampft. Zwischen dem als Kathode gepolten Substrat und der Anode (Ver­ dampfungsquelle) wird ein Plasma erzeugt. Durch Stoßionisation des Edelgases im Plasma erzeugte Anionen werden auf das Spiegelsubstrat geschossen. Fremdschichten werden dabei abgestäubt, die Oberfläche des Substrates gereinigt, angeätzt und aktiviert. Die in das Plasma aus der Verdampfungsquelle eingebrachten Teilchen des Beschichtungswerkstoffes werden zu etwa 1% durch Stoßionisation ionisiert und im elektrischen Feld zum Spiegelsubstrat hin beschleunigt, welches im Falle eines Nichtleiters mit einem als Kathode gepolten elektrisch leitenden Drahtnetz überzogen ist. Die beschleunigten ionisierten Teilchen verlieren durch Umladung ihre Ladung wieder, behalten aber auch in diesem Zustand ihre als Ion erhaltene Geschwindigkeit bei und treffen mit hoher Energie auf die Substratoberfläche auf. Wegen der simultanen Abläufe - Absputtern der Oberfläche und Aufbringen des Beschichtungsmaterials - liegt jeweils eine für den optimalen Schichtaufbau erforderliche saubere Oberfläche vor.

Das Eindringen der beschleunigten Teilchen in die Substratoberfläche führt quasi zu einer Art Diffusionsschicht, welche für die ausgezeichnete Haftfestigkeit der Ionenplattierschicht ursäch­ lich ist. Auch beim Ionenplattieren ist die Variante des reaktiven Ionenplattierens gegeben. In das Plasma eingebrachte Stoffe reagieren in diesem oder auf dem Substrat mit dem Partner unter Ausbildung neuer schichtbildender Stoffe.

Beim Vakuumbedampfen und beim Ionenplattieren werden die Spiegelbauteile Temperaturen bis über 800°C ausgesetzt, so daß vorteilhafterweise ein Einfluß auf den Substratwerkstoff (Verzahnungs- oder Haftvermittlerschicht) gegeben sein kann. Beim Aufstäuben (Sputtern) von Schichten werden die Spiegelsubstrate nur ca. 300-500°C heiß. Bei komplex geformten Reflektorbauteilen sollte als Beschichtungsverfahren wegen seiner guten Streufähigkeit das Aufstäuben gewählt werden. Zu ausgezeichneter Haltung der Schicht auf dem Spiegelsubstrat führen Aufstäuben und Ionenplattieren.

Erfindungsgemäß werden alternativ oberflächenverfeinernde und/oder reflektierende Schichten, bestehend aus Kohlenstoff oder Siliciumcarbid oder Silicium oder Siliciumdioxid oder Silicium­ nitrid oder Nickel oder aus Legierungen derselben, durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD = Chemical Vapour Deposition), vorzugsweise im Temperaturbereich von 600°C bis 2000°C, im Vakuum oder unter Schutzgasatmosphäre, auf die unbearbeitete Trägerstruktur oder die geschliffene Reflektoroberfläche der Trägerstruktur aus faserverstärkten Keramiken (CMC = Ceramic Matrix Composites) aufgebracht.

Unter chemischer Gasphasenabscheidung (CVD = Chemical Vapour Deposition) versteht man grundsätzlich, daß verschiedene Reaktions- und Trägergase in bestimmten stöchiometrischen Verhältnissen thermisch zersetzt werden und so zu sich abscheidenden festen Stoffen und gas­ förmigen Nebenprodukten reagieren. Als Feststoffprodukte können Metalle, metallische und nichtmetallische Verbindungen sowie organische Strukturen in der das Werkstück umgebenden Gasatmosphäre auf der Werkstoffoberfläche gebildet und dort abgeschieden werden. Als Sub­ stratwerkstoff können alle Metalle und Nichtmetalle verwendet werden, soweit sie die für die chemische Reaktion nötigen thermischen Belastungen ohne Schädigung ertragen können. Das CVD- Verfahren erlaubt u. a. die Herstellung von keramischen Schichten und Gefügen mit extrem hoher Reinheit, die einzigartige mechanische, chemische, thermische, elektrische und/oder optische Eigenschaften aufweisen.

Beim CVD-Prozeß (Oberflächenabscheidung) wird das heranströmende Gas bzw. die Gas­ mischung thermisch in der Gasphase und/ oder an dem heißen Bauteil zersetzt. Die nichtflüch­ tigen Bestandteile dieser Zersetzung, wie z. B. Kohlenstoff oder Silicium oder Siliciumcarbid bilden Keime, diese wachsen und bilden eine Schicht auf dem Spiegelbauteil. Die wichtigsten phys. Prozeßparameter für die Abscheidung im CVD-Reaktor sind die Temperatur, die Temperaturverteilung, der Partialdruck, die Gaszusammensetzung und -menge und die Gas­ geschwindigkeit sowie die damit verbundenen Strömungsverhältnisse am Bauteil und im Reaktor. Anlagen- und bauteil-spezifische Gesichtspunkte wie z. B. Ofenmaße und -aus­ führung, die Geometrie des Werkstücks und die Position im Ofen spielen ebenfalls eine Rolle, wobei nicht zuletzt der zu beschichtende Substratwerkstoff einen entscheidenden Einfluß auf die Prozeßführung ausübt.

Eine weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung sieht vor, daß die optisch reflektierende Schicht, bestehend aus Nickel oder Silber oder Gold oder Kupfer oder aus Legierungen derselben, durch Elektrolyse, vorzugsweise im Temperaturbereich zwischen 20°C bis 200°C, auf die ge­ schliffene Reflektorfläche oder auf die Trägerstruktur aus faserverstärkten Keramiken (CMC = Ceramic Matrix Composites) aufgebracht wird.

Auch thermische Spritzbeschichtungsverfahren wie das Flammspritzen oder das Plasmaspritzen kann zum Aufbringen von reflektierenden Schichten bestehend aus Silicium oder Siliciumcarbid oder Siliciumoxid oder Siliciumnitrid oder Nickel oder aus Legierungen derselben herange­ zogen werden. Die Reflektorschicht entsteht durch das Übertragen von Tröpfchen oder Partikeln der entsprechenden aufzubringenden Werkstoffe auf die Spiegelträgeroberfläche.

Die erfindungsgemäße Spiegelträgerstruktur besteht immer aus einer faserverstärkten Keramik (CMC = Ceramic Matrix Composites) wie Kohlenstoff-faserverstärktem Kohlenstoff (C/C oder CFC) oder Kohlenstoff-faserverstärktem Siliciumcarbid (C/SiC) oder Siliciumcarbid­ faserverstärktem Siliciumcarbid (SiC/SiC) oder aus einer Mischung dieser Composites. Besonders wertvolle Eigenschaften von diesen faserverstärkten Keramiken sind das geringe Raumgewicht, hohe Festigkeit und Steifigkeit bis hin zu hohen Temperaturen, Verschleiß- und Thermoschockbeständigkeit und nicht zuletzt das pseudoplastische Bruchverhalten. Definitionsgemäß sind keramische Faserverbundwerkstoffe Materialien, die aus mindestens zwei durch Phasengrenzen getrennten Gefügebestandteilen bestehen. Die beiden Phasen bzw. die jeweils vorteilhaften Eigenschaften werden gezielt eingebracht, so daß ein neuer, leistungsfähiger Werkstoff entsteht. Die entwickelten CMC-Spiegelträgerwerkstoffe besitzen den entscheidenden Vorteil, daß man durch den Aufbau der Faserverstärkung, die Art und Menge der eingebrachten Fasern, die Art und chemische Zusammensetzung der Matrixwerkstoffe sowie die angewendete Herstellungstechnologie einen auf das jeweilige Anwendungsprofil abgestimmten und maßgeschneiderten Spiegelwerkstoff anbieten kann.

Beispielsweise können Reflektormaterialien aus diesen faserverstärkten Keramiken (CMC) eine Faserverstärkung aus sogenannten Kurzfasern ohne Vorzugsorientierung (Isotropie) besitzen, wobei vorzugsweise Kohlenstoffasern oder Siliciumcarbidfasern bis ca. 100 mm Länge ver­ wendet werden.

Für bestimmte Anwendungen können die Reflektormaterialien aus faserverstärkten Keramiken (CMC) vorteilhaft auch mit gerichteten Langfasern und einer Vorzugsorientierung (Anisotropie) faserverstärkt werden (kontinuierliche Faserverstärkung). Dabei kommen vorzugsweise Kohlenstoffasern oder Siliciumcarbidfasern mit Längen von < 100 mm zum Einsatz.

Der kohlenstoffaserverstärkte Kohlenstoff, im englischen Sprachgebrauch auch als C/C (carbon/carbon) oder CFRC (C-fibre reinforced carbon) bekannt, gehört zu der Gruppe der sogenannten keramischen Faserverbundwerkstoffe. Übliche Bezeichnungen im deutschen Sprachgebrauch sind CFC (C- faserverstärkte C- Körper) im Unterschied zu CFK (C- faser­ verstärkter Kunststoff). Diese hochfeste Faserverbundkeramik verknüpft die Eigenschaften konventioneller polygranularer Feinkorngraphite mit den Vorteilen der hochfesten sowie hochsteifen Kohlenstoffaser, wobei hier bei chemischer Betrachtungsweise die Ver­ stärkungsfaser als auch die Matrix, also der gesamte Verbundkörper, aus reinem Kohlenstoff besteht. Mikroskopisch gesehen sind im C/C die einzelnen Fasermonofilamente mit einem Durchmesser von 5-15 µm durch eine Matrix aus elementarem Kohlenstoff miteinander verbunden, welche sie räumlich fixiert und gleichzeitig die auf den Verbundkörper einwirkenden Spannungen auf die festere Faserkomponente überträgt. Durch dieses Einbetten der zwar spröden, aber extrem festen Kohlenstoffaser in die ebenfalls spröde, weniger feste Kohlenstoffmatrix lassen sich C/C- Verbundkörper mit (gegenüber unverstärktem Kohlenstoff bzw. Graphit) beträchtlich höheren Festigkeitswerten bei gleichzeitig niedrigerer Dichte her­ stellen. Darüber hinaus zeigt C/C eine hohe Rißzähigkeit, die durch Auslösen eines Vielfach­ bruchs über die Ausbildung zahlreicher Mikrorisse in der Matrix und in der Faser sowie durch Gleitvorgänge entlang der Faser-/ Matrixgrenzfläche erreicht wird.

Insgesamt unterscheidet sich C/C von den bekannten Kohlenstoff- Werkstoffen durch eine Reihe verbesserter mechanischer und physikalischer Eigenschaften und kann bis 2200°C unter Inertatmosphäre eingesetzt werden. Diese Eigenschaften sind aufgrund zahlreicher Variations­ möglichkeiten im Herstellungsprozeß in weiten Bereichen variierbar, und zwar durch die Wahl des

• - Kohlenstoffasertyps und der Faservorbehandlung,
• - der Faserorientierung bzw. Anordnung,
• - den Fasergehalt,
• - das Formgebungsverfahren (Preß-, Laminier- bzw. Wickelverfahren),
• - die Anzahl der Nachverdichtungszyklen sowie
• - Glüh- und Graphitierungstemperaturen

lassen sich das C/C- Gefüge, insbesondere die Struktur, die Matrix und die Porosität, gezielt beeinflussen und auf die jeweiligen anwendungstechnischen Anforderungen einstellen.

Bei den Kohlenstoffasertypen für die C/C- Herstellung unterscheidet man grundsätzlich die High-Tenacity (HT)- Fasern mit hoher Festigkeit und niedrigerem E- Modul, die High-Modulus (HM) Fasern mit einem hohen E-Modul und einer niedrigeren Festigkeit und seit neuestem die UHM- Typen (Ultrahigh Modulus/ Strength = hohe Steifigkeit, mittlere Festigkeit).

Für die C/C- Verbundwerkstoffe gibt es grundsätzlich verschiedene Wege der industriellen Fertigung, die sich aus Herstellungstechnologien der Faserverbundwerkstoffe und verschie­ dener Pyrolysetechniken zur Bildung einer Kohlenstoffmatrix aufbauen.

Technisch wendet man hierzu die Gasphasenpyrolyse von Kohlenwasserstoffen (CVI- Ver­ fahren) oder den thermischen Abbau von vernetzten Polymeren an (Formgebungs- und Impräg­ nierungstechnik mittels flüssiger Kohlenstoffverbindungen, kurz Precursorimprägnierverfahren genannt).

Da elementarer Kohlenstoff weder löslich noch schmelzbar ist und erst bei Temperaturen ober­ halb 3800°C sublimiert, muß die Kohlenstoffmatrix durch den Abbau (Verkokung/ Carboni­ sierung) von geeigneten Kohlenstoffverbindungen (in Anlehnung an den englischen Sprachge­ brauch Matrixprecursor genannt) gebildet werden. Unter dem Begriff Precursor werden nicht nur die primär flüssigen Binde- und Imprägniermittel, sondern auch deren sämtliche Abbau­ stufen verstanden. Dies können z. B. die thermisch gehärteten Polymerzwischenstufen und die Bulk- Mesophase bei Verwendung von Pech als Binde- und Imprägniermittel sein, oder der Halbkoks, welcher bei Pyrolysetemperaturen zwischen 550 und 600°C entsteht. Von reiner C- Matrix wird erst nach einer Glühbehandlung ab 1000°C gesprochen.

Kohlenstoffaserverstärktes Siliciumcarbid (C/SiC) gehört ebenfalls zu der Gruppe der faserverstärkten Keramiken und kann erfindungsgemäß als Spiegelträgerwerkstoff eingesetzt werden.

Wie bereits bei den C/C-Composites angedeutet gibt es auch hier nicht nur einen C/SiC- Werkstoff, sondern, abhängig von den Ausgangsmaterialien, dem Fertigungsverfahren und auch der Bauteilgeometrie, eine Palette unterschiedlicher C/SiC- Qualitäten. Um die Bauteil­ steifigkeit, Verschleißbeständigkeit und die Oxidationsbeständigkeit bei bestimmten Reflektoranwendungen weiter zu erhöhen und damit einen Hochtemperatureinsatz an Luft zu ermöglichen, sieht das erfindungsgemäße Verfahren auch vor, anstelle der Kohlenstoffmatrix nichtoxidische Keramiken wie z. B. Siliciumcarbid zu verwenden. Üblicherweise wird SiC als Matrixwerkstoff verwendet, da es eine hohe Oxidations- und Thermoschockbeständigkeit sowie einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist und sich außerdem mit den Kohlenstoffasern relativ gut verträgt.

Basierend auf den Erfahrungen aus der C/C- Compositefertigung und durch die teilweise Nut­ zung von bereits vorhandenen Herstellungstechnologien wie z. B. der Precursorimprägnierung und der CVI- Technik erfolgt die Fertigung von C/ SiC- Werkstoffen prinzipiell durch die Infil­ tration von porösen C- Skelettkörpern (mit Kurz- oder Langfaserverstärkung) mit Silicium­ carbid. Die gängigen Verfahren zur Bildung der SiC- Matrix in C/SiC- Spiegelcomposites sind:

• - die chemische Gasphaseninfiltration [CVI],
• - die Precursorimprägnierung/Pyrolyse von Si- Polymeren und
• - das Flüssig- (Kapillar-) oder Dampfsilizierverfahren.

Siliciumcarbidfaserverstärktes Siliciumcarbid (SiC/SiC) gehört ebenfalls zu der Werkstoff­ gruppe der faserverstärkten Keramiken (CMC) und kann erfindungsgemäß ebenfalls als Spiegelträgerwerkstoff eingesetzt werden.

Bei den SiC/SiC- Composites kommen im wesentlichen die zuvor beschriebenen Technologien und Herstellungsverfahren für C/C- und C/SiC-Werkstoffe zum Tragen, wobei statt C-Fasern keramische Fasern auf SiC-Basis als Faserverstärkung eingesetzt werden.

Keramische Fasern auf SiC- Basis (z. B. Nicalon, Tyranno) zeigen eine deutlich höhere Oxida­ tionsbeständigkeit. Ausgangsprodukt dieser Fasern sind Polycarbosilane (PCS), die nach dem Verspinnen durch thermischen Abbau in β-SiC-Fasern überführt werden.

Der Werkstoff SiC/SiC weist eine geringere Zugfestigkeit (im Vergleich zu C/C und C/SiC) sowie einen höheren E-Modul auf und bietet den Vorteil der besseren Oxidationsbeständigkeit.

Eine weitere erfindungsgemaße Verfahrensausgestaltung sieht vor, daß die CMC-Spiegel­ trägerstrukturen vor dem Beschichten mit einer Reflektorschicht mit metallischem Silicium infiltriert werden und so die Bauteilsteifigkeit, die Oberflächengüte und die Porosität gezielt beeinflußt werden kann. Nach der Infiltration mit Silicium werden die Spiegelträger auf der Reflektorseite geschliffen.

Erfindungsgemäß erfolgt das Infiltrieren von flüssigem Silicium in die porösen C/C- oder C/SiC- Skelettkörper bei Temperaturen oberhalb des Schmelzpunktes (1405°C) von Silicium. Dazu wird der Faserrohling beispielsweise in einer Hochtemperaturvakuumkammer mit seinem unteren Ende in flüssiges Silicium getaucht. Durch die dem porösen Spiegelbauteil innewohnenden Kapillarkräfte wird dann das geschmolzene Silicium durch die Kapillaren und Poren nach oben gesaugt, ähnlich wie bei einem Docht. Bei weiterem Aufheizen bis max. 2000 °C kommt es zu einer chemischen Reaktion zwischen dem Kohlenstoff aus der Matrix und zumindest teilweise der Faser mit dem infiltrierten Silicium zu Siliciumcarbid. Es entsteht eine interne SiC- Versiegelung und damit auch ein Oxidationsschutz des C/C- Verbundes. Die Restporen sind im allgemeinen mit unreagiertem metallischem Silicium gefüllt. Diese sogenannte Direktsilizierung ist grundsätzlich in drei Verfahrensschritte aufgeteilt:

• 1. Formgebung über bekannte CFK- Technologien (Wickeln, Laminieren, Pressen, Aufschlämmen)
• 2. Pyrolyse der Matrix bei 800-1200°C unter Vakuum oder Schutzgas
• 3. Infiltration des C/C- Verbundes mit geschmolzenem Silicium und anschließender SiC- Konvertierung bei 1400 bis ca. 2000°C im Vakuum (Kapillarsilizierung).

Der beschriebene Prozeß führt zu einem verbesserten Oxidationsverhalten des CMC- Werkstoffs und darüberhinaus vorteilhafterweise gleichzeitig zu einer gewünschten hohen Spiegel-Bauteilsteifigkeit. Die gezielt gesteuerte Versteifung bzw. Versprödung des Werkstoffs ist mit einer Verminderung der Quasiduktilität verbunden. Diese Steifigkeitserhöhung ist auf die starke Faser-/Matrixanbindung im Werkstoff und die gewollte oberflächliche Reaktion der Kohlenstoffasern zu Siliciumcarbid während der Silizierung zurückzuführen.

Falls eine bessere Quasiduktilität (hohe Schadenstoleranz) bzw. eine geringere Spiegelsteifigkeit gefordert wird, kann der angesprochene Faserangriff bzw. die starke Faser/Matrixanbindung erfindungsgemäß unterbunden werden. Eine entsprechende Verfahrensvariante sieht vor, daß man die Kohlenstoffasern bzw. Rovings im C/C- Ausgangskörper noch vor der Silizierung über die chemische Gasphaseninfiltration mit Multilayern aus Pyrokohlenstoff beschichtet. Die anschließende Flüssigsilizierung führt dann nicht zu einer Versprödung des Werkstoffs, da das Silicium mit dem eingebrachten Pyrokohlenstoff auf den Faseroberflächen zu SiC abreagiert und das festigkeitssteigernde Fasergerüst nicht angegriffen wird. Auch die Faser-/Matrixhaftung ist gegenüber der Direktsilizierung geringer ausgeprägt. Eine Graphitierung der mit Pyrokohlenstoff infiltrierten Rohlinge bei Temperaturen < 2000°C ermöglicht erfindungsgemäß zusätzlich noch eine Einflußnahme auf die Reaktivität des Matrixkohlenstoffs und damit auf die Faser-/ Matrix-Grenzflächeneigenschaften des siliciuminfiltrierten C/SiC- Werkstoffes. Dieser modifizierte Silizierungsprozeß ist in fünf Verfahrensschritte unterteilt:

• 1. Formgebung mittels bekannter CFK- Technologien (Wickeln, Laminieren, Pressen)
• 2. Pyrolyse der Matrix bei 800 bis 1200°C unter Vakuum oder Schutzgas
• 3. Chemische Gasphaseninfiltration mit Pyrokohlenstoff
• 4. Graphitierung der C/C- Composites
• 5. Infiltration des C/C- Verbundes mit geschmolzenem Silicium und anschließender SiC- Konvertierung bei Temperaturen zwischen 1400 und 2000°C im Vakuum.

Er führt zu C/SiC- Werkstoffen, die abhängig vom eingestellten Fasergehalt unterschiedliche Anteile an C- Fasern und die sie umhüllende SiC- Matrix sowie freiem Silicium bestehen.

Erfindungsgemäß kann die Spiegelkomponente auch über die sogenannte Dampfsilizierung mit Silicium infiltriert werden. Dabei werden die porösen Reflektorbauteile bei Temperaturen zwischen 1600 und 2300°C einer siliciumhaltigen Atmosphäre (Siliciumdampf) ausgesetzt und so infiltriert.

Erste Untersuchungen zeigen, daß das Flüssig- oder Dampfsilizierungsverfahren ein großes Potential für eine wirtschaftliche Fertigung großflächiger, auch dreidimensionaler Spiegel­ strukturen aufweist. Das maximale Bauteilvolumen ist im wesentlichen nur durch die zur Verfügung stehende Ofengröße begrenzt.

Claims (11)

1. Verfahren zur Herstellung von hochtemperaturbeständi­ gen und sehr leichten Reflektoren, Spiegeln, Antennen oder dergleichen Körper zur Reflexion elektromagneti­ scher Wellen nach Patentanmeldung P 42 07 009.0, gekennzeichnet dadurch, daß eine oberflächenglättende, reflektierende Schicht, bestehend aus Silicium oder Si­ liciumcarbid oder Kohlenstoff oder Siliciumoxid oder Siliciumnitrid oder aus Gold oder Silber oder Nickel oder Kupfer oder aus Legierungen derselben, durch phy­ sikalische Gasphasenabscheidung (PVD), vorzugsweise im Temperaturbereich von 20°C bis 900°C, auf die geschlif­ fene Reflektoroberfläche der Trägerstruktur aus faser­ verstärkten Keramiken (Ceramic Matrix Composites, CMC) aufgebracht wird.

2. Verfahren zur Herstellung von Reflektoren gemäß An­ spruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die reflektie­ rende Schicht durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) vorzugsweise im Temperaturbereich von 600°C bis 2000°C und im Vakuum oder unter Schutzgasatmos­ phäre, auf die geschliffene Reflektoroberfläche der Trägerstruktur aus faserverstärkten Keramiken (Ceramic Matrix Composites, CMC) aufgebracht wird.

3. Verfahren gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die reflektierende Schicht durch Elektrolyse, vor­ zugsweise von Raumtemperatur bis ca. 200°C auf die ge­ schliffene Reflektoroberfläche oder Trägerstruktur aus faserverstärkten Keramiken (Ceramic Matrix Composites, CMC) aufgebracht wird.

4. Verfahren gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Reflektorschicht durch thermisches Flammspritzen auf die Trägerstruktur aufgebracht wird, wobei als ober­ flächenbildende Materialien Silicium oder Siliciumcarbid oder Siliciumoxid oder Siliciumnitrid oder Nickel oder Kupfer oder Legierungen derselben eingesetzt werden.

5. Verfahren gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Reflektorschicht durch Plasmaspritzen auf die Trägerstruktur aufgebracht wird, wobei als oberflächen­ bildende Materialien Silicium oder Siliciumcarbid oder Siliciumoxid oder Siliciumnitrid oder Nickel oder Kupfer oder Legierungen derselben eingesetzt werden.

6. Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 bis 5, gekennzeichnet dadurch, daß die CMC-Trägerstrukturen vor dem Beschich­ ten mit metallischem Silicium infiltriert werden.

7. Verfahren gemäß Anspruch 6, gekennzeichnet dadurch, daß nach der Infiltration mit metallischem Silicium die Reflektoroberfläche geschliffen wird.

8. Reflektor mit einer Trägerstruktur (1) und einer Reflek­ toroberfläche (2) auf einer seiner Außenflächen sowie mit einer reflektierenden Beschichtung (3), gekennzeich­ net dadurch, daß die Trägerstruktur (1) aus faserver­ stärkten Keramiken (Ceramic Matrix Composites, CMC) wie Kohlenstoff-faserverstärktem Kohlenstoff (C/C) oder Kohlenstoff-faserverstärktem Siliciumcarbid (C/SiC) oder Siliciumcarbid-faserverstärktem Siliciumcarbid (SiC/SiC) oder aus einer Mischung dieser Materialien besteht (Fig. 1).

9. Reflektor nach Anspruch 8, gekennzeichnet dadurch, daß das CMC-Material zur Faserverstärkung Kurzfasern ohne Vorzugsrichtung (Isotropie), vorzugsweise Kohlenstoffasern oder Siliciumcarbidfasern bis ca. 100 mm Länge, verwendet werden.

10. Reflektor nach Anspruch 8, gekennzeichnet dadurch, daß das CMC-Material zur Faserverstärkung Langfasern mit Vorzugsorientierung (Anisotropie), vorzugsweise Kohlen­ stoffasern oder Siliciumcarbidfasern mit Längen von 100 mm Länge, verwendet werden.

11. Anwendung eines Reflektors oder mehrerer Reflektoren nach einem der Ansprüche 1-10 zur Übertragung von Energie in Form elektromagnetischer Wellen im terrestri­ schen und/oder im orbitalen Einsatz.