Poröse Struktur
Die Erfindung betrifft eine poröse Struktur mit einem Nullaus¬ dehnungsmaterial. Leichtgewichtsstrukturen aus Nullausdehnungs¬ material sind insbesondere als Tragkörper zum Aufbau von großen Spiegelteleskopen und dergleichen von Interesse.
Aus der EP 0 507 000 Al ist eine Leichtgewichtsstruktur für ein Spiegelteleskop bekannt, die einen porösen Körper aufweist, der aus Quarzglas oder einem hochsilikathaltigen Glas besteht. Der poröse Körper ist mit einer Deckplatte, die als Basis für eine Spiegeloberfläche dienen kann, unter Verwendung von Glaspulver
gebondet und kann zusätzlich an der Rückseite und den Seiten¬ flächen mit Deckplatten versehen sein.
Aus der DE 35 44 879 Al ist ferner ein Träger für einen Spiegel oder dergleichen bekannt, der einen porösen Körper aus Glas¬ schaum als Stützkörper verwendet, wobei es sich um ein auf dem Bausektor zur Wärmeisolierung von Gebäuden üblichen Glasschaum handelt. Dieser poröse Körper aus Glasschaum wird wiederum mit einer massiven Deckplatte an der Vorderseite und ggf. Rückseite verbunden, wozu ein Klebstoff verwendet wird.
Die Herstellung eines porösen Körpers aus Quarzglas oder einem hochsilikathaltigen Glas ist wegen der notwendigen hohen Tempe¬ raturen außerordentlich aufwändig. Verwendet man dagegen einen Glasschaumkörper aus handelsüblichem Material, wie er in der Bauindustrie für Isolierzwecke benutzt wird, so hat der sich ergebende Tragkörper keine ausreichende Präzision, um den hohen Anforderungen gerecht zu werden, die heutzutage gestellt wer¬ den. Insbesondere ist der thermische Ausdehnungskoeffizient deutlich zu hoch.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Struktur aus einem Nullausdehnungsmaterial mit einem möglichst geringen Gewicht anzugeben, die insbesondere als Stützstruktur für opti¬ sche Präzisionsbauteile verwendet werden kann und bspw. zur Herstellung von Spiegelteleskopen und dergleichen verwendet werden kann. Dabei soll eine geringe thermische Ausdehnung mit möglichst geringem Gewicht realisiert werden.
Ferner soll ein geeignetes Verfahren zur Herstellung einer solchen Struktur angegeben werden.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine poröse Struktur mit einem Nullausdehnungsmaterial (NZTE) gelöst, wobei die thermische Ausdehnung der porösen Struktur im Bereich zwischen 0 und 500C geringer als ±1 • 10"6/K ist und die Dichte geringer als 2,5 g/cm3 ist.
Die Aufgabe der Erfindung wird ferner durch ein Verfahren zum Herstellen einer porösen Struktur aus einem Nullausdehnungsma¬ terial gelöst, bei dem ein Grünling, der zumindest ein Nullaus¬ dehnungsmaterial enthält, zu einem porösen Körper mit einer thermischen Ausdehnung von weniger ±1 • 10'6/K gesintert wird.
Die Aufgabe der Erfindung wird auf diese Weise vollkommen ge¬ löst.
Durch die Ausbildung einer porösen Struktur wird die Dichte erheblich verringert, so dass das Gewicht der Struktur deutlich verringert wird. Durch die Verwendung eines Nullausdehnungsma¬ terials (NZTE: Near .Zero Thermal Expansion) ergibt sich eine Struktur, die eine besonders hohe Präzision aufweist, insbeson¬ dere bei Temperaturschwankungen, wie sie etwa bei Raumfahrtan¬ wendungen auftreten, nur äußerst geringe, thermisch induzierte Längenänderungen erfährt. Bei derartigen Nullausdehnungsmateri¬ alien handelt es sich typischerweise um LAS-Glaskeramiken (Li- thium-Aluminosilikat-Glaskeramiken) , die einen Hochquarz- und/oder Keatit-Kristallanteil aufweisen, der je nach Zusammen¬ setzung und thermischer Behandlung in relativ weiten Grenzen eingestellt werden kann und wodurch sich insgesamt eine sehr niedrige thermische Ausdehnung erzielen lässt.
Unter einem Nullausdehnungsmaterial wird im Sinne dieser Anmel¬ dung ein Material verstanden, dessen thermischer Ausdehnungsko¬ effizient im Anwendungstemperaturbereich von z.B. 0 bis 50 0C kleiner als ± l'10"6/K ist. Im engeren Sinne wird hierunter ein Material verstanden, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient im Anwendungstemperaturbereich von 0 bis 50 0C kleiner als ± 0,5-10"6/K, weiter kleiner als ± 0,1-10"VK ist, insbesondere kleiner als ± 0,05-10~6/K ist bzw. kleiner ± 0,02- 10"VK ist.
Ein von der Anmelderin vertriebenes Nullausdehnungsmaterial ist unter der Marke Zerodur® bekannt. Hierbei handelt es sich um eine Lithiumaluminosilikat-Glaskeramik (LAS-Glaskeramik) .
Daneben sind andere Nullausdehnungsmaterialien bekannt, wie etwa die Glaskeramik ULE®, bei dem es sich um ein flammenhydro¬ lytisch hergestelltes Quarzglasprodukt handelt, das mit TiO2 dotiert ist. Auch Clearceram® ist ein bekanntes Nullausdeh¬ nungsmaterial.
In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung enthält der poröse Körper der Leichtgewichtsstruktur somit eine LAS-Glaskeramik, insbesondere die Glaskeramik Zerodur® oder das Nullausdehnungs¬ material ULE®.
Die Dichte des porösen Körpers beträgt vorzugsweise weniger als 2 g/cm3, vorzugsweise weniger als 1,75 g/cm3, besonders bevor¬ zugt weniger als 1,5 g/cm3.
In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung ist die poröse Struktur an mindestens einer Fläche mit einem kompakten Körper
gebondet, der vorzugsweise aus einem Nullausdehnungsmaterial besteht.
Auf diese Weise lassen sich hochpräzise optische Bauteile her¬ stellen. Zur Verbindung mit dem kompakten Körper kann etwa ein Glasbindemittel, wie etwa ein Glaslot, eine Glasfritte, ein Klebstoff oder dergleichen verwendet werden, oder die Verbin¬ dung kann durch Low-Temperature-Bonding oder mechanisches Bon¬ den hergestellt werden.
Je nach dem gewählten Verfahrensroute kann die poröse Struktur auf verschiedene Weisen hergestellt werden. Es wird eines der bekannten keramischen Formgebungsverfahren verwendet, wie etwa Schlickergießen, Pressen, kaltisostatisch Pressen, Spritzgie¬ ßen, Foliengießen, Extrudieren, um einen Grünling herzustellen, der anschließend gesintert wird.
Hierbei können dem Ausgangsmaterial Treibmittel zugesetzt wer¬ den, die während des Sinterprozesses Gase frei setzen. Hierzu gehören bspw. NaCl, NaCO3, Wasser, Kunststoffpartikel, insbe¬ sondere Polystyrol-Kügelchen usw. Auch kann durch die Art der Sinteratmosphäre und durch den Druck der Sinterprozess beein- flusst werden und die Herstellung eines Schaumproduktes geför¬ dert werden.
Ein Sintern im Vakuum oder unter Druck, sowie Kombinationen von Sintern unter Vakuum und Druck ggf. unter verschiedenen Atmo¬ sphären sind vorteilhaft. Ein wesentlicher Parameter zur Steue¬ rung des Sinterprozesses ist die Atmosphäre in Kombination mit der Zusammensetzung des Grünlings bzw. dessen Verunreinigungen. Je kleiner die mittlere Partikelgröße des Grünlings, desto
größer ist der potentielle Einfluss der Atmosphäre. So kann z.B. mit Sauerstoff und Wasser die Sinterung direkt verlangsamt oder beschleunigt werden. Inerte Gase mit großen Radien wie Argon verlangsamen die Sinterung bei geschlossener Porosität. Außerdem können polyvalente Ionen wie z.B. Fe je nach Oxidati- onszustand die Viskosität von Gläsern und damit ihr Sinterver¬ halten beeinflussen. Der Oxidationszustand kann durch die Atmo¬ sphäre beeinflusst werden.
Durch die Zugabe von Gas freisetzenden Stoffen kann gezielt eine offene Porosität eingestellt werden. So kann z.B. NaCl- Pulver nach dem Sinterprozess in Wasserbädern wieder ausgelöst werden.
Ein Sintern in einer bestimmten Gasatmosphäre kann entscheidend dazu beitragen, die geeignete Porosität einzustellen. So be¬ günstigen schwer durch das Glas diffundierende bzw. gering lösliche Gase wie Argon, Stickstoff oder CO2 das Ausbilden von Porosität.
Durch die Mischung verschiedenartiger Pulver können die Porosi¬ tät und andere Eigenschaften wie etwa der thermische Ausdeh¬ nungskoeffizient (CTE), die mechanischen Eigenschaften wie etwa die Festigkeit gezielt beeinflusst werden. So kann z.B. ein Pulver aus einem Nullausdehnungsmaterial mit zumindest einem weiteren Pulver vermischt werden, das aus einem anderen Materi¬ al besteht oder eine andere Partikelgrößenverteilung, eine andere Form und/oder ein anderes Aspektverhältnis aufweist.
Als Ausgangsmaterial können Pulver verwendet werden, die Glas¬ partikel enthalten und die während des Sinterprozesses oder nach dem Sinterprozess keramisiert werden.
Daneben ist auch die Verwendung von bereits keramisiertem Pul¬ ver denkbar, das ggf. mit teilweise nicht keramisiertem Pulver vermischt wird.
Die Pulver können durch gängige Mahlverfahren z.B. mittels Walzmühlen, Trommelmühlen, Schwingmühlen, Rührwerksmühlen oder Gegenstrahlmühlen hergestellt werden. Sowohl trockene als auch nasse Mahlverfahren, bei denen z.B. Wasser oder organische Mahlhilfsmittel zugesetzt werden, kommen in Frage. Im Falle der nassen Aufbereitung sind unterschiedliche Trocknungsverfahren wie z.B. Sprühtrocknung oder Gefriertrocknung möglich.
Neben Mahlverfahren können die Pulver auch durch PVD, CVD oder Fällungsverfahren (z.B. Sol-Gel-Verfahren) hergestellt werden.
Schließlich kann die poröse Struktur mit einem anderem Materi¬ al, insbesondere mit einem Glas in feiner Glaskeramik infilt¬ riert werden, insbesondere an der Oberfläche.
Hierdurch lässt sich eine Struktur mit besonders hoher Festig¬ keit erzeugen.
Ferner kann durch die Infiltration eine Vorspannung der porösen Struktur erzeugt werden.
Hierdurch lässt sich eine weitere Erhöhung der Festigkeit er¬ zielen.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung werden Mischungen von Precursoren für Glaskeramiken mittels eines keramischen Formgebungsverfahrens verarbeitet und anschließend gesintert, wobei die Glaskeramiken während des Sinterns oder bei einem nachfolgenden Keramisierungsschritt erzeugt werden.
So kann z.B. ein Glaspartikelpulver mit der Glaszusammensetzung von ULE® oder Kombinationen aus Ti02-Nanopartikeln und SiO2- Pulvern verwendet werden, die während des Sinterns zu ULE® reagieren.
In zweckmäßiger Weiterbildung der Erfindung wird die poröse Struktur an zumindest einer Fläche mit einem kompakten Körper gebondet, der vorzugsweise gleichfalls aus einem Nullausdeh¬ nungsmaterial besteht.
Auf diese Weise können hochpräzise Leichtgewichtsstrukturen erzielt werden.
Der Sinterprozess wird vorzugsweise durch die Auswahl einer geeigneten Partikelgrößenverteilung sowie der geeigneten Mi¬ schungen von Ausgangsmaterialien, der Atmosphäre und des ge¬ wählten Temperaturprogramms so angepasst, dass bei möglichst geringer Enddichte eine möglichst große Festigkeit erzielt wird. Während beim Sintern mit einer möglichst geringen Tempe¬ ratur gearbeitet wird, wird der Prozess vorzugsweise so gesteu¬ ert, dass stark ausgebildete Sinterhälse erzielt werden, womit eine hohe Festigkeit erzielbar ist.
Als Anwendungsfelder für die erfindungsgemäße Leichtgewichts¬ struktur kommen insbesondere in Betracht: Astronomiespiegelträ-
ger, Hochpräzisionsmesstechnik, Trägersysteme für Großoptiken (Mikrolithographie) , optische Bänke, Messtechnik, Space-Astro- Anwendungen, EUV-Lithographie, Wafer, mechanische Komponenten mit Nullausdehnung.
Erfindungsgemäß bevorzugt sind LAS-Glaskeramiken wie etwa Zero- dur®, die gegenüber anderen Nullausdehnungsmaterialien, wie etwa ULE® eine deutlich moderatere Sintertemperatur aufweisen und somit deutlich einfacher verarbeitet werden können. Im Vergleich zu Beryllium weisen sie eine deutlich niedrigere thermische Ausdehnung auf und sind nicht toxisch; im Vergleich zu SiC weisen sie eine deutlich geringere thermische Ausdehnung auf.
Die verwendeten Pulver weisen d50-Werte zwischen 0,01 Mikrome¬ ter bis zu 1 Millimeter auf. Es können auch Pulver mit unter¬ schiedlicher Partikelgröße gemischt werden, um spezielle Grün¬ dichten zu erreichen.
Daneben können auch Pulver verwendet werden, die im Inneren einen Hohlraum aufweisen. Die möglichen Partikelformen umfassen weiterhin „Flakes", Fasern, Kugeln. Partikelformen mit großen Aspektverhältnissen wie Fasern und Flakes können vorteilhaft zur Dichtereduzierung bei gleichzeitig hoher Festigkeit Verwen¬ dung finden.
Zur Verwendung eines Schlickergussverfahrens können Gründichten zwischen 50 und 80 % theoretischer Dichte eingestellt werden. Ein Spritzguss kann mithilfe von Thermoplasten, wie z.B. PoIy- olefinen, ausgeführt werden. Durch die Reduzierung der zu ver-
arbeitenden Gesamtmasse wird auch die Prozesszeit deutlich reduziert.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nach¬ stehend noch zu erläuternden Merkmale der Erfindung nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung. Es zeigen:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemä¬ ßen porösen Struktur, die mit massiven Körpern in Form von Stäben verstärkt ist, in perspektivischer Darstellung und
Fig. 2 eine Seitenansicht eines weiteres Ausführungsbei¬ spiels einer erfindungsgemäßen porösen Struktur, die mit einem massiven Körper gebondet ist.
In Fig. 1 ist eine erste Ausführung einer erfindungsgemäßen porösen Struktur perspektivisch dargestellt und insgesamt mit Ziffer 10 bezeichnet. Die Struktur 10 besteht aus einem Block aus porösem Nullausdehnungsmaterial Zerodur®, in dem eine Mehr¬ zahl von Stäben 14 aus massivem Zerodur® eingebettet sind. Durch die parallel zueinander angeordneten Stäbe wird die Struktur 10 verstärkt, wodurch insbesondere die Festigkeit gegenüber einer rein porösen Struktur verbessert wird. Alterna-
tiv könnte statt massiver Stäbe auch Rohre zur Verstärkung verwendet werden.
In Fig. 2 ist eine zweite Ausführung einer erfindungsgemäßen porösen Struktur schematisch dargestellt und insgesamt mit 10a bezeichnet. Die Struktur 10a weist einen Block 12 aus porösem Nullausdehnungsmaterial Zerodur® auf, der mit einem Körper 18 aus massivem Zerodur® durch eine Bondingschicht aus aufge¬ schmolzener Fritte (Grünmaterial) aus Zerodur® verbunden ist. Alternativ könnte eine Verbindung auch auf andere Weise erfol¬ gen, z.B. mittels eines Glaslotes oder eines Klebers.
Beispiel 1
Ein LAS-Glas wird mit Kugelmühlen auf eine Korngröße d50 von 6 μm gemahlen. Das Pulver wird anschließend kaltisostatisch verpresst. Die Gründichte des Presslings liegt bei ca. 50 % der theoretischen Dichte. Anschließend wird der Grünling bei 7000C 12 Stunden lang unter Normalatmosphäre gesintert. Die Enddichte liegt bei 68 % der theoretischen Dichte. Anschließend wird ein Keramisierungsschritt zur vollen Ausbildung einer Hochquarz¬ mischkristallphase und zur Einstellung der niedrigen thermi¬ schen Ausdehnung durchgeführt.
In einem Finishing-Schritt wird bis zu einer Tiefe von ca. 50 bis 100 μm ein Infiltrationsglas bei 5000C infiltriert. Die Dehnung des Glases beträgt 7 ppm/K.
Beispiel 2
Zwei Pulver mit d50-Werten von 4 μm und 50 μm werden im Ver¬ hältnis von 50 Gew.-% zu 50 Gew.-% gemischt und verpresst. Die Gründichte liegt bei ca. 52 Gew.-%. Der Grünling wird bei 7000C 10 Stunden lang gesintert. Anschließend erfolgt eine Keramisie- rung bei 8600C über eine Zeitdauer von 5 Stunden. Die Enddichte liegt bei 72 % der theoretischen Dichte.
Beispiel 3
Proben aus Zerodur®, die durch Sintern von Grünglas der übli¬ chen Zusammensetzung von Zerodur® bei 830 0C, 850 0C bzw. 875 0C hergestellt wurden, wurden durch XRD untersucht. Als kri¬ stalline Hauptphase ergab sich Hochquarzmischkristall. Zusätz¬ lich wurde in geringer Menge Zirkon-Titanat (ZrTiO4) identifi¬ ziert. Als Kristallitgrößen wurden 45 nm, 51 nm und 46 nm an Proben bestimmt, die bei 830 0C, 850 0C bzw. 875 0C gesintert waren.
Damit können durch den Sinterprozess grundsätzlich die gleichen Kristallphasen und Kristallitgrößenverteilungen wie bei massi¬ vem Zerodur® eingestellt werden. Durch eine Optimierung des Sinterprozesses kann der CTE gezielt auf das gewünschte Null¬ ausdehnungsverhalten eingestellt werden.
Durch eine andere Verfahrensführung, insbesondere Sinterung bei höherer Temperatur, lässt sich der Vorgang jedoch auch so steu¬ ern, dass sich Keatit als überwiegende Kristallphase ergibt, soweit dies für den jeweiligen Anwendungsfall gewünscht ist.