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Dokumentenidentifikation DE69411228T2 17.12.1998
EP-Veröffentlichungsnummer 0624807
Titel Herstellungsverfahren für einen Spiegel mit einem Träger aus Metalmatrix-Verbundmaterial, und so hergestellter Spiegel
Anmelder Aérospatiale Société Nationale Industrielle, Paris, FR
Erfinder Abiven, Henri, F-78250 Oinville, FR
Vertreter Hagemann, Braun & Held, 81675 München
DE-Aktenzeichen 69411228
Vertragsstaaten DE, GB, IT
Sprache des Dokument Fr
EP-Anmeldetag 29.04.1994
EP-Aktenzeichen 944009356
EP-Offenlegungsdatum 17.11.1994
EP date of grant 24.06.1998
Veröffentlichungstag im Patentblatt 17.12.1998
IPC-Hauptklasse G02B 5/08

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft die Herstellung eines Reflektors, der eine reflektierende Metalloberfläche, die geeignet ist, sichtbare (man spricht dann häufig von optischen Spiegeln) oder nicht sichtbare (infrarote, etc. ...) Strahlung zu reflektieren, und einen Träger aus Metallmatrix-Verbundmaterial, entlang dem sich diese Oberfläche erstreckt, aufweist.

Die Verwendung von Verbundmaterialien als Metallmatrix für Strukturen mit stabilen Abmessungen, wie z.B. optische Träger, ist bekannt. Diese Materialien weisen tatsächlich insbesondere die folgenden Vorteile auf:

- Da diese Materialien dicht sind, gibt es weder Absorption noch Desorption von Feuchtigkeit, was für Anwen dungen, insbesondere im Raumfahrtbereich, bei denen die Desorption parasitäre Deformationen (oder sogar eine Verschmutzung der Sensoren) induzieren könnte, günstig ist.

- Da diese Materialien thermisch leitend sind, insbesondere in der Richtung ihrer Dicke, wird das thermische Gleichgewicht der Struktur weitgehend vereinfacht.

Diese beiden Eigenschaften, die an der Tatsache teilhaben, daß die mechanischen Leistungen (spezifische Steifigkeit und spezifischer Widerstand) und die Wärmeausdehnungskoeffizienten interessant bleiben, bewirken, daß die Metallmatrix-Verbundmaterialien (insbesondere jene aus leichten Legierungen wie Aluminium und seine Legierungen, Magnesium und seine Legierungen oder jene aus Kupfer und Legierungen von Kupfer, die aufgrund ihrer thermischen Leitfähigkeit und ihrer Temperaturbeständigkeit interessant sind) und die intermetallischen Matrix-Verbundmaterialien (insbesondere Titanalitierung, Nickelalitierung, die aus Gründen ihrer Beständigkeit bei hohen Temperaturen interessant sind) Materialien sind, die ganz besonders darauf ausgerichtet sind, in allen Strukturen verwendet zu werden, welche eine große Stabilität bezüglich der Abmessungen benötigen, wie z.B. Weltraum- oder Nichtweltraumteleskope.

Herkömmlicherweise wird die reflektierende Oberfläche, sei sie metallisch oder nicht, auf ihrem Träger nach der Herstellung des Trägers, beispielsweise durch Kleben oder durch Galvanisieren, befestigt.

Man kann in diesem Zusammenhang den Artikel von SULTANA und FORMAN du MIT, Lincoln Lab., Lexington, MA, USA, zitieren, der mit "Dimensional stability concerns in the manufacture of graphite/epoxy beam steering mirrors tituliert ist und in Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering erschienen ist, welche Konferenz in San Diego, CA, USA am 12. und 13. Juli 1990 gehalten wurde, in welchem Artikel ein Spiegel für einen Laserresonator in einem Weltraumradar vorgeschlagen wird, welcher eine Graphit-/Epoxidmatrix aufweist, auf die bei Umgebungstemperatur eine Aluminiumbeschichtung mit einem Epoxidkleber aufgeklebt ist.

Darüber hinaus kann man den Artikel von WENDT und MISRA der MARTIN-MARIETTA ASTRONAUTICS GROUP, DENVER, CO, USA, zitieren, der mit "Fabrication of near-net shape graphitemagnesium composite for large mirrors" tituliert ist und in Advances in optical structure systems; Proceedings of the Meeting, Qrlando, FL, 16. bis 19. April 1990 (A91 - 36651 15- 74), Ballingham, WA, Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers, 1990, S. 554-561, erschienen ist, und der die Herstellung großer stabiler Spiegel für Weltraumbeobachtungsbasen und Lasersysteme betrifft, die einen Träger auf Kohlenstoff-/Magnesiumverbundmaterial aufweisen, auf dem eine 127 um starke Kupferschicht aufgebracht wird.

Das Auftragen der reflektierenden Oberfläche auf einen bereits gebildeten Träger hat insbesondere die Nachteile,

- die Grenzfläche zwischen Träger und reflektierender Oberfläche eine Diskontinuität in der Richtung der Dicke des Reflektors darstellt, die zumindest lokal, beispielsweise im Fall eines thermischen Kreislaufs, zu Schichtspaltungen führen kann oder die zu einer Verschlechterung des Stabilitätsverhaltens bezüglich der Abmessungen des Trägers führen kann (im Fall einer Klebung: Absorption-Desorption, im Fall mechanischer Verbindungen: Spiele, ...),

- die Geometrie der reflektierenden Oberfläche durch die Geometrie des Trägers festgelegt ist, sowie auch die Qualität vom Verfahren abhängig ist, das zum Auftragen dieser reflektierenden Oberfläche verwendet wird, was nahezu immer eine Weiterbearbeitung der Oberfläche impliziert, um das Erfordernis bezüglich der Form einzuhalten,

- die Masse und die Kosten des Reflektors höher sind.

Die Erfindung hat die Aufgabe, die vorstehend erwähnten Nachteile zu beseitigen.

Die der Erfindung zugrundeliegende Idee ist es, die Geometrie der nutzbaren Oberfläche (freien Oberfläche) der reflektierenden Oberfläche direkt zu bestimmen und soweit wie möglich eine Kontinuität in der Dicke des Reflektors zwischen der reflektierenden Oberfläche und ihrem Träger zu gewährleisten.

Die Erfindung schlägt zu diesem Zweck ein Verfahren zur Herstellung eines Reflektors vor, der aus einer reflektierenden Metallschicht gebildet ist, die sich auf einem Träger aus Metallmatrix-Verbundmaterial erstreckt, gemäß dem auf eine Formoberfläche, die eine zur für den Reflektor gewünschten geometrischen Form komplementäre geometrische Form aufweist, eine Metalischicht aufgebracht wird, die eine reflektierende Oberfläche einer Form aufweist, welche zumindest näherungsweise mit der gewünschten geometrischen Form identisch ist,

- auf dieser Metallschicht Fasern drapiert werden, die dazu bestimmt sind, den Verbundmaterialträger zu bilden, wobei diese Fasern durch Metallmaterial oder interme tallisches Material, das dazu bestimmt ist, die Metallmatrix zu bilden, metallisiert werden,

- diese Schicht und diese metallisierten Fasern Temperatur- und Druckbedingungen ausgesetzt werden, die geeignet sind, die reflektierende Oberfläche vollständig gegen die Formoberfläche zu plattieren und gleichzeitig ein Diffusionsverschweißen der Schicht mit den metallisierten Fasern und der metallisierten Fasern unter sich zu bewirken, so daß die Schicht im Verlauf der Verfestigung des Trägers in den Verbundmaterial-Träger integriert wird.

Gemäß bevorzugten Merkmalen der Erfindung, die eventuell kombinierbar sind:

- sind die Fasern aus Kohlenstoff oder aus Graphit,

- werden die Fasern symmetrisch zu beiden Seiten einer mittleren Symmetrieoberfläche aufgebracht,

- sind diese Fasern im Moment, in dem sie auf der Metallschicht drapiert werden, in bezug aufeinander ungebunden,

- werden diese Fasern auf eine gerade Anzahl von Vliesen aufgeteilt, die symmetrisch zu beiden Seiten einer mittleren Symmetrieoberfläche aufgebracht werden,

- werden die metallisierten Fasern durch physikalische Ablagerung einer Metallisierungsschicht in der Dampfphase auf die Fasern erzeugt, wodurch die metallisierten Fasern geschmeidig sind,

- können diese Fasern, statt ungebunden zu sein, im Inneren von Litzen zusammengefaßt sein,

- werden die Litzen aus Metallfasern durch Eintauchen in die geschmolzene Legierung oder durch Infiltration erhalten,

- können diese Fasern, gemäß einer anderen Variante, im Inneren von Platten zusammengefaßt sein, in denen diese Fasern eine, zwei oder drei Ausrichtungsrichtungen aufweisen,

- werden die Platten der metallisierten Fasern mit einer, zwei oder drei Ausrichtungsrichtungen durch Infiltration der geschmolzenen Legierung unter Druck erhalten,

- ist das Metallmaterial oder intermetallische Material der Metallisierung aus der Gruppe ausgewählt, die aus Aluminium und seinen Legierungen, aus Magnesium und seinen Legierungen, aus Kupfer und seinen Legierungen, aus Titan und seinen Legierungen und aus Alitierungen, insbesondere aus Titanalitierungen und Nickelalitierungen, besteht,

- wird die Metallschicht in Form eines oder mehrerer Blätter auf die Formoberfläche aufgebracht,

- wird die Metallschicht durch Erzeugung eines Metallrohlings mit einer Rohlingsoberfläche, die zumindest näherungsweise identisch mit der gewünschten geometrischen Form ist, erhalten, wobei dieser Rohling zumindest auf einem Teil seiner Dicke unter dieser Rohlingsoberfläche unter den Temperatur- und Druckbedingungen deformierbar ist,

- ist dieser Rohling unter den Temperatur- und Druckbedingungen in seiner ganzen Dicke deformierbar,

- weist dieser Metalirohling eine starre Basisschicht und eine Überzugsschicht auf, die aus einem unter den Temperatur- und Druckbedingungen deformierbaren Material gebildet ist, auf,

- wird diese Überzugsschicht durch Plasmaspritzen eines oder mehrerer Metallpulver auf diese starre Basisschicht realisiert,

- wird die Metallschicht durch Plasmaspritzen eines w oder mehrerer Metallpulver auf die Formoberfläche aufge bracht,

- weist die Metallschicht ein oder mehrere Metallmaterial(ien) auf, die aus der Gruppe, die aus Aluminium und seinen Legierungen, aus Magnesium und seinen Legierungen, aus Kupfer und seinen Legierungen, aus Nickel und seinen Legierungen, aus Titan und seinen Legierungen, aus Alitierungen, insbesondere Titanalitierungen und Nickelalitierungen, gebildet wird, ausgewählt werden,

- wird der Reflektor eine Polierung unterzogen,

- wird auf der reflektierenden Schicht ein komplementärer Überzug aufgebracht,

- ist dieser komplementäre Überzug vorzugsweise aus Gold und wird durch Auftragung unter Vakuum oder auf chemischem Weg erhalten,

- wird auf den Fasern, gegenüber der Metalischicht, eine Schicht zum Schutz gegen Oxidierung aufgebracht.

Man wird es schätzen, daß die Erfindung es ermöglicht, einen Reflektor aus Metallmatrix-Verbundmaterial zu erhalten, dessen reflektierende Schicht am Ende der Konsolidierung der metallisierten Fasern:

- die angegebene Form respektiert (ohne spätere Bearbeitung, jedoch mit einer möglichen einfachen Polierung),

- metallurgisch durch Diffusionsschweißen mit dem Rest der Struktur (ohne Klebung) verbunden ist, wodurch der Einsatz von Materialien mit thermischen Ausdehnungskoeffizienten und mit Young-Modulen, die von denen des Verbundwerkstoffes deutlich verschieden sind, ermöglichen.

Um die angegebene Form zu erhalten, besteht die vorgeschlagene Lösung darin, auf der Form, die zuvor bearbeitet und poliert wurde und die mit einem Abstreifmittel jeder bekannten, geeigneten Art überzogen wurde, eine deformierbare (formbare ...) Metallschicht, die auf den Rest der Struktur unter den Konsolidierungsbedingungen der metallisierten Fasern diffusionsschweißbar ist, aufzubringen. Diese deformierbare Metallschicht kann folgendes sein:

- ein Plasmaspritzüberzug aus Metallpulvern direkt auf der Gußform, wobei die Art des Metalls so ist, das es auf den Rest der Struktur diffusionsschweißbar ist,

- ein Metallrohling, der zuvor auf herkömmliche Art geformt wurde, mit Seiten, die der angegebenen Form angenähert sind, dessen Material plastisch oder superplastisch deformierbar ist und auf den Rest der Struktur unter den Konsolidierungsbedingungen der metallisierten Fasern diffusionsschweißbar ist,

- ein Plasmaspritzüberzug von Metallpulvern auf der äußeren Fläche (die dazu bestimmt ist, der Gußform gegenüber zu liegen) eines Metallrohlings, der zuvor auf herkömmliche Art geformt wurde, mit Seiten, die der angegebenen Form angenähert sind, dessen Material unter den Konsolidierungsbedingungen der metallisierten Fasern nicht plastisch deformierbar zu sein braucht, ... wobei die aufgespritzten Metallpulver im Verlauf der Konsolidierung an den Metallrohling diffusionsschweißbar sein müssen; gleichermaßen müssen der Metallrohling und die Metallmatrix auch durch Diffusion verschweißbar sein (im vorliegenden Fall wird die Einheit "Plasmaüberzug + vorgeformter Rohling" auf die Gußform gelegt, wobei der "Plasmaüberzug gegen die Gußform gelegt wird).

Die Erfindung betrifft auch einen Reflektor, der gemäß diesem Verfahren erhalten wird, d.h. einen Reflektor, der aus einer reflektierenden Metallschicht gebildet ist, die sich auf einem Verbundmaterialträger mit einer Metallmatrix oder einer intermetallischen Matrix erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallmatrizen oder intermetallischen Ma trizen des Trägers und der reflektierenden Schicht ineinander übergreifen.

Es ist anzumerken, daß die Druckschrift EP-A-0 558 991, die lediglich im Sinne des Artikels 54 (3) EPÜ Teil des Standes der Technik ist, einen Reflektor beschreibt, der nach Herstellung eines Trägers aus einem gegenüber hohen Temperaturen beständigen Material durch Aufbringen einer Siliciumschicht auf diesen Träger und Verfestigen durch Wärmezufuhr erhalten wird. Der Träger ist gemäß den Beispielen ein Verbundträger mit Kohlenstoff- und/oder keramischer Matrix, eventuell mit Silicium angereichert (Silicium ist ein Metalloid zwischen den Metallen und den Nichtmetallen).

Gemäß anderen bevorzugten Merkmalen der Erfindung, die eventuell kombinierbar sind:

- sind die Metalimaterialien oder intermetallischen Materialen des Trägers und der reflektierenden Schicht verschieden, und ihre Konzentrationen variieren kontinuierlich beim Übergang vom Träger zur reflektierenden Schicht und umgekehrt; in einer Variante können diese Metailmaterialien identisch sein,

- ist der Träger zu beiden Seiten einer mittleren Symmetrieoberfläche symmetrisch,

- weist der Träger eine Überlagerung von Vliesen aus Fasern mit von einem Vlies zum anderen verschiedenen Ausrichtungen auf,

- sind die Fasern aus Kohlenstoff,

- ist die Metallmatrix aus einem oder mehreren Materialien gebildet, die aus der Gruppe, welche aus Aluminium und seinen Legierungen, aus Magnesium und seinen Legierungen, aus Kupfer und seinen Legierungen, aus Titan und Alitierungen von Nickel gebildet wird, ausgewählt werden,

- wird die reflektierende Metallschicht aus einem oder mehreren Materialien gebildet, die aus der Gruppe, die aus Aluminium und seinen Legierungen, aus Magnesium und seinen Legierungen, aus Kupfer und seinen Legierungen, aus Nickel und seinen Legierungen, aus Titan und Alitierungen von Nickel gebildet wird, ausgewählt werden,

- erstreckt sich gegenüber der Metallschicht eine Schicht zum Schutz gegen Oxidierung entlang der Matrix.

Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung hervor, die als nicht beschränkendes Beispiel mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen gegeben wird, in denen

- Figur 1 eine schematische Ansicht einer lageweisen Anordnung von Schichten, die bei der Herstellung eines ersten Reflektors in konkaver Form erzeugt werden, im transversalen Schnitt ist,

- Figur 2 eine schematische Ansicht einer anderen lageweisen Anordnung von Schichten, die bei der Herstellung eines zweiten Reflektors von ebener Form erzeugt werden, im transversalen Schnitt ist,

- Figur 3 eine schematische Ansicht, die einem dritten Reflektor von ebener Form entspricht, im transversalen Schnitt ist und

- Figur 4 eine schematische Ansicht, die einem vierten Reflektor von ebener Form entspricht, im transversalen Schnitt ist.

Diese Figuren beschreiben jeweils die Herstellung eines Reflektors durch Diffusionsschweißen, wobei der Reflektor eine reflektierende Metalloberfläche aufweist, die sich auf einem Träger großer Abmessungen, jedoch geringer Dicke, aus einem Verbundwerkstoff mit einer Metallmatrix oder inter metallischen Matrix erstreckt. Es handelt sich vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise, um lange Fasern.

Wie dies dem Fachmann bekannt ist, verbindet sich nicht jedes beliebige Metall oder jede beliebige Legierung notwendigerweise durch Diffusionsschweißen mit einem beliebigen anderen Metall oder einer beliebigen anderen Legierung: Es kommt sogar vor, daß bestimmte Verbindungen unter bestimmten Temperatur- und Druckbedingungen heftige Reaktionen hervorrufen. Folglich sind die möglichen inkompatiblen Metallelemente durch ein oder mehrere Zwischenelement(e) aus Metall getrennt, von denen jedes zu den beiden ihm benachbarten Metallelementen kompatibel ist. Darüber hinaus wird der Vermeidung der Erzeugung möglicher Eutektiken große Aufmerksamkeit gewidmet.

Zur Herstellung des Reflektors wird eine Formgebungsform benötigt, und diese letztere ist so ausgewählt, daß sie die für die Außenseite der reflektierenden Oberfläche gewünschte Form aufweist. Die Metallelemente (Aluminium, Nikkel, Kupfer, ...), die die reflektierende Oberfläche bilden sollen, werden auf die Form, die zuvor mit einem Abstreifmittel überzogen wurde, aufgebracht. Auf den Metallelementen, die die reflektierende Oberfläche bilden sollen, werden anschließend metallisierte Fasern, vorzugsweise lange Fasern (mehrere Zentimeter oder sogar mehrere zehn Zentimeter lang), aufgebracht. Im Verlauf desselben Arbeitsschrittes des Diffusionsschweißens (unter einem Druck, bei einer Temperatur und während einer Zeit, die von den vorliegenden Metallen abhängen) werden die verschiedenen Metallelemente kompaktiert und verbinden sich durch Diffusion miteinander und mit dem Rest des Verbundwerkstoffes. Beim Lösen aus der Gußform zeigt die Einheit des Reflektors eine Oberflächenglattheit, die von derjenigen der Form abhängt. Wenn die Glattheit der erhaltenen reflektierenden Oberfläche nicht ausreichend ist, kann eine komplementäre Polierung durchgeführt werden, und es können herkömmliche Oberflächenüberzüge hergestellt werden (Cr, Au, ...). Diese herkömmlichen Überzüge weisen eine Dicke auf (typischerweise 300 Å), die sehr viel geringer ist als diejenige der reflektierenden Oberfläche. Die Metallelemente können auf die Oberfläche der Form durch jede bekannte geeignete Abscheidungstechnik aufgetragen werden, wie z.B. durch thermisches Plasmaspritzen. Im Fall ebener oder abgewickelter Oberflächen können die Metallelemente, die die reflektierende Oberfläche bilden sollen, in Form plastisch deformierbarer Metallblätter oder -bänder, die auf der zuvor mit einem Abstreifmittel überzogenen Form angeordnet wurden, aufgebracht werden. Wie zuvor verbinden sich das Blatt oder Band oder die Blätter oder Bänder durch Diffusionsschweißen mit den Bestandteilen des Verbundmaterials. Nach dem Lösen aus der Form kann die äußere Oberfläche, wenn die Glattheit der reflektierenden Oberfläche nicht ausreichend ist, poliert werden. In einer Variante können die Metallelemente durch Ablagerung auf eine Basisschicht aus Metall, die ebenfalls ganz oder teilweise aus den Metallelementen gemacht ist, auf einer Oberfläche dieser Basisschicht, welche zumindest näherungsweise die geometrische Form aufweist, die für die reflektierende Oberfläche gewünscht wird, aufgebracht werden. Diese Basisschicht wird dann auf der Oberfläche der Form angeordnet, wobei die beschichtete Oberfläche dieser Formoberfläche gegenüberliegt Die genaue Übereinstimmung der so erhaltenen reflektierenden Oberfläche mit der gewünschten Geometrie ist dann, wie im vorstehend erwähnte Fall der Blätter oder Bänder, ein Ergebnis der plastischen Deformation dieses Überzugs, oder sogar der Basisschicht, unter den Temperatur- und Druckbedingungen, die die Konsolidierung/- das Diffusionsschmelzen ermöglichen, so daß sich die Oberfläche der Form eingehend anpaßt.

Es ist wichtig anzumerken, daß erfindungsgemäß die reflektierende Oberfläche zur gleichen Zeit wie ihr Träger hergestellt wird, mit dem sie innig verbunden ist (es gibt ein Hinüberdiffundieren von Atomen und daher eine metallurgische Kontinuität in Richtung der Dicke des Reflektors).

Ein Beispiel einer Ausführungsart eines Spiegels gemäß der vorliegenden Erfindung wird nachstehend gegeben:

1. Polierung der Außenfläche der Form

2. Überzug der Form mit einem Abstreifmittel

3. Abscheiden der Metallelemente der reflektierende Oberfläche auf die überzogene Form (man wird sehen, daß es andere Arten als die Abscheidung zum Aufbringen der Metallelemente gibt)

4. Drapieren von metallisierten "präimprägnierten Teilen" auf der Form, die mit den Metallelementen überzogen ist, wobei die Drapierung vorzugsweise so ist, daß eine zentrale Symmetrieoberfläche des Verbundes existiert (diese Oberfläche kann, selbst wenn der gewünschte Reflektor konvex, konkav oder gemischt ist, zumindest lokal einer Ebene angenähert werden, um so mehr, als der Krümmungsradius des Reflektors in der Praxis häufig sehr viel größer als seine Dicke ist),

5. Durchführen -des Zyklus der Konsolidierung unter Wärme an der drapierten Form, die aus dem Arbeitsschritt 4 hervorgeht: Maximaltemperatur typischer weise zwischen 400ºC und 650ºC, Druck typischerweise zwischen 5 und 300 MPa, Dauer zwischen 15 Minuten und 3 Stunden für Matritzen leichter Legierungen, während für intermetallische Matritzen die Kenndaten vielmehr 900 bis 1200ºC unter einem Druck von 200 mPa während 30 Minuten bis 1 Stunde betragen (die tatsächlich zu wählenden Werte hängen von der betrachteten Matrix und den vorhandenen Metallelementen ab),

6. Lösen aus der Form und Reinigung der reflektierenden Oberfläche,

7. möglicherweise: komplementäres Polieren und komplementäres Beschichten.

Die metallisierten "praimpragnierten Teile", die vorstehend erwähnt wurden, können von verschiedener Art sein, wobei ihr Hauptmerkmal ist, daß sie durch Diffusionsschweißen hergestellt wurden:

- metallisierte Kohlenstoffasern, die bei spielsweise durch Metallisierung durch physikalische Ablagerung von Kohlenstoffilamenten in der Dampfphase erhalten werden,

- Litzen aus Kohlenstoffasern, die durch Eintauchen in die geschmolzene Legierung metallisiert werden,

- Platten aus Kohlenstoffasern, 1D - 2D oder 3D, die durch Infiltration der geschmolzenen Legierung metallisiert werden.

Was die Matritzen betrifft, so kann im Prinzip jedes Metall gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Es ist jedoch offensichtlich, daß, insbesondere im Hinblick auf ihre Dichte, das Aluminium und seine Legierungen sowie das Magnesium und seine Legierungen Matritzen darstellen, die für Luft- oder Raumfahrtanwendungen vorzuziehen sind. In gleicher Weise kann im Fall eines Bedarfs nach einem Standhalten bei Temperaturen von mehr als 400ºC eine Matrix aus Kupfer oder seinen Legierungen interessant sein, wobei außerdem dessen gute thermische Leitfähigkeit zu bedenken ist. Bei einem Bedarf nach Standhalten bei Temperaturen von 800 bis 1000ºC sind Matritzen aus Nickel- und/oder Titanalitierungen bevorzugt.

Was die Fasern betrifft, so sind sie vorzugsweise aus Kohlenstoff. Die interessantesten sind jene, die ein sehr großes Modul, einen sehr großen Bruchwiderstand sowie einen möglichst negativen Ausdehnungskoeffizienten zusammen mit einer guten thermischen Leitfähigkeit aufweisen. Die Fasern auf der Basis von Pech, wie beispielsweise die Fasern TONEN FT 700, sind besonders interessant. Die Merkmale des FT 700 lauten wie folgt:

- Dichte 2,16 g/cm³

- Zugwiderstand 3300 MPa

- Elastizitätsmodul 700 GPa

- Durchmesser φ 10 um

- Anzahl an Filamenten pro Faserbart 3000 (3 K)

- thermischer Ausdehnungskoeffizient aL -1,5 x 10&supmin;&sup6;K&supmin;¹

In einer Variante sind die Fasern aus Silicium- oder Aluminiumcarbid.

AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

a) Erstes Beispiel (5. Figur 1)

Auf einer konvexen Form aus poliertem Molybdän 1, die mit Bornitrit (Abstreifmittel 2) überzogen ist, wird durch Plasmaspritzen Aluminiumpulver des Typs A9 (d.h. zu 99,9% rein) abgelagert. Auf dieser Ablagerung, die mit 3 bezeichnet ist und eine Dicke von 120 um aufweist, drapiert man quasi isotrop (0º, +45º, +90º, -45º, -45º, +90º, +45º, 0º) Schichten 4 bis 7 und 7' bis 4' aus Kohlenstoffasern mit sehr großem Elastizitätsmodul (FT 700), die zuvor durch physikalische Ablagerung reinen Aluminiums (A5) in der Dampfphase metallisiert wurden (da das Verfahren der physikalischen Ablagerung in der Dampfphase gerichtet ist, wurden die Faserbärte des FT 700 zuvor durch, in der Praxis transversales, Einblasen von Luft aufgewühlt (nach Art des Haartrocknens)), so daß die Metallisierung jedes Filaments erleichtert wird. Ein Blatt 8 aus reinem Aluminium (A5) einer Dicke von 100 um wird anschließend aufgebracht. Die so gebildete Einheit wird bei Wärme (595ºC) und unter Druck (25 MPa), wobei diese maximalen Druck- und Temperaturbedingungen über 25 Minuten aufrechterhalten werden, und unter einem Vakuum von 10&supmin;² Torr konsolidiert. Der Verbund wird durch Diffusionsschweißen gebildet, während die Schicht 3 in ihn integriert wird, und nach dem Lösen aus der Form wird ein Spiegel 10 aus einem Verbundwerkstoff mit Aluminiummatrix erhalten, dessen Oberflächenüberzug aus Aluminium eine Glattheit aufweist, die von derjenigen der Molybdänform abhängt (wenn die Glätte nicht ausreichend ist, kann eine Polierung der Oberfläche ausgeführt werden).

In der Praxis ist die Anzahl an Faserschichten oder

-vliesen sehr viel größer als die 8 Schichten von Figur 1, da ihre einheitliche Dicke in der Größenordnung von 10 um liegt und die für den Träger gewünschten Schichten normalerweise in der Größenordnung einiger Millimeter liegen.

Der Zweck der Aluminiumschicht 8 einer Dicke, die ähnlich derjenigen der nutzbaren Schicht 3 ist, ist es, einen Schutz und die Symmetrie in bezug auf ihre Mittelebene zu gewährleisten, was den Vorteil bringt, die Deformationen bei der auf den Arbeitsschritt der Konsolidierung folgenden Abkühlung zu vermeiden.

Man wird hier feststellen, daß die quasi-isotrope Drapierung hier der Überlagerung von Faservliesen entspricht, deren Ausrichtung sich beim Übergang von einer Schicht zur nächsten um 450 ändert. Der Stapel dieser Vliese ermöglicht eine mit 5 bezeichnete mittlere Symmetrieoberfläche, beiderseits der die Orientierungen der Vliese symmetrisch angeordnet sind: Dies hat den Vorteil, die Deformationen bei der Abkühlung zu vermeiden.

Die folgenden Merkmale wurden auf einer quasi-isotropen Platte von 200 mm x 200 mm x 2,8 mm, dieses Mal eben, mit einem Faseranteil von 50% (d.h. der Anteil der Masse der nackten Fasern in bezug auf dieselben Fasern nach Metalli sierung) erreicht, die unter den gleichen Bedingungen hergestellt wurde:

- E (Young-Modul) 133 GPa

- thermischer Ausdehnungskoeffizient αL 2,65 (10&supmin;&sup6;ºC&supmin;¹)

- Koeffizient der transversalen thermischen Leitfähigkeit KT 152 (W.m&supmin;¹ºC&supmin;¹)

- Dichte 2,4 g/cm³

b) zweites Beispiel (s. Figur 2)

Auf einer Form aus unoxidierbarem, hitzebeständigem Stahl 11, die mit einem Abstreifmittel 12 aus Bornitrit überzogen ist, wird ein Blatt 13 aus superplastischem Aluminium 7475 einer Dicke von 120 mm angeordnet, wobei ihm näherungsweise die gewünschte Endform verliehen wird. Auf diesem Blatt werden die Schichten 14 bis 17 und 17' bis 14' aus metallisierten Fasern (AS) aus Kohlenstoff mit einem sehr hohen Elastizitätsmodul FT 700 quasi-isotrop drapiert. Auf dieser drapierten Untereinheit wird ein Blatt 18 aus Aluminium (AS) einer Dicke von 100 pm angeordnet. Die so gebildete Einheit wird unter Wärmeeinwirkung gemäß dem Zyklus, der für das erste Beispiel definiert wurde, konsolidiert. Nach Diffusionsschweißen der Einheit wird das Teil aus der Form gelöst, und die aktive Seite 13 aus superpiastischem Aluminium hat sich deformiert, um genau die Gestalt der Form anzunehmen, wobei auf diese Weise ein Spiegel 20 erhalten wird, der in seiner Gesamtheit eine zentrale Symmetrieebene 5 aufweist. Es kann eine Endpolierung durchgeführt werden, und es kann ein komplementärer Überzug aus 30 nm dickem Gold durch Ablagerung unter Vakuum oder auf chemischem Weg erhalten werden.

Die erhaltenen Merkmale sind ähnlich denjenigen des ersten Beispiels.

c) drittes Beispiel (s. Figur 3)

Auf einer ebenen Form aus poliertem Molybdän 21, die mit einem Abstreifmittel 22 aus Bornitrit überzogen ist, werden durch Plasmaspritzen Aluminiumpulver (A9) aufgebracht. Auf dieser Ablagerung 23 einer Dicke von 100 um wird ein Blatt 23A aus Titan (T 40) einer Dicke von 10 um angeordnet.

Auf diesem Blatt 23 A werden die Schichten 24 bis 27 und 27' bis 24' der Fasern aus Kohlenstoff mit sehr großem Modul FT 700, die durch eine Magnesiumlegierung (GA6Z1) durch physikalische Ablagerung in der Dampfphase metallisiert wurden, drapiert. Auf dieser drapierten Untereinheit wird ein Blatt 28 der gleichen Art wie die Schicht 23A, d.h. ein Blatt aus Titan T40 (Dicke 10 um), angeordnet. Die so erhaltene Einheit wird bei Wärme gemäß dem folgenden Zyklus konsolidiert:

- maximale Temperatur : 490ºC

- Druck : 25 MPa

- Vakuum : 10&supmin;² Torr

- aufrechterhalten über : 30 Minuten

Der Verbund wird durch Diffusionsschweißen gebildet, während die Schicht 23 und die Schicht 23A ineinander eindringen und jene letztere und der Verbund ineinander eindringen. Nach Lösen aus der Form erhält man einen Spiegel 30 aus einem Verbundwerkstoff mit Magnesiummatrix, dessen Oberflächenbeschichtung aus Aluminium eine Glätte aufweist, die von derjenigen der Molybdänform abhängt. Die Titanschicht 23A dient als Zwischenschicht zwischen dem Aluminium und dem Magnesium, welche, wenn sie in Kontakt gebracht würden, ein Eutektikum erzeugen würden. Das Titanblatt 28 dient dazu, das Magnesium gegen Oxidation zu schützen.

Die folgenden Merkmale wurden auf einer ebenen quasiisotropen Platte von 200 mm x 200 mm x 2,8 mm mit einem Faserverhältnis von 50% erhalten:

- E = 127 GPA

-αL = 2,10 (10&supmin;&sup6;ºC&supmin;¹)

-KT = 88 (W x m&supmin;¹ºC&supmin;¹)

- - 2 g/cm³

In einer Variante kann die Ablagerung 23 auf dem Blatt 23A vor dessen Ansetzen gegen die Oberfläche der Form hergestellt werden.

d) viertes Beispiel (5. Figur 4)

Auf einer Form aus unoxidierbarem, hitzebeständigem Stahl 31, die mit einem Abstreifmittel aus Bornitrit 32 überzogen ist, wird ein Blatt 33 aus superplastischem Aluminium 7475 einer Dicke von 100 um angeordnet, anschließend ein Blatt 33A aus reinem Titan (T 40) einer Dicke von 10 um, anschließend werden 8 Platten 34 bis 37 und 37' bis 34' (0,5 mm dick), die einheitlich ausgerichtet sind (mit einer einzigen Ausrichtungsrichtung der Fasern), die aus Kohlenstoffasern FT 700 gebildet sind, aufgestapelt, wobei diese Platten durch Infiltration mit Magnesium (AZ 61) in den Kohlenstoffaserbärten bei geringem Druck metallisiert werden.

Diese Platten werden so angeordnet, daß die Fasern eine quasi-isotrope Verstärkung bilden. Auf diesem Stapel wird ein Blatt 38A aus Titan (T 40) einer Dicke von 10 um angeordnet, anschließend ein Blatt 38 aus superplastischem Aluminium 7475 einer Dicke von 100 um. Diese Einheit wird bei den Bedingungen, die in Beispiel c) definiert wurden, konsolidiert.

Nach der Ablösung der Form hat die aktive Seite aus Aluminium (diejenige, die an die Form grenzte) die Gestalt der Oberfläche der Form angenommen, wobei so ein Spiegel 40 erhalten wurde, der eine zentrale Symmetrieebene 5 aufweist.

Die erhaltenen Merkmale sind von der gleichen Größenordnung wie jene des Beispiels c).

e) Fünftes Beispiel (nicht gezeigt)

Für Spiegel, die eine große Steifigkeit benötigen, können die vorstehend definierten Spiegel als Sohlen in Sandwich-Konstruktionen verwendet werden, deren Kern beispielsweise aus bienenwabenförmigem Aluminium besteht, wobei die Sohlen mit dem Kern durch thermisch-leitenden Kleber oder, noch besser, durch eine Niedertemperaturlötung verbunden sind, wobei die Arten der Lötung von der Art der zu verbindenden Elemente abhängen.

Die verschiedenen vorstehend erwähnten Beispiele haben das gemeinsame Merkmal, wonach sie alle einem Spiegel großer Abmessungsstabilität entsprechen, Kohlenstoffasern in einer Metallmatrix oder intermetallischen Matrix (Aluminium, Aluminiumlegierung, Magnesium, Magnesiumlegierungen, Kupfer oder Kupferlegierungen) enthalten. Die Struktur des Spiegels wird durch Diffusionsschweißen von Vliesen aus metallisierten Kohlenstoffasern, von Litzen aus metallisierten Kohlenstofffasern oder Platten aus präimprägnierten Kohlenstoffasern mit einer zentalen Symmetrieebene hergestellt, und der reflektierende Überzug aus Metall wird in den Träger durch Diffusionsschweißen im Verlauf des Arbeitsschrittes der Konsolidierung des Verbundmaterials integriert, wobei die Diffusion zur Form hin durch ein Ablösemittel inhibiert wird.

Man erhält so in einem einzigen Arbeitsschritt einen Spiegel, der eine reflektierende Metalloberfläche aufweist, deren Glättegrad von demjenigen der Form abhängt und ausgezeichnete Merkmale bezüglich der Stabilität der Abmessungen aufweist: spezifisches Modul, spezifischer Widerstand, Wärmeausdehnungskoeffizient, transversale thermische Leitfähigkeit, Fehlen von Feuchtigkeitsabsorption. Wenn dies nötig ist, kann der äußere Überzug nach Ablösen der Form poliert werden und zusätzliche herkömmliche Überzüge wie (Cr, Au,...) erhalten.

Es versteht sich von selbst, daß die vorstehende Beschreibung nur als nicht beschränkendes Beispiel gegeben wurde und daß zahlreiche Varianten vom Fachmann vorgeschlagen werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.


Anspruch[de]

1. Verfahren zur Herstellung eines Reflektors (10, 20, 30, 40), der aus einer reflektierenden Metallschicht gebildet ist, die sich auf einem Träger aus Metallmatrix-Verbundmaterial erstreckt, gemäß dem:

- auf eine Formoberfläche (1, 11, 21, 31), die eine zur für den Reflektor gewünschten geometrischen Form komplementäre geometrische Form aufweist, eine Metallschicht (3; 13; 23, 23A; 33, 33A) aufgebracht wird, die eine reflektierende Oberfläche einer Form aufweist, welche zumindest näherungsweise mit der gewünschten geometrischen Form identisch ist,

auf dieser Metallschicht Fasern (4-7, 7'-4'; 14-17, 17'-14'; 24-27, 27'-24'; 34-37, 37'-34') drapiert werden, die dazu bestimmt sind, den Verbundmaterialträger zu bilden, wobei diese Fasern durch Metallmaterial oder intermetallisches Material, das dazu bestimmt ist, die Metallmatrix zu bilden, metallisiert werden,

- diese Schicht und diese metallisierten Fasern Temperatur- und Druckbedingungen ausgesetzt werden, die geeignet sind, die reflektierende Oberfläche vollständig gegen die Formoberfläche zu plattieren und gleichzeitig ein Diffusionsverschweißen der Schicht mit den metallisierten Fasern und der metallisierten Fasern unter sich zu bewirken, so daß die Schicht im Verlauf der Verfestigung des Trägers in den Verbunumaterial-Träger integriert wird.

2. Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern aus Kohlenstoff sind.

3. Herstellungsverfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern symmetrisch zu beiden Seiten einer mittleren Symmetrieoberfläche (5) aufgebracht werden.

4. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß diese Fasern in ungebundenem Zustand drapiert werden.

5. Herstellungsverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß diese Fasern auf eine gerade Anzahl von Vliesen aufgeteilt werden, die symmetrisch zu beiden Seiten einer mittleren Symmetrieoberfläche (5) aufgebracht werden.

6. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die metallisierten Fasern durch physikalische Ablagerung einer Metallisierungschicht in der Dampfphase auf die Fasern erzeugt werden, wodurch die metallisierten Fasern geschmeidig sind.

7. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß diese Fasern im Inneren von Litzen zusammengefaßt sind.

8. Herstellungsverfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Litzen aus metallisierten Fasern durch Eintauchen in ein Bad aus Metallmaterial in geschmolzenem Zustand oder durch Infiltration erhalten werden.

9. Herstellungsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß diese Fasern im Inneren von Platten (34-37; 37'-34') zusammengefaßt sind, in denen diese Fasern eine, zwei oder drei Ausrichtungsrichtungen aufweisen.

10. Herstellungsverfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten der metallisierten Fasern mit einer, zwei oder drei Ausrichtungsrichtungen durch Infiltration des Metallmaterials in geschmolzenem Zustand unter . 10 Druckerhalten werden.

11. Herstellungsverfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Metallmaterial oder intermetallische Material der Metallisierung aus der Gruppe ausgewählt wird, die aus Aluminium und seinen Legierungen, aus Magnesium und seinen Legierungen, aus Kupfer und seinen Legierungen, aus Titan und seinen Legierungen und aus Alitierungen, insbesondere aus Titanalitierungen und Nickelalitierungen, besteht.

12. Herstellungsverfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht in Form eines oder mehrerer deformierbarer Blätter (13; 23A; 33, 33A) auf die Formoberfläche aufgebracht wird.

13. Herstetlungsverfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht durch Erzeugung eines Metallrohlings mit einer Rohlingsoberfläche, die zumindest näherungsweise identisch mit der gewünschten geometrischen Form ist, erhalten wird, wobei dieser Rohling zumindest auf einem Teil seiner Dicke unter dieser Rohlingsoberfläche unter den Temperatur- und Druckbedingungen deformierbar ist.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Rohling unter den Temperatur- und Druckbedingungen in seiner ganzen Dicke deformierbar ist.

15. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß dieser Metallrohling eine starre Basisschicht und eine Überzugsschicht, die aus einem unter den Temperatur- und Druckbedingungen deformierbaren Material gebildet ist, aufweist.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß diese Überzugsschicht durch Plasmaspritzen eines oder mehrerer Metalipulver auf diese starre Basisschicht realisiert wird.

17. Herstellungsverfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht durch Plasmaspritzen eines oder mehrerer Metallpulver auf die Formoberfläche aufgebracht wird.

18. Herstellungsverfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallschicht ein oder mehrere Metallmaterial(ien) aufweist, die aus der Gruppe, die aus Aluminium und seinen Legierungen, aus Magnesium und seinen Legierungen, aus Kupfer und seinen Legierungen, aus Nickel und seinen Legierungen, aus Titan und seinen Legierungen, aus Alitierungen, insbesondere Titanalitierungen und Nickelalitierungen, gebildet wird, ausgewählt werden.

19. Herstellungsverfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor einer Polierung unterzogen wird.

20. Herstellungsverfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß auf der reflektierenden Schicht ein komplementärer Überzug aufgebracht wird.

21. Herstellungsverfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß dieser komplementäre Überzug aus Gold ist.

22. Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Fasern, gegenüber der Metallschicht, eine Schicht (28) zum Schutz gegen Oxidierung aufgebracht wird.

23. Reflektor aus einer reflektierenden Metallschicht (3; 13; 23, 23A; 33, 33A), die sich auf einem Verbundmaterialträger mit einer Metallmatrix oder einer intermetallischen Matrix erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallmatritzen oder intermetallischen Matritzen des Trägers und der reflektierenden Schicht ineinander übergreifen.

24. Reflektor nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallmaterialien oder intermetallischen Materialien des Trägers und der reflektierenden Schicht verschieden sind und ihre Konzentrationen beim Übergang vom Träger zur reflektierenden Schicht und umgekehrt kontinuierlich variieren.

25. Reflektor nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallmaterialien oder intermetallischen Materialien des Trägers und der reflektierenden Schicht identisch sind.

26. Reflektor nach einem der Ansprüche 23 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger zu beiden Seiüen einer mittleren Symmetrieoberfläche (5) symmetrisch ist.

27. Reflektor nach einem der Ansprüche 23 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger eine Überlagerung von Vliesen (4-7, 7'-4'; 14-17, 17'-14'; 24-27, 27'-24'; 34-37, 37'-34') aus Fasern mit von einem Vlies zum anderen verschiedenen Ausrichtungen aufweist.

28. Reflektor nach einem der Ansprüche 23 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Fasern aus Kohlenstoff sind.

29. Reflektor nach einem der Ansprüche 23 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallmatrix aus einem oder mehreren Materialien gebildet ist, die aus der Gruppe, welche aus Aluminium und seinen Legierungen, aus Magnesium und seinen Legierungen, aus Kupfer und seinen Legierungen, aus Titan und seinen Legierungen, aus Alitierungen, insbesondere Titanalitierungen und Nickelalitierungen, gebildet wird, ausgewählt werden.

30. Reflektor nach einem der Ansprüche 23 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierende Metallschicht aus einem oder mehreren Materialien gebildet wird, die aus der Gruppe, die aus Aluminium und seinen Legierungen, aus Magnesium und seinen Legierungen, aus Kupfer und seinen Legierungen, aus Nickel und seinen Legierungen, aus Titan und seinen Legierungen, aus Alitierungen, insbesondere Titanalitierungen und Nickelalitierungen, gebildet wird, ausgewählt werden.

31. Reflektor nach einem der Ansprüche 23 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß sich gegenüber der Metallschicht eine Schicht zum Schutz gegen Oxidierung (28) entlang der Matrix erstreckt.







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