DE602004008650T2

DE602004008650T2 - Vermeidung von "print through" bei spiegeln mit faserverstärkten komposit-substraten und herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE602004008650T2
Application number: DE200460008650
Authority: DE
Inventors: Philip C. Tucson THERIAULT
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 2003-08-12
Filing date: 2004-08-03
Publication date: 2008-06-05
Anticipated expiration: 2024-08-04
Also published as: EP1654571A1; DE602004008650D1; EP1654571B1; WO2005017578A1; US7022629B2; US20050037679A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft faserverstärkte Spiegel und im Einzelnen die Beseitigung des Durchzeichnungseffektes bei faserverstärkten Spiegeln.
Beschreibung des zutreffenden Standes der Technik
Spiegel werden in optischen Systemen hoher Präzision seit vielen Jahrzehnten eingesetzt. Ein kritischer Gesichtspunkt für die erfolgreiche Anwendung dieser Spiegel sind Materialeigenschaften, beispielsweise Stabilität der Abmessung, geringes Gewicht, hohe thermische Leitfähigkeit, hohe Steifigkeit, niedriger thermischer Ausdehnungskoeffizient usw. Verschiedene Anwendungen erfordern verschiedene Kombinationen dieser Eigenschaften. Beispielsweise erfordern viele Anwendungen in der Raumfahrt, für Teleskope, für optische Einrichtungen im Fluggerät und für optische, schnell abtastende Anwendungen niedriges Gewicht, hohe Steifigkeit und hohe Abmessungsstabilität. Beryllium ist in dieser Hinsicht besonders attraktiv.
Berylliumspiegel werden durch Verfestigen von Berylliumpulver durch isostatisches Heißpressen (HIP) zu einem Block gefertigt, welcher dann in die gewünschte Form eines Spiegels durch Bearbeitung gebracht wird. Beryllium ist ein sehr teures Material und ist in seiner Verfügbarkeit begrenzt. Weiterhin ist Berylliumstaub giftig und hat sehr begrenzte near-net-shaping-Eigenschaften. Ein Berylliumspiegel hoher Präzision wird daher aus einem Berylliumblock herausgearbeitet, so dass das meiste Berylliummaterial durch Umwandlung in Berylliumspäne verloren geht. Die Giftigkeit des Berylliumstaubes erfordert eine besondere Bearbeitungswerkstatt zur Erfüllung der strengen Vorschriften bezüglich der Sicherheit der Beschäftigten und der Gesundheitsaufsichtsbehörde (OSHA) bezüglich der Sicherheit, was zu der Kostspieligkeit beiträgt. Ein Material, welches nicht giftig und billiger als Berylliummetall ist daher erstrebenswert.
Als Teil einer konzentrierten Anstrengung zur Vermeidung der Verwendung des Berylliummaterials wurden faserverstärkte, zusammengesetzte Matrixspiegel über zwei Jahrzehnte in die Entwicklung genommen. Wie in 1a dargestellt ist, wird ein Matrixmaterial 10 beispielsweise Karbon ( US-Patente 4,451,119 und 4,915,494 ), ein Polymer ( US-Patente 4,842,398 , 5,178,709 , 5,907,430 und 6,431,715 ), keramisches Material ( US-Patente 4,256,378 und 5,382,309 ) oder Metall mit einem Graphitfasergewebe (Siliziumkarbid, Bohr usw.) 12 verstärkt, um ein leichtgewichtiges thermisch leitfähiges und steifes Substrat 14 zu erzeugen. Zum Erzielen der notwendigen Steifigkeit werden mehrere hundert bis mehrere tausend Fasern 16 in Strängen 18 gebündelt, welche zu einem gewünschten Muster zusammengewebt werden. Eine Faser hat einen Durchmesser von mindestens einem Mikron und charakteristischerweise zehn bis zwanzig Mikron und ein Strang hat einen Durchmesser von 0,5 bis 7 mm. Das Webmuster hat eine verhältnismäßig grobe Struktur oder Textur, welche durch den Abstand von Mitte zu Mitte S1 alternierender Stränge gekennzeichnet ist, zweckmäßig 1,5 mm bis 17 mm, oder die Definition ist der durchschnittliche Durchmesser D1 des einbeschriebenen Kreises zwischen den Mitten der phasengleichen Stränge zur Erzielung der erforderlichen Steifigkeit. In dem Falle eines Gewebes sind S1 und D1 gleich.
Eine dünne Schicht 20 des nicht-verstärkten Matrixmaterials wird auf dem Substrat 14 gebildet und so verarbeitet, dass sich eine Oberfläche 21 optischer Qualität ergibt. Eine reflektierende optische Beschichtung 22 (Gold, Silber, Aluminium usw.) wird auf die optische Oberfläche aufgedampft, um eine Spiegeloberfläche zu bilden, welche in ihrer Gestalt der Oberfläche optische Qualität entspricht. Die unverstärkte Schicht trägt nicht merklich zu der Festigkeit oder Steifigkeit des zusammengesetzten Spiegels bei. Um daher das Gewicht zu vermindern wird die Schicht nur so dick gemacht, typischerweise etwa 0,1 mm, um die optische Oberfläche zu definieren.
Die faserverstärkte Matrix bildet einen Lösungsansatz geringen Gewichtes und hoher Steifigkeit, welcher demjenigen des Berylliums angenähert ist, ohne dass die hohen Kosten und die Giftigkeit in Kauf genommen werden müssen. Außer dann, wenn die unverstärkte Schicht sehr dick gemacht wird und daher sehr schwer ist, erleidet der zusammengesetzte Spiegel über die Betriebsdauer und die Temperaturzyklen hin hohe Deformationen 24 der räumlichen Frequenz an der optischen Oberfläche 21 und damit an der reflektierenden optischen Beschichtung 22, wie am besten aus 1b ersichtlich ist. Der thermische Ausdehnungskoeffizient (CTE) und Spannungsfehlanpassungen innerhalb des verstärkten Substrates sowie zwischen den Substraten und der nicht-verstärkten Schicht erzeugen ein Spannungs-Beanspruchungs-Muster, das der groben Struktur des Gewebemusters entspricht. Die unverstärkte Schicht überträgt das Spannungs-Beanspruchungs-Muster auf die optische Oberfläche. Dies ist als Durchzeichnen bekannt und verschlechtert effektiv die optischen Eigenschaften des Spiegels. Demzufolge haben faserverstärkte Spiegel nicht erfolgreich im kommerziellen Sinne Berylliumspiegel oder andere Spiegel aus isotropischem Material ersetzt.
Das US-Patent 4,81,870 beschreibt ein Verfahren zum Replizieren einer optischen Oberfläche großen Maßstabes, wobei das Verfahren unter anderem eine verspiegelte Oberfläche verwendet, welche von einem Trägersubstrat durch einen Zwischenraum getrennt ist. Das Dokument erwähnt die Verwendung einer Bienenwaben-Stützkonstruktion, welche die optische Oberfläche abstützt, und die Verwendung von Gummi oder Kautschuk in dem Zwischenraum, wobei diese Maßnahmen zusammen die Effekte eines Durchzeichnens minimieren. Diese Technik bedingt einen aufwendigen Herstellungsprozess, kann das Gewicht des Spiegels erhöhen und ist nicht für Anwendungen geeignet, welche nahezu perfekte optische Oberflächen erfordern.
Es besteht somit ein dringender gegenwärtiger Bedarf zur Lösung des Durchzeichnungsproblems für faserverstärkte, zusammengesetzte Matrixspiegel ohne eine Verschlechterung bezüglich Gewicht, Steifigkeit oder Stabilität der Abmessungen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung schafft einen Spiegel, welche folgendes umfasst:
ein faserverstärktes Substrat, welches erste Fasern enthält, die in einem grob strukturierten Muster angeordnet sind, wobei die ersten Fasern zu Strängen gebündelt und zu einem Tuch gewebt sind, das einen ersten Maßstabsfaktor aufweist, der durch einen durchschnittlichen Abstand von Mitte zu Mitte der Stränge bestimmt ist;
eine Oberfläche optischer Qualität auf dem Substrat;
einen reflektierenden optischen Belag auf der Oberfläche optischer Qualität;
gekennzeichnet durch
eine faserverstärkte Schicht zwischen dem Substrat und der Oberfläche optischer Qualität, wobei die faserverstärkte Schicht zweite Fasern mit Submikrondurchmesser enthält, welche in einer feinen Struktur angeordnet sind, welche ein Durchzeichnen des grob strukturierten Musters von dem Substrat zu der Oberfläche optischer Qualität hin zerstreut;
wobei die feine Struktur der zweiten Fasern einen zweiten Maßstabfaktor aufweist, welcher durch einen durchschnittlichen Abstand von Mitte zu Mitte der Fasern bestimmt ist, der mindestens eine Größenordnung kleiner als der genannte erste Maßstab ist.
Eine Ausführungsform der Erfindung sieht einen Spiegel vor, bei welchem die ersten Fasern mindestens 1 μm im Durchmesser haben und in Stränge mit einem Durchmesser von mindestens 0,5 mm gebündelt und in ein Tuch gewebt sind und die genannten zweiten Fasern statistisch angeordnete Fäserchen, ein nicht gebündeltes Gewebe von Fasern oder eine Matte von Fasern enthalten.
Eine andere Ausführungsform der Erfindung sieht einen Spiegel vor, bei welchem die zweiten Fasern Fäserchen enthalten, die aus Kohlenstoff-Nanoröhren gebildet sind, die einen Durchmesser von weniger als 0,1 μm aufweisen.
Es wird auch ein Verfahren zur Herstellung eines Spiegels geschaffen, wobei das Verfahren folgendes umfasst:
Einlegen eines Fasergewebes, das erste Fasern enthält, welche in einem groben strukturellen Muster angeordnet sind, wobei die ersten Fasern in Strängen gebündelt sind und zu einem Tuch gewebt sind, das einen ersten Maßstabsfaktor hat, welcher durch einen durchschnittlichen Abstand von Mitte zu Mitte der Stränge bestimmt ist, in eine Form mit einer vorbestimmten Gestalt einer optischen Fläche;
Einlegen von zweiten Fasern mit Submikrondurchmesser, welche in einer feinen Struktur angeordnet sind, welche einen zweiten Maßstabsfaktor aufweist, der durch einen durchschnittlichen Abstand von Mitte zu Mitte der Fasern bestimmt ist, wobei der Maßstabsfaktor mindestens eine Größenordnung kleiner als der erste Maßstabsfaktor ist, auf das Tuch;
Hinzufügen eines Matrix-Vorläufers;
Vorerwärmen der Form zum Karbonisieren des Vorläufers;
Erhitzen der Form zum Graphittieren der Matrix;
Bilden einer Oberfläche optischer Qualität auf der verstärkten Matrix; und
Bilden eines reflektierenden optischen Belages auf der Oberfläche optischer Qualität, so dass die feine Struktur von zweiten Fasern mit Submikrondurchmesser die Durchzeichnung des groben strukturellen Musters der ersten Fasern auf der Oberfläche optischer Qualität zerstreut.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1a und 1b stellen, wie oben ausgeführt, einen bekannten faserverstärkten Spiegel dar und verdeutlichen das Durchzeichnungsproblem;
1 ist eine Querschnittsdarstellung eines faserverstärkten, zusammengesetzten Matrixspiegels mit einer feinen Faserschicht gemäß der vorliegenden Erfindung;
3a und 3b sind eine Aufsicht bzw. eine Seitenansicht, welche die grobe und die feine Struktur der faserverstärkten Matrix aufzeigen;
4a bis 4c sind Aufsichten von statistisch verteilten Fäserchen, einem kontinuierlichen Gewebe aus einzelnen Fasern und einer kontinuierlichen Fasermatte gemäß Ausführungsformen der feinen Faserverstärkungsschicht;
5 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung des zusammengesetzten Spiegels; und
6 ist ein Flussdiagramm eines zweiten Verfahrens zur Herstellung des zusammengesetzten Spiegels.
DETAILLIIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung schafft einen zusammengesetzten Matrixspiegel und ein Verfahren zur Herstellung, welche das Problem des Durchzeichnungseffektes beseitigen.
Wie in 2 gezeigt ist, enthält der zusammengesetzte Spiegel 40 einen Stapel von Graphitfasergeweben 42, welche eine Matrix 44 verstärken, zweckmäßig ein Karbon-, Keramik-(Glas), Metall- oder ein Polymermaterial, um ein leichtgewichtiges, jedoch steifes oder starres Substrat 46 zu bilden. Jeder Strang 48 enthält einige hundert bis mehrere tausend Fasern 50. Eine Schicht 52 von kleinen, nicht in Strängen zusammengefassten Fasern 54 ist in der Matrix 44 der Oberfläche des faserverstärkten Substrates vorgesehen. Eine Oberfläche 55 optischer Qualität ist in der Schicht 52 ausgebildet oder, wie hier gezeigt, in einer zusätzlichen Schicht 56, zweckmäßig einer metallischen oder halbmetallischen Materialschicht oder einer Karbonschicht, Polymerschicht oder Keramikschicht. Ein reflektierender optische Belag 58 wird auf der Oberfläche optischer Qualität abgelagert, um eine Spiegeloberfläche zu bilden, welche in der Gestalt der Oberfläche optischer Qualität entspricht.
Während die Schicht 52 zu der Gesamtsteifigkeit des Spiegels beiträgt, ist ihre Funktion in erster Linie das Streuen und Ausgleichen irgendwelcher Spannungen, welche durch das Webmuster der Faserverstärkung erzeugt werden, so dass die grobe Textur nicht auf die optische Oberfläche übertragen wird, wodurch das Durchzeichnen beseitigt wird. Die feine Struktur, welche erforderlich ist, um irgendwelche Spannungen zu streuen und zu verteilen, kann durch eine Vielfalt von Ausführungsformen verwirklicht werden, welche zufällige Fasersegmente (Fibrillen oder Fäserchen), eine kontinuierliche Fasermatte oder ein Gewebe aus einzelnen oder in feiner Weise gebündelten kontinuierlichen Fasern verwenden. Der so genannte Maßstabsfaktor, welcher durch den durchschnittlichen Abstand S2 von Mitte zu Mitte, durch den durchschnittlichen Durchmesser D2 eines eingeschriebenen Kreises oder durch ein anderes Maß der Struktur repräsentiert wird, ist vorzugsweise mindestens eine Größenordnung kleiner als der Maßstabsfaktor S1 oder D1 des darunter liegenden Fasergewebes 42. Die einzelnen Fasern oder Fibrillen oder Fäserchen 54 sind vorzugsweise bedeutend feiner als die groben Fasern 50, vorzugsweise im Submikronbereich und besonders bevorzugt im Durchmesserbereich von 0,1 bis 0,2 μm. Die Fasern in der Schicht 52 und in dem Substrat 46 sind zweckmäßig aus dem selben Material, um ihre Festigkeit und ihre Eigenschaften bezüglich des Temperaturausdehnungskoeffizienten anzugleichen.
Das strukturelle Grobmuster des faserverstärkten Substrates 46 ist solcher Gestalt, dass dann, wenn es Temperaturschwankungen ausgesetzt ist, erreicht wird, dass die Spannungen, welche normalerweise einen Durchzeichnungseffekt bewirken, und die verhältnismäßig feinen und statistischen Eigenschaften der Schicht 52 solchermaßen wirken, dass sie die Spannung zerstreuen und die Durchzeichnung beseitigen, wie in den 3a und 3b gezeigt ist. In einem typischen Graphitfasergewebe 42 enthält jeder Strang einige wenige hundert bis einige wenige hunderttausend gebündelte Fasern. Jede dieser Fasern ist mindestens 1 μm im Durchmesser und typischerweise 10–20 μm. Abhängig von der Anzahl und der Größe der Fasern und der Zusammenpressung der Stränge hat ein Strang einen Durchmesser von annähernd 0,5 bis 7 mm. Für das in 3a gezeigte Muster ist der Maßstabsfaktor, welcher das strukturelle Muster des Gewebes charakterisiert, das Zweifache des Strangdurchmessers plus der Zwischenraum zwischen den Strängen. Im vorliegenden Beispiel liegt der Maßstabsfaktor zwischen etwa 1,5 und 20 mm. Die gesamte Dicke des Stapels reicht von 1 mm für Spiegelkleinapertur hinauf zu annähernd 10 cm für Spiegelgroßapertur. Wenn auch die Kenngrößen für jedes Gewebe, seine Muster, Dicke des Gewebes, Größe der Stränge usw. sich ändern mögen, um die erforderliche Steifigkeit unter Verwendung der gegenwärtig verfügbaren Fasern des Gewebes zu erzeugen, so hat das Gewebe ein grobes strukturelles Muster, wie es durch einen Maßstabsfaktor von mindestens 1 mm charakterisiert ist.
Der thermische Ausdehnungskoeffizient (CTE) und Spannungsfehlanpassungen innerhalb des verstärkten Substrates 46 und zwischen dem Substrat 52 erzeugen ein Spannungs- und Beanspruchungsmuster, welches der groben Textur des Webmusters entspricht. Diese Spannungen können durch Auswahl der Materialien, Graphitfasern und einer Karbon- oder Glasmatrix zum Minimieren der Fehlanpassung vermindert jedoch nicht beseitigt werden. In bekannten faserverstärkten Spiegeln wird dieses Spannungsmuster über die dünne, nicht verstärkte einkörperliche Schicht auf die optische Oberfläche übertragen, was in dem Durchzeichnungseffekt resultiert. Gemäß der vorliegenden Erfindung vermindert die verstärkte Schicht 52 mit kleinen nicht gebündelten Fasern oder Fäserchen 54 das Spannungsmuster und streut es innerhalb der Schicht 52, wodurch eine messbare oder erfassbare Durchzeichnung beseitigt wird. Eine Oberfläche optischer Qualität hat typischerweise eine anfängliche Oberflächenqualität von 10 nm RMS. Die Durchzeichnung würde die Oberflächenqualität auf schlechter als 40 nm RMS reduzieren. Das Einbeziehen der Schicht 52 hält die Oberflächenqualität mit einem Wert von besser als 15 nm RMS aufrecht.
Wie in den 4a bis 4c gezeigt ist, kann die Feinstruktur, welche zum Streuen und statistischen Ausgleichen irgendwelcher Spannungen 52 erforderlich ist, in einer Vielzahl von Ausführungsformen vorgesehen werden, welche statistische Fasersegmente (Fäserchen) 60, ein Gewebe 62 aus einzelnen oder fein gebündelten (weniger als 200 Fasern) kontinuierlichen Fasern 64 oder eine kontinuierliche Fasermatte 66 verwenden.
Wie in 4a gezeigt ist, werden die Fäserchen 60 statistisch in einer Matrix in der Schicht 62 verteilt. Unter Verwendung gegenwärtig verfügbarer, aus dem Dampf gezüchteter Fasern haben die Fäserchen einen Durchmesser im Submikronbereich, vorzugsweise weniger als 0,3 μm bei einer Länge von mehr als dem 100-fachen ihres Durchmessers.
Fäserchen, welche aus Karbon-Mikroröhren gebildet sind, können Durchmesser von weniger als 0,01 Mikron und Längen von mehr als dem 100-fachen ihrer Durchmesser haben. Karbon-Nanoröhren sind gegenwärtig im Preis nicht akzeptabel, aber können mit der Zeit ein gangbarer alternativer Weg sein. Die Fäserchen haben einen Maßstabsfaktor, beispielsweise mittlerer Mitte-zu-Mitte-Abstand S2 oder einen durchschnittlichen Durchmesser eines einbeschriebenen Kreises D2 innerhalb der Faserbündel von bis hinunter zu 100 nm, für Karbon-Nanoröhren bis hinauf zu 0,005 mm für Fäserchen im Submikronbereich. Da die Fäserchen oder Fibrillen sehr dünn sind und über die Schicht hinweg statistisch verteilt sind, zeigen sie die besten Streuungseigenschaften. Dies hat zur Folge, dass die Schicht 52 dünner, typischerweise 0,1 bis 2 mm, als die Gewebekonfiguration mit ungebündelten Fasern oder die Mattenkonfiguration sein kann.
Wie in 4b gezeigt ist, ist ein Gewebe 62 aus einzelnen Fasern oder fein gebündelten kontinuierlichen Fasern 64 in die Matrix der Schicht 52 eingebunden. Die Einbeziehung eines zweiten dünneren und feineren Gewebemusters streut die Spannungen von den darunter liegenden, dickeren und gröberen Gewebemustern. Um effektiv den Durchzeichnungseffekt zu beseitigen, mag die Schicht 62 etwas dicker ausgeführt werden, als dann, wenn sie mit statistischen Fäserchen ausgestattet ist. In einem typischen Graphitfasergewebe 62 werden die Fasern vorzugsweise ungebündelt oder fein gebündelt mit nur einigen wenigen gebündelten Fasern ausgeführt. Mit einem Maßstabsfaktor S2 oder D2 charakterisiert sich dann das Gewebe als zwischen etwa 0,001 und 0,1 mm liegend. Dies ist mehr als eine Größenordnung kleiner als der Maßstabsfaktor des groben Gewebes in dem Substrat und ist ausreichend zum Beseitigen des Durchzeichnungseffektes.
Wie in 4c gezeigt ist, ist eine Matte 66 von kontinuierlichen Fasern in die Matrix der Schicht 52 eingebettet. Das statistische Muster der sehr feinen Fasern ist im Sinne der Beseitigung des Durchzeichnungseffektes wirksam. Der Maßstabsfaktor S2 oder D2, welcher die Matte charakterisiert ist der Mitte-zu-Mitte-Abstand benachbarter Fasern und ist typischerweise 0,05 mm. Es ist wiederum festzustellen, dass dies mehr als eine Größenordnung kleiner als der Maßstabsfaktor des groben Gewebes mit dem Substrat ist und dazu ausreicht, die Durchzeichnung zu beseitigen.
In einer beispielsweisen Ausführungsform enthält der Spiegel 40 von 2 ein Karbon-Karbon-Substrat 46 (ein Stapel von Graphitfasergeweben 42 in einer Karbonmatrix 44) und eine Schicht 52 von Submikron-Graphitfäserchen 54, welche in dieselbe Karbonmatrix 44 eingebettet sind. Die dünne Schicht 56, nämlich etwa 0,1 mm dick, wird auf der Schicht 52 abgelagert und mit Diamant abgedreht oder poliert, um eine Oberfläche optischer Qualität zu erzeugen. Die Schicht 56 wird aus einem Metall, einem Halbmetall (Silizium oder elektrofreies Nickel usw.) Karbon oder keramischem Material aufgebracht. Eine reflektierende optische Beschichtung 58 wird auf der Oberfläche optischer Qualität gebildet, um die Spiegeloberfläche zu schaffen.
Die Graphitfäserchen 54 haben im Wesentlichen denselben thermischen Ausdehnungskoeffizienten und dieselben Steifigkeitseigenschaften wie das Graphitfasergewebe 52, was die Erzeugung von Spannungen minimiert. Die Karbonmatrix 44 hat nicht die Festigkeit und Steifigkeit der Fasern 50, hat jedoch denselben thermischen Ausdehnungskoeffizienten.
Die Fäserchen 54 haben einen Submikron-Durchmesser, zweckmäßig weniger als 0,3 μm und vorzugsweise 0,1 bis 0,2 μm bei einer Länge von mehr als dem 100-fachen ihres Durchmessers, und sie erzeugen eine sehr feine Struktur zur Streuung irgendwelcher Spannungsmuster.
Karbon-Karbon-Verbindungen (C-C) sind eine besondere Werkstoffklasse mit vielen einzigartigen Eigenschaften, welche sie für eine Vielzahl von anspruchsvollen technischen Anwendungen attraktiv macht. Ähnlich anderen Zusammensetzungen hoher Qualität bestehen C-C-Werkstoffzusammensetzungen aus einer Verstärkung kontinuierlicher Fasern (Graphitfasern), welche innerhalb einer Matrixphase gehalten sind (Karbonphase). Abweichend von anderen Werkstoffzusammensetzungen bestehen sowohl die Verstärkungsbestandteile als auch die Matrixbestandteile im Wesentlichen aus reinem Kohlenstoff. Herausragende wünschenswerte Eigenschaften von C-C-Materialzusammensetzungen enthalten geringes Gewicht (1,4–1,9 g/cm³), niedriger Reibungskoeffizient, gute Widerstandsfähigkeit gegenüber Ermüdung und Schockfestigkeit, Feuchtigkeitswiderstandsfähigkeit, kein Ausgasen, gute Bioverträglichkeit, Strahlungswiderstandsfähigkeit, niedriger thermischer Ausdehnungskoeffizient (in den meisten Fällen anisotrop), außerordentliche Festigkeitsbeibehaltung abhängig von der Temperatur, und die Werkstoffe schmelzen nicht oder erweichen sich nicht bei hohen Temperaturen. Rohmaterialien aus Graphitfasern (abhängig vom Fasertyp) und Matrixvorgänger in aufsteigender Richtung sind im Allgemeinen nicht teuer. Der Matrixfüllungsvorgang und Verdichtungsvorgang sind beide zeitintensiv und energieintensiv und daher teuer.
Es bestehen verschiedene Verstärkungsarchitekturen, welche im Stand der Technik von C-C-Zusammensetzungen verwendet werden. Die am häufigsten verwendete Architektur ist gewebtes Graphit, welches zu Laminaten (2-D) aufeinander gelegt wird. Es gibt auch 3-dimensionale und 4-dimensionale gewebte Strukturen, welche beträchtlich teurer sind als Tuch oder Gewebe. Andere Verstärkungsarchitekturen umfassen Vielfaserstränge, welche als Bündel oder als Stränge bezeichnet werden, zerhackte, diskontinuierliche Fasermatten und andere diskontinuierliche Verstärkungsformen. Unabhängig von der Verstärkungsarchitektur werden die C-C-Werkstoffzusammensetzungen durch Harzimprägnierung oder Packungsimprägnierung, gefolgt von einer Härtung (thermische Aushärtung und Pyrolyse) gefertigt. Um ein Zusammensetzungsmaterial geringer Porosität zu erreichen, sind mehrfache Arbeitszyklen der Imprägnierung und der Pyrolyse möglicherweise erforderlich.
Der faserverstärkte Spiegel wird im Allgemeinen durch einfaches Hinzugeben der dünnen Schicht von Sub-Mikro-Fasern oder Fäserchen zu der Bauteilfolge für einen bekannten faserverstärkten zusammengesetzten Matrixspiegel erzeugt. Die zusätzliche Kompliziertheit, Zeitaufwändigkeit und Ausgabe zur Erzeugung des hier angegebenen zusammengesetzten Spiegels sind minimal. Das Ergebnis ist die Beseitigung des Durchzeichnungseffektes.
Eine beispielsweise Herstellungsabfolge ist in 5 dargestellt. Schichten von Tuch (gewobene Stränge von Graphitfasern) und ein Matrixvorläufer werden in eine Form eingelegt, welche entsprechend der Gestalt der Rückseite des gewünschten Spiegels geformt ist (Schritt 100). Eine weitere Form, welche nahezu entsprechend der Gestalt der Vorderseite des Spiegels geformt ist, wird auf das Tuch aufgelegt. Die Anordnung wird in einen Ofen niedriger Temperatur gesetzt und langsam auf eine Temperatur von beispielsweise 750 Grad Celsius erwärmt, wodurch der Matrixvorläufer in einen teilweise karbonisierten Feststoff oder einen „grünen" Körper umgewandelt wird (Schritt 102). Nach der Abkühlung wird die vorderseitige Form entfernt. Eine Mischung von Submikron-Fäserchen und ein Matrixvorläufer wird über die Frontoberfläche des Graphit-Gewebesubstrates aufgesprüht (Schritt 104). Eine zweite Form, welche genauer der Gestalt der Frontseite des gewünschten Spiegels entspricht, wird auf die Submikron-Fäserchen-Schicht gelegt. Die Anordnung wird zurück in den Ofen niedriger Temperatur gesetzt und langsam auf eine Temperatur von beispielsweise 800 Grad Celsius erhitzt, welche den gesamten Matrixvorläufer auf einen Punkt karbonisiert, bei dem eine weitere Erhitzung nicht die Matrix erweicht (Schritt 106). Es kann möglich sein, sowohl die Gewebeschicht als auch die Fäserchenschicht in einem Schritt zu karbonisieren, bei welchem die Tuchschicht, die Fäserchenschicht und der Matrixvorläufer in die Form eingebracht werden und dann in den Niedertemperaturofen gebracht werden.
Das zusammengesetzte Karbonsubstrat wird aus den Formen entfernt und beispielsweise in eine Diamantspitzen-Drehmaschine eingespannt und die Frontfläche wird präzise abgedreht, beispielsweise 0,1 mm von der Grenze der endgültigen gewünschten Oberfläche (Schritt 108). Die Anordnung wird in einen Hochtemperaturofen gesetzt und auf eine Temperatur von beispieisweise 3200°C erhitzt, was hoch genug ist, um Teile der Matrix oder die gesamte Matrix zu graphittieren (Schritt 110). Das Substrat wird aus den Formen entfernt und in eine Kammer eingebracht, wo 0,2 mm aus Siliziummonoxid abgelagert werden (Schritt 112). Das Substrat wird dann mit einer Diamantspitze abgedreht (oder poliert), um die Siliziummonoxidschicht in die Form der gewünschten optischen Oberfläche zu bringen, wobei etwa 0,1 mm entfernt werden (Schritt 114). Das Substrat wird in eine andere Kammer eingebracht, wo etwa 0,001 mm eines reflektierenden Materials auf die optische Oberfläche abgelagert werden, um die Spiegeloberfläche zu bilden (Schritt 116). Der Spiegel wird dann aus der Kammer herausgenommen.
Der Spiegel kann alternativ so aufgebaut werden, dass das faserverstärkte Substrat von der Karbonisierung bis zur Graphittierung hergestellt wird, und dann die zusätzliche von Submikron-Fäserchen gebildet wird. Diese Lösung kann eine bessere Imprägnierung der Tuchschichten erleichtern und daher eine niedrigere Porosität des Substrates bewirken. Der Kompromiss besteht allerdings in der Verdopplung einiger weniger Schritte.
Wie in 6 dargestellt, wird ein graphittiertes faserverstärktes Substrat in einer Form (Schritt 120) erzeugt. Mehrfache Zyklen einer Imprägnierung und Pyrolyse (Hinzufügung des Matrixvorläufers und Einwirkung der Wärme) können erforderlich sein, um das Substrat mit der gewünschten Porosität zu erzeugen. Danach wird eine Mischung von Submikron-Fäserchen und eines Matrixvorläufers über die Frontoberfläche des graphittierten Gewebesubstrates (Schritt 122) aufgesprüht. Eine zweite Form liegt näher an der Gestalt der Frontseite des gewünschten Spiegels und wird auf die Submikron-Fäserchen-Schicht aufgelegt. Die Anordnung wird zurück in den Ofen niedriger Temperatur gesetzt und langsam auf eine Temperatur von beispielsweise 800°C erhitzt, was den gesamten Matrixvorläufer auf den Punkt hin karbonisiert, bei welchem eine weitere Erhitzung nicht die Matrix erweicht (Schritt 124). Das zusammengesetzte karbonisierte Substrat wird aus den Formen herausgenommen und die Frontfläche wird präzise auf 0,1 mm von der gewünschten Oberflächenform abgedreht (Schritt 126). Die Anordnung wird in einen Hochtemperaturofen eingebracht und auf eine Temperatur von beispielsweise 3200°C erhitzt, was hoch genug ist, um einige Teile oder die gesamte Matrix zu graphittieren (Schritt 128). Das Substrat wird aus den Formen herausgenommen und in einer Kammer angeordnet, in welche 0,2 mm von Siliziummonoxid abgelagert werden (Schritt 130). Das Substrat wird dann mit einer Diamantspitze abgedreht oder poliert, um die Siliziummonoxidschicht in die gewünschte Form der optischen Oberfläche zu bringen, wobei etwa 0,1 mm entfernt werden (Schritt 132). Das Substrat wird in eine andere Kammer eingebracht, in welcher etwa 0,001 mm eines reflektierenden Materials auf der optischen Oberfläche aufgebracht werden, um die Spiegeloberfläche zu bilden (Schritt 134). Der Spiegel wird dann aus der Kammer entfernt.
Während verschiedene beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, ergeben sich für die Fachleute zahlreiche Variationen und alternative Ausführungsformen. Beispielsweise können Materialien wie Aluminiumoxid, Siliziumkarbid, Bohrkarbid oder Bohrnitrid verwendet werden, um die Fasern herzustellen, anstatt Graphit zu verwenden. Bündelung und eine Webung eines Tuches können gröbere Fasern eine Matte bilden oder es können stark verdichtete gepackte Fäserchen verwendet werden, um die verstärkte Matrix herzustellen. Der Umfang der Erfindung ist durch die anliegenden Ansprüche bestimmt.

Claims

Spiegel, welcher folgendes umfasst: ein faserverstärktes Substrat (46), welches erste Fasern (50) enthält, die in einem grob strukturierten Muster (42) angeordnet sind, wobei die ersten Fasern (50) zu Strängen (48) gebündelt und zu einem Tuch (42) gewebt sind, das einen ersten Maßstabsfaktor aufweist, der durch einen durchschnittlichen Abstand von Mitte zu Mitte der Stränge bestimmt ist; eine Oberfläche 855) optischer Qualität auf dem Substrat; einen reflektierenden optischen Belag (58) auf der Oberfläche optischer Qualität; gekennzeichnet durch eine faserverstärkte Schicht (52) zwischen dem Substrat und der Oberfläche optischer Qualität, wobei die faserverstärkte Schicht zweite Fasern (54) mit Submikrondurchmesser enthält, welche in einer feinen Struktur (60, 62, 66) angeordnet sind, welche ein Durchzeichnen des grob strukturierten Musters (42) von dem Substrat (46) zu der Oberfläche optischer Qualität hin zerstreut; wobei die feine Struktur (60, 62, 66) der zweiten Fasern einen zweiten Maßstabfaktor aufweist, welcher durch einen durchschnittlichen Abstand von Mitte zu Mitte der Fasern bestimmt ist, der mindestens eine Größenordnung kleiner als der genannte erste Maßstab ist.
Spiegel nach Anspruch 1, bei welchem die Oberfläche optischer Qualität eine anfängliche Oberflächenqualität von nicht schlechter als 10 nm des quadratischen Mittelwertes hat, wobei die genannte Faserverstärkungsschicht das Durchzeichnen des grob strukturierten Musters zerstreut, um die Oberflächenqualität auf einem besseren Wert als 15 nm des quadratischen Mittelwertes zu halten.
Spiegel nach Anspruch 1, bei welchem die ersten Fasern (50) mindestens 1 μm im Durchmesser haben und in Stränge (48) mit einem Durchmesser von mindestens 0,5 mm gebündelt und in ein Tuch (42) gewebt sind und die genannten zweiten Fasern statistisch angeordnete Fäserchen (60) ein nicht gebündeltes Gewebe von Fasern (62) oder eine Matte von Fasern (66) enthalten.
Spiegel nach Anspruch 4, bei welchem die zweiten Fasern Fäserchen enthalten, die aus Kohlenstoff-Nanoröhren gebildet sind, die einen Durchmesser von weniger als 0,1 μm aufweisen.
Spiegel nach Anspruch 3, bei welchem die faserverstärkte Schicht (52) statistisch angeordnete Fäserchen (60) mit einem Durchmesser von weniger als 0,3 μm und einer Länge von mindestens dem 100-fachen des Durchmessers aufweisen.
Spiegel nach Anspruch 3, bei welchem die faserverstärkte Schicht (52) ein nicht gebündeltes Gewebe (62) von kontinuierlichen zweiten Fasern (64) enthält.
Verfahren zur Herstellung eines Spiegels, welches folgendes aufweist: Einlegen eines Fasergewebes, das erste Fasern enthält, welche in einem groben strukturellen Muster angeordnet sind, wobei die ersten Fasern (50) in Strängen (48) gebündelt sind und zu einem Tuch (42) gewebt sind, das einen ersten Maßstabsfaktor hat, welcher durch einen durchschnittlichen Abstand von Mitte zu Mitte der Stränge bestimmt ist, in eine Form mit einer vorbestimmten Gestalt (100) einer optischen Fläche; Einlegen von zweiten Fasern mit Submikrondurchmesser, welche in einer feinen Struktur angeordnet sind, welche einen zweiten Maßstabsfaktor aufweist, der durch einen durchschnittlichen Abstand von Mitte zu Mitte der Fasern bestimmt ist, wobei der Maßstabsfaktor mindestens eine Größenordnung kleiner als der erste Maßstabsfaktor ist, auf das Tuch (42); Hinzufügen eines Matrix-Vorläufers (104); Vorerwärmen der Form zum Karbonisieren des Vorläufers (102, 106); Erhitzen der Form zum Grafitieren der Matrix (110); Bilden einer Oberfläche optischer Qualität auf der verstärkten Matrix (108, 112, 114); und Bilden eines reflektierenden optischen Belages auf der Oberfläche optischer Qualität (116) so dass die feine Struktur von zweiten Fasern mit Submikrondurchmesser die Durchzeichnung des groben strukturellen Musters der ersten Fasern auf der Oberfläche optischer Qualität zerstreut.
Verfahren nach Anspruch 7, bei welchem die Oberfläche optischer Qualität durch Bearbeiten der Oberfläche der verstärkten Matrix mit den zweiten Fasern mit Submikrondurchmesser; durch Ablagern einer Metallschicht, Halbmetallschicht oder keramischen Schicht; und Bearbeiten der Schicht gebildet wird, um die Oberfläche optischer Qualität herzustellen, welche eine anfängliche Oberflächenqualität von nicht schlechter als 10 nm des quadratischen Mittelwertes hat und die faserverstärkte Schicht ein Durchzeichnen des groben strukturellen Musters zerstreut, um eine Oberflächenqualität aufrecht zu erhalten, welche besser als 15 nm des quadratischen Mittelwertes ist.
Verfahren nach Anspruch 7, bei welchem die ersten Fasern einen Durchmesser von mindestens 1 μm haben und in Stränge gebündelt werden, welche einen Durchmesser von mindestens 0,5 mm haben und welche in das Fasertuch gewebt werden, und bei welchem die zweiten Fasern mit Submikrondurchmesser statistisch angeordnete Fäserchen (60), ein nicht gebündeltes Gewebe (62) oder eine Fasermatte (66) aufweisen.