DE4207009C2 - Verfahren zur Herstellung eines Reflektors, Reflektor sowie dessen Verwendung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Reflektors und einen Reflektor nach dem Patentanspruch 1 bzw. dem Oberbegriff des Patentanspruches 20 sowie die Verwendung des Reflektors.

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 ver­ formen 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, müssen 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 LiO₂, 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^-6 K^-1) und Nickel (13 . 10^-6 K^-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 Entfer­ nungsmessung 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^-7 K^-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 Her­ stellungsverfahrens (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 Rauhtiefen 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 sie zuvor mit Nickel beschichtet werden. Aufgrund unterschiedli­ cher Wärmeausdehnungskoeffizienten von Beryllium (11,2 . 10^-6 K^-1) und Nickel (15 . 10^-6 K^-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 Grünkörper 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 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 glasfaserverstärkte Kunststoffe) sind auf Raumtemperaturanwendungen beschränkt. Aufgrund des inhomo­ genen Faser- oder Laminataufbaus kann durch eine Oberflä­ chenbearbeitung keine optische Spiegelfläche erzeugt werden.

Aus der DE 38 09 921 A1 ist es bekannt, daß man einen Spie­ gel herstellen kann, indem man einen handelsüblichen Silicium-Wafer auf einer Tragplatte befestigt. Zur Herstellung größerer Spiegel werden mehrere solche Wafer nebeneinander angeordnet. Die Fugen zwischen den Wafern werden mittels Laser- oder Elektronenstrahl-Schweißens miteinander verbunden. Nachfolgend wird die Spiegeloberfläche geschliffen und poliert. Als Träger wird ein Körper aus einem Leichtmetall oder aus faserverstärktem Verbund-Kunststoff verwendet. Auch hier treten die oben genannten Nachteile auf, die insbesondere durch die unterschiedlichen Materialien von Träger und Reflektorschicht bedingt sind.

Aus der DE 36 26 780 A1 ist es bekannt, daß man Spiegel nicht nur zur Reflexion von Licht sondern auch als Antennen verwenden kann. Die dort gezeigten Spiegel weisen einen Träger aus kohlefaserverstärktem Material auf. Die Reflek­ torschicht besteht aus Glas oder Glaskeramik und ist auf den Träger direkt aufgeschmolzen. Die Nachteile derartiger Spiegel sind oben beschrieben.

Aus der DE 30 18 785 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Spiegeln bekannt, bei welchem zunächst ein Formkörper aus einem hochtemperaturbeständigen Material, nämlich aus Kohlenstoff hergestellt wird, der als Trägerstruktur für den Spiegel dient. Auf diese Trägerstruktur wird zur Bil­ dung des Spiegels eine Frontplatte aus Glas aufgesintert oder aufgeschmolzen. Hier entsteht wieder eine Struktur, bei welcher die Trägerplatte und die Reflektorschicht sehr unterschiedliche thermische Eigenschaften aufweisen, so daß derartige Spiegel nur eine sehr geringe Temperaturschockfe­ stigkeit aufweisen. Das Raumgewicht derartiger Spiegel ist relativ hoch.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Reflektors sowie einen Reflektor aufzu­ zeigen, wobei der Reflektor geringes Gewicht und verbes­ serte mechanisch-/thermische Eigenschaften bei einfacher Herstellung aufweist.

Diese Aufgabe wird verfahrensmäßig durch die im Patent­ anspruch 1 genannten Merkmale gelöst. Ein Reflektor, der diese Aufgabe löst, ist in Anspruch 21 angegeben. Bevor­ zugte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

In der nachfolgenden Beschreibung wird in erster Linie davon ausgegangen, daß Kohlenstoff bzw. Kohlenstoffasern als Grundbaustein für die Trägerkörper 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.

CFC-Verbundwerkstoffe, welche aus einer Kohlenstoffmatrix und Verstärkungs­ fasern aus Kohlenstoff bestehen, werden über das Harz-Imprägnier- und Car­ bonisierungsverfahren industriell gefertigt. Die so hergestellten 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 (1,0-1,7 g/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-Kör­ 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.

Der Reflektor weist als Trägerkörper 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 Anschmelzvorgänge von Silicium-Formkörpern oder Wafern auf CFC-Trägersubstra­ te appliziert wurde. Silicium-Wafer sind Scheiben, bestehend aus Reinstsilicium. Das Silicium kann ein isotropes oder polykristallines Gefüge aufweisen.

Die Erfindung erlaubt die Herstellung von Reflektoren 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 versendet werden können, die sich auf jeder Werkzeugmaschine bearbeiten lassen.

Darüber hinaus können die Dichte und Festigkeit des Bauteils gezielt über die Auswahl der Trägerkörper und die Quantität bzw. Qualität der ge­ wählten Infiltrationsprozesse eingestellt werden. Die Wärmeausdehnungsko­ effizienten der 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 Kohle­ faserbasis angewendet werden.

Der eingesetzte CFC-Trägerkörper besitzt eine Dichte von höchstens 1,4 g/cm³, d. h. er weist eine hohe Porosität auf. Abgesehen von den Poren weist der Trägerkörper 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. Anschließend werden 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 vorteilhafterweise 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 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 Porösität 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 mbar 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 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 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 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-Trägerkörpers erfolgt mit einer solchen Menge an ge­ schmolzenem 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, wobei diese bei der Temperaturbehandlung 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.

Das 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 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 entsteht die reflektie­ rende Fläche aus der erstarrten Schmelze mit nachfolgendem Schleif- und Po­ liervorgang.

Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, daß man die auf die CFC- oder CMC-Trägerkörper 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.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des 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 werden 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.

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 und

Fig. 8B eine Ausführungsform von Infrarot-Teleskopspiegeln.

Anhand der folgenden Beispiele 1 und 2 werden Verfahren erläutert, die zum Verständnis der anhand der weiteren Beispiele 3 und 4 erläuterten erfindungsgemäßen Verfahren not­ wendig sind.

Beispiel 1:

40 Kohlefaser-Gewebeprepregs 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 und einer Wandstärke von 12 mm verpreßt. Der nach dem Entformen erhaltene Körper, bzw. 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 körper 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 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 Schwund 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 Vakuum 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 jetzt in einer Hochtemperatur-Vakuumkammer in ein Gra­ phitgefäß gestellt, dessen Boden mit geschmolzenem 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 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 Trägerkörper und dem Silicium.

Aus dem Oberflächenbereich einer Spiegelstruktur wurden 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^-6 K^-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 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 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 des Trägerkörpers 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 (25)

1. Verfahren zur Herstellung eines Reflektors zur Refle­ xion elektromagnetischer Wellen mit folgenden Verfah­ rensschritten:

• a) Herstellen eines porösen Trägerkörpers aus Koh­ lenstoff oder aus kohlenstoffhaltigem Material, das karbonisiert oder graphitiert ist,
• b) Belegen des Trägerkörpers mit Silicium in Form von Siliciumformkörpern, insbesondere in Form von Siliciumscheiben,
• c) Einbringen des porösen Trägerkörpers mit dem dar­ auf befindlichen Silicium in ein Gefäß mit Sili­ cium und Aufheizen der Anordnung auf eine Tempe­ ratur zwischen 1300°C und 1600°C in einer eine Oxydation verhindernden Atmosphäre oder im Va­ kuum, sodaß die Siliciumschmelze im Gefäß in dem porösen Material aufsteigt und dabei an der Grenzfläche zwischen dem porösen Material und der Schmelze eine Siliciumkarbidschicht erzeugt wird und sich der Belag aus Silicium durch Aufschmel­ zen oder Aufsintern bei einer Hochtempera­ turbehandlung mit dem Trägerkörper verbindet, und
• d) Abkühlen des Trägerkörpers mit darauf befindli­ chem Belag aus Silicium und gewünschtenfalls Nacharbeiten des Belags zur Bildung einer reflek­ tierenden Oberfläche.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Formkörper von hochreflektierenden Silicium­ scheiben gebildet wird, wobei die hochreflektierenden Flächen vom Trägerkörper abgewandt sind.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper aus CFC-Verbundwerkstoff oder CMC-Werkstoff hergestellt ist.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf eine Temperatur zwischen 1300°C bis 1450°C in Schritt c aufgeheizt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man die Silicium-Formkörper vor dem Verbinden mit dem Trägerkörper auf die Trägeroberfläche aufklebt.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Klebung mittels eines Klebers erfolgt, der Diffusions-, Sinter- oder Anschmelzvorgänge fördert.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Klebung mittels eines Harz-Bindemittels oder eines Klebers auf Kohlenstoff-, Silicium-, oder Sili­ ciumcarbid-Basis oder Prekursoren auf Polysilan- oder Siliciumcarbonitrit-Basis oder Silikonen erfolgt.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung größerer Reflektor-Flächen diese mit Si-Formkörpern derartig belegt werden, daß die Trägeroberfläche im wesentlichen lückenfrei belegt ist.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man die Silicium-Formkörper in mehreren Schichten aufbringt, wobei die Schichten aus Silicium-Formkör­ pern vorzugsweise unterschiedlich hoher Dotierung be­ stehen können.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß man bei Aufbau der Schichten aus Silicium-Formkör­ pern unterschiedlich hoher Dotierung die Silicium- Formkörper mit der höchsten Dotierung als nächste Schicht zur Trägeroberfläche aufbringt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß man als oberste Schicht eines Schichtaufbaus mit Silicium-Formkörpern unterschiedlich hoher Dotierung eine Schicht von Silicium-Formkörpern besonders hoher Reinheit aufbringt.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Silicium im Gefäß dotiertes und daher niedri­ ger schmelzendes Silicium ist.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Trägerstruktur hergestellt wird, die aus meh­ reren Trägerkörpern gesteckt oder gefügt ist und durch das aufsteigende Silicium zu einer Gesamtstruktur ver­ festigt wird.

14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man die Trägeroberfläche vor Aufbringen der Sili­ cium-Formkörper glättet, insbesondere schleift.

15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man im Trägerkörper Ausnehmungen vorsieht.

16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man in den Träger pyrolytischen Kohlenstoff, vor­ zugsweise durch chemische Gasphasenabscheidung ein­ bringt.

17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß man die reflektierende Oberfläche des Silicium-Be­ lags karbidisiert.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß man die Karbidisierung in einer kohlenstoffhalti­ gen Atmosphäre, insbesondere in einer Kohlenwasser­ stoffe wie Propan oder Methan enthaltenden Atmosphäre bei erhöhter Temperatur, vorzugsweise oberhalb 700°C ausführt.

19. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Belag an seiner Oberfläche zu Siliciumdioxid (SiO₂) oxidiert wird, indem er in sauerstoffhaltiger Atmosphäre, vorzugsweise in Luft Temperaturen von oberhalb 500°C ausgesetzt wird.

20. Reflektor zur Reflexion elektromagnetischer Wellen, umfassend einen Trägerkörper und einen mit diesem fest verbundenen Belag aus Silicium, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper (10) porös ist und aus Kohlen­ stoff besteht, wobei der Kohlenstoff zumindest ober­ flächlich zu Siliciumcarbid umgewandelt ist und in das poröse Gefüge Silicium eingelagert ist.

21. Reflektor nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper (10) und/oder der Belag (11) aus mehreren Stücken zusammengesetzt und die Stücke mit­ einander vorzugsweise zur Bildung einstückiger Körper fest verbunden sind.

22. Reflektor nach einem der Ansprüche 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Trägerkörper (10) Ausnehmungen (13) aufweist.

23. Verwendung eines Reflektors nach einem der Ansprüche 20 bis 22 im Weltraum.

24. Verwendung eines Reflektors nach einem der Ansprüche 20 bis 22 in bewegten Reflexions- oder Spiegelsyste­ men.

25. Verwendung eines Reflektors nach einem der Ansprüche 20 bis 22 als Reflektor zur Sonnenenergie-Gewinnung.