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Dokumentenidentifikation DE60030354T2 31.10.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001052725
Titel Verfahren und Herstellung für eine elektromagnetische wellen reflektierende Oberfläche
Anmelder Astrium SAS, Paris, FR
Erfinder Van Den Berghe, Jean-Louis, 78410 Flins sur Seine, FR
Vertreter Meissner & Meissner, 14199 Berlin
DE-Aktenzeichen 60030354
Vertragsstaaten DE, ES, GB, IT
Sprache des Dokument FR
EP-Anmeldetag 02.05.2000
EP-Aktenzeichen 004012043
EP-Offenlegungsdatum 15.11.2000
EP date of grant 30.08.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 31.10.2007
IPC-Hauptklasse H01Q 15/14(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft reflektierende Oberflächen für elektromagnetische Wellen, wie Reflektoren für eine Antenne, elektromagnetische Abschirmungen, Wellenleiter, etc. ... sowie ein Verfahren zur Herstellung dieser Oberflächen.

Es sind bereits reflektierende Oberflächen für elektromagnetische Wellen bekannt – nachfolgend Reflektionsflächen genannt-, die zum Beispiel durch Tiefziehen in Form gebrachte Metallbleche hergestellt werden, die ihnen eine selbsttragende Struktur verleihen. Jedoch weisen solche Oberflächen eine große Masse auf, derart, dass ihre Abmessungen ganz allgemein begrenzt sind. Ferner können sie aufgrund ihrer Masse nicht an Bord von Raumflugkörpern montiert werden.

Auch um diese Nachteile hinsichtlich der Masse und der begrenzten Abmessung zu beseitigen, wurde bereits vorgeschlagen, Reflektionsflächen durch Metallisieren von Trägern aus einem Verbundmaterial aus Kohlenstofffasern/Matrix aus polymerisiertem Kunstharz durch irgendein bekanntes Verfahren (Projektion, Galvanoplastik, Vakuumabscheidung, leitfähige Farbe, etc. ...) durchzuführen. Man kann so Reflektionsflächen von akzeptabler Masse und gewünschten Abmessungen erhalten. Dennoch haben diese Reflektionsflächen Nachteile. Zu aller erst stellt man fest, dass die geradlinigen Abschnitte der Kohlenstofffasern dieser Träger eine unerwünschte parasitäre Polarisation in die durch die Oberflächen reflektierte elektromagnetische Strahlung einführen. Dies passiert aufgrund dessen, dass die Kohlenstofffasern, welche zum Teil die einfallende elektromagnetische Strahlung reflektieren, sowie das polymerisierte Kunstharz der Matrix, das zwischen den Fasern angeordnet ist, für die Strahlung relativ durchlässig sind.

Ferner können sich zwischen den gegenüber liegenden Enden gebrochener Kohlenstofffasern – diese Fasern sind leitend – lokale parasitäre elektrische Entladungen ergeben, was Störungen in der reflektierten Strahlung erzeugt.

Schließlich weist die Metallisierung der Verbundträger ganz allgemein einen derart glatten Oberflächenzustand auf, dass die durch einen solchen Reflektor erhaltene Wärmestrahlung auf den Brennpunkt desselben konzentriert ist. Wenn sich zudem die Quelle des Reflektors im Brennpunkt befindet, ist es notwendig, diese Quelle thermisch zu schützen, zum Beispiel indem die aktive Oberfläche des Reflektors mit einer Streufarbe überzogen wird.

Die vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, die Nachteile von Reflektionsflächen an Verbundträgern zu beseitigen und dennoch zu ermöglichen, Reflektionsflächen vergleichbarer Leichtigkeit zu erhalten.

Zu diesem Zweck ist gemäß der Erfindung die steife Reflektionsfläche für elektromagnetische Wellen, insbesondere für einen Antennenreflektor, eine elektromagnetische Abschirmung und Wellenleiter, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einem Geflecht von elektrischen Leiterdrähten gebildet ist, die oberflächlich aus einer diffusionsbeständigen Metalllegierung gebildet ist, was die Verbindung der Drähte untereinander und die Steifigkeit der Oberfläche gewährleistet.

So werden mit der vorliegenden Erfindung die Kohlenstofffasern und ihre Nachteile (parasitäre Polarisation und Entladungen an Bruchstellen) weggelassen. Im Übrigen kreuzen sich dann in dem Geflecht die Leiterdrähte unter Bildung von Mikrofacetten, wobei die Oberfläche, wenn sie in Form eines Antennenreflektors vorliegt, die Wärmeenergie nicht mehr auf einen einzigen Brennpunkt fokussiert; im Gegensatz dazu geht die Wärmeenergie durch einen Brennflecken. Daher wird die Quelle einem schwächeren Wärmefluss ausgesetzt und kann der Wärmeschutz für die Quelle und den Reflektor weniger komplex sein. Es ist nicht mehr notwendig, die aktive Oberfläche des Reflektors mit Streufarbe zu überziehen, was die durch diese erzeugten Verzerrungen beseitigt.

Um eine steife Reflektionsfläche gemäß der vorliegenden Erfindung zu erhalten, kann:

  • – ein weiches Gewebe aus elektrisch leitenden Fasern hergestellt werden, deren Oberfläche metallisch und einem Metallzusatz versehen ist, wobei der Metallzusatz einen niedrigeren Schmelzpunkt als das Oberflächenmetall der Fasern hat und der Metallzusatz und das Oberflächenmetall so ausgebildet sind, dass sie wechselseitig ineinander diffundieren, wenn sie auf eine Temperatur von wenigstens gleich dem Schmelzpunkt des Metallzusatzes gebracht werden, um eine diffusionsbeständige Metalllegierung zu bilden, deren Schmelztemperatur höher als der Schmelzpunkt des Metallzusatzes ist und in Richtung des Schmelzpunktes des Metallzusatzes mit der Intensität der Diffusion zunimmt;
  • – das weiche Geflecht in die gewünschte Form für die steife Reflektionsfläche für elektromagnetische Wellen geformt wird; und
  • – die Temperatur des weichen, so geformten Geflechts über den Schmelzpunkt des Metallzusatzes hinaus erhöht wird, um die Bildung der Metalllegierung aus der Diffusion zu erhalten, was die Verbindung der Fäden untereinander und die Versteifung des Geflechts nach sich zieht, das dann die steife Oberfläche bildet.

Dieses weiche Geflecht kann in unterschiedlicher Weise hergestellt werden, zum Beispiel durch Strickwerk, Gespinstumflechtung, Flechtwerk, Wattierung, Gewebebildung oder auch durch die Durchführung von Herstellungsverfahren für Vliesprodukte. Jedoch werden Geflechte in Form von Strickwerk besonders vorteilhaft beschichtet, insbesondere was die Diffusion des von der Reflektionsfläche erhaltenen Wärmeflusses betrifft.

Die elektrisch leitenden Fasern können aus einem Metallkern bestehen, der von dem Metallzusatz überzogen ist. In diesem Fall ist somit das Oberflächenmetall dasjenige des Kerns. In einer Variante können indessen die elektrisch leitenden Fasern aus einer Mehrzahl von koaxialen Schichten gebildet werden, von denen wenigstens einige aus einem gegenüber dem Oberflächenmetall unterschiedlichen Material – elektrisch leitend oder möglicherweise isolierend – hergestellt sind.

Aus den Metallen, die für die Verwirklichung der elektrisch leitenden Fasern verwendet werden, können die Metalle genannt werden, die gute elektrische Leiter sind, wie Gold, Silber, Kupfer, etc. ..., oder auch Legierungen mit geringem Wärmeausdehnungskoeffizienten, wie bestimmte Eisen/Nickel-Verbindungen oder auch andere Metalle oder Metalllegierungen.

Die Zusatzmetalle werden aus den Metallen oder Legierungen mit niedrigem Schmelzpunkt ausgewählt, wie Zinn oder Indium, die geeignet sind, eine diffusionsbeständige Legierung mit dem Oberflächenmetall zu bilden.

Ausgezeichnete Ergebnisse wurden mit der Auswahl von Kupfer als Oberflächenmetall und Indium als Metallzusatz erhalten.

Der Querschnitt der elektrisch leitenden Fasern kann rund sein, mit einem Durchmesser vorzugsweise zwischen und 20 &mgr;m, oder auch abgeflacht, mit einer Dicke zwischen vorzugsweise 6 und 20 &mgr;m und einer Breite von vorzugsweise zwischen 0,2 und 1,5 mm. In diesen Fällen kann die Dicke des Überzugs des Metallzusatzes zwischen 10 Å und 1 &mgr;m betragen.

Vorzugsweise wird vorgesehen, um der Oberfläche eine gewünschte Dicke zu verleihen, einen gleichmäßigen Druck auf das geformte weiche Geflecht während der Erhöhung der Temperatur auszuüben.

Die Oberfläche gemäß der vorliegenden Erfindung kann gleichförmig ohne Löcher sein. In diesem Fall wird ein kompaktes Geflecht vorgesehen und ermöglicht die Beaufschlagung des gleichförmigen Drucks, mögliche Öffnungen des Geflechts zu verschließen. Als Variante kann die Oberfläche Löcher aufweisen, die im Augenblick der Herstellung des Geflechts vorgesehen sind.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird die durch das versteifte Geflecht erhaltende Oberfläche durch eine zwischen einer der Flächen des Geflechts eingefügte und mit diesem verbundene Verstärkung verstärkt werden. So bildet also das verstärkte Geflecht nur den aktiven Reflektionsbereich der Oberfläche. Eine solche Verstärkung kann eine Verbundstruktur aus Fasern und polymerisierter Matrix aufweisen. Es ist daher von Vorteil, dass die Verbindung der Oberfläche und der Verstärkung durch Verklebung mit Hilfe des Kunstharzes der Matrix erhalten wird, wobei die Verstärkung auf der Oberfläche ausgebildet wird. Zu diesem Zweck sollte klar sein, dass die Polymerisierungstemperatur des Kunstharzes unterhalb der Schmelztemperatur der diffusionsbeständigen Metalllegierung sein sollte.

Man sieht also, dass Dank der Erfindung eine reflektierende Oberfläche für elektromagnetische Wellen durch Lötung mittels Diffusion der elektrisch leitenden Fasern des Geflechts erhalten wird.

Mit der Durchführung der vorliegenden Erfindung werden unter Anderem Antennenreflektoren erhalten, die bei Frequenzen zwischen 18 GHz und mehr als 45 GHz arbeiten können.

Die Figuren der beigefügten Zeichnung werden verständlich machen, wie die Erfindung ausgeführt werden kann. In diesem Figuren bezeichnen identische Bezugszeichen ähnliche Elemente.

Die 1 zeigt in Draufsicht ein Beispiel eines Geflechts aus elektrisch leitenden Fasern, das bei der Durchführung der vorliegenden Erfindung verwendet wird.

Die 2 zeigt auch in Draufsicht eine Variante des Geflechts aus 1.

Die 3 und 4 zeigen Schnitte jeweils entlang Linien III-III und IV-IV der 1 und 2.

Die 5 und 6 zeigen im Schnitt Ausführungsvarianten von Leiterfäden, die verwendet werden, um ein Geflecht der 1 und 2 zu bilden.

Die 7A bis 7F zeigen unterschiedliche Phasen des Herstellungsverfahrens für einen Antennenreflektor gemäß der vorliegenden Erfindung.

In 1 ist ein Geflecht 1 aus miteinander verflochtenen, elektrisch leitenden Fäden 2 und 3 dargestellt. In 1 ist das Geflecht 1 mit dem Zweck der Vereinfachung der Zeichnung in Form eines Gewebes aus Kettfäden 2 und Schussfäden 3 dargestellt, obwohl das Geflecht 1 in vorteilhafter Weise aus Gewebemaschen gebildet sein könnte.

Es sei angemerkt, dass in dem Geflecht 1 aus 1 die elektrisch leitenden Fäden 2 und 3 untereinander Lücken 4 bilden.

Wie aus den 3 und 4 ersichtlich ist, umfasst jeder Faden 2 und 3 einen Kern 5, zum Beispiel aus Kupfer, der oberflächlich mit einem Überzug 6 aus einem Metall mit niedrigem Schmelzpunkt überzogen ist, wie beispielsweise Indium. Der Durchmesser d der Fäden 2 und 3 kann vorzugsweise zwischen 26 &mgr;m liegen, während die Dicke e des Überzugs 6 zwischen 10 Å und 1 &mgr;m betragen kann.

In der Ausführungsform aus 2 ist das Geflecht 7 ähnlich dem Geflecht 1 in 1, mit dem Unterschied, dass die leitenden Schuss- und Kettfäden 2 und 3 enger gewebt sind, um so die Lücken 4 praktisch zu beseitigen.

Es ist bekannt, dass, wenn sie auf eine Temperatur wenigstens gleich dem Schmelzpunkt von Indium erhitzt werden, das Indium und das Kupfer ineinander diffundieren, um eine diffusionsbeständige Legierung zu bilden, deren Schmelzpunkt zwischen demjenigen von Indium und demjenigen von Kupfer liegt und um so höher als die Temperatur ist, der Kupfer und Indium ausgesetzt werden.

Es daher leicht zu verstehen, dass, wenn die Geflechte 1 und 7 einer Temperaturerhöhung ausgesetzt werden, und zwar über den Schmelzpunkt von Indium hinaus, wobei ein gleichförmiger Druck ausgeübt wird, die in Kontakt untereinander stehenden Leiterfäden 2 und 3 Gegenstand der oberflächlichen Bildung einer diffusionsbeständigen Indium/Kupfer-Legierung werden.

Die 3 zeigt den Kontakt der Fäden 2 und 3 an ihrem ihrer Kreuzungspunkte, wohingegen 4 den parallelen Kontakt von zwei Fäden 2 und 3 zeigt.

Nach der Bildung dieser stabilen Legierung sind die Fäden 2 und 3 des Geflechts 1 und 7 fest miteinander verbunden, was die Geflechte versteift.

Natürlich wird die Versteifung die endgültige Form der Geflechte fixieren, wenn die Geflechte 1 und 7 während der Temperaturerhöhung zu Formen gestaltet werden, die für versteifte Geflechte gewünscht sind.

In den 3 und 4 wurde angenommen, dass die Fäden 2 und 3 einen runden Querschnitt aufweisen. Wie als Variante in 5 zu sehen ist, könnten die Fäden einen länglichen Querschnitt aufweisen. In diesem Fall kann die Dicke I des Querschnitts zwischen 26 &mgr;m liegen und kann die Breite L zwischen 0,2 und 1,5 mm liegen, wobei die Dicke I die gleich wie vorher ist. Im Übrigen könnten die Fäden 2 und 3, anstatt nur einen Kern 5 und einen Oberflächenüberzug 6 zu umfassen, auch eine Struktur aus mehreren übereinander liegenden Schichten aufweisen. In 6 ist eine Ausführungsvariante der Fäden 2 und 3 dargestellt, in welcher eine Mittelschicht 8 zwischen dem Kern 5 und dem Oberflächenüberzug 6 angeordnet ist. In diesem Fall kann die Schicht 8 aus einem Metall sein, das so ausgebildet ist, dass es eine diffusionsbeständige Legierung mit dem Überzug 6 bildet.

In den 7A bis 7F ist eine Pressform 10 entsprechend der konvexen Gestalt eines Antennenreflektors dargestellt. Um den Antennenreflektor zu erhalten, werden die folgenden Vorgänge durchgeführt:

  • – es wird auf die Pressform 10 ein Geflecht 1, 7 aus elektrisch leitenden Fäden 2 und 3 aufgebracht, indem das Geflecht eingespannt wird (7A);
  • – dann wird das so auf die Pressform 10 aufgebrachte Geflecht 1, 7 umfänglich durch ein gewünschtes Mittel 11 fixiert, zum Beispiel eine Dichtungsschnur (siehe 7B);
  • – auf dem so auf der Pressform 10 fixierten Geflecht 1, 7 wird eine Mattierungshaut aufgebracht – vorher auf der Pressform 10 hergestellt-, die durch ein geeignetes Mittel 13 fixiert wird, zum Beispiel auch durch eine Dichtungsschnur (7B und 7C);
  • – die Gesamtheit aus Pressform 10, Geflecht 1, 7 und Mattierungshaut 10 wird dann in einen Autoklaven 14 eingeführt, in welchem die Gesamtheit einer Temperaturerhöhung ausgesetzt wird, und zwar über den Schmelzpunkt von Indium hinaus, wobei sie mit einem gleichförmigen Druck P1 beaufschlagt wird, zum Beispiel mit Hilfe eines Vakuum-Balgs (nicht dargestellt), der auf die Mattierungshaut 12 einwirkt;
  • – unter diesen Bedingungen bildet sich in der oben beschriebenen Weise oberflächlich eine Metalllegierung durch Kupfer/Indium-Diffusion an der Oberfläche der elektrisch leitenden Fäden 2 und 3, derart, dass sich das Geflecht 1, 7 in der Form der Pressform 10 versteift;
  • – nach einer Abhebung (7D) ist es dann möglich, auf der konvexen Fläche des Geflechts 1, 7 eine Verstärkung 15 aus einem Faser/Polymermatrix-Verbundmaterial überzuziehen (siehe 7E);
  • – nach dem Überzug der Verbundverstärkung 15, wird diese in einem Autoklaven 16 mit Aufbringung eines Drucks P2 polymerisiert;
  • – während der Polymerisierung der Verstärkung 15 verbindet das Kunstharz das Geflecht 1, 7 mit der Verstärkung 15 und es wird auf diese Weise eine reflektierende Oberfläche für elektromagnetische Wellen erhalten, die aus dem Geflecht 1, 7 und seiner rückseitigen Verstärkung 15 gebildet wird.

Die Temperaturerhöhung in dem Trockenofen, der eine Verlötung mittels Diffusion des Geflechts 1, 7 durchführt, kann 0,1°C pro Minute betragen, ausgehend von der Umgebungstemperatur, bis die gewünschte Temperatur für die Diffusion erreicht ist, die mit der Temperatur der abschließenden Polymerisierung des Kunstharzes der Verstärkung 15 kompatibel ist.

Das Geflecht 1, 7 wird während einer Zeitspanne auf dieser gewünschten Diffusionstemperatur gehalten, die an die Diffusions-Verlötung angepasst ist, wonach die Abkühlung auf natürlichem Wege erfolgen kann.


Anspruch[de]
Verfahren zur Herstellung einer steifen Reflektionsfläche für elektromagnetische Wellen, dadurch gekennzeichnet:

– dass ein weiches Geflecht (1, 7) aus elektrisch leitenden Fäden (2, 3) hergestellt wird, dessen Oberfläche metallisch und von einem Metallzusatz (6) überzogen wird, wobei der Metallzusatz (6) einen Schmelzpunkt aufweist, der unterhalb desjenigen des Oberflächenmetalls der Fäden liegt und der Metallzusatz (6) und das Oberflächenmetall (5) so ausgebildet sind, dass sie wechselseitig ineinander diffundieren, wenn sie auf einer Temperatur wenigstens gleich dem Schmelzpunkt des Metallzusatzes (6) gehalten werden, um eine diffusionsbeständige Metalllegierung zu bilden, deren Schmelztemperatur größer als der Schmelzpunkt des Metallzusatzes (6) ist und in Richtung des Schmelzpunktes des Oberflächenmetalls mit der Intensität der Diffusion wächst;

– dass das weiche Geflecht (1, 7) an die gewünschte Form für die steife Reflektionsfläche für elektromagnetische Wellen angepasst wird; und

– dass die Temperatur des so angepassten, weichen Geflechts (1, 7) über den Schmelzpunkt des Metallzusatzes (6) hinaus erhöht wird, um die Bildung der Metalllegierung durch Diffusion zu erhalten, was die Verbindung der Fäden (2, 3) untereinander und die Versteifung des Geflechts (1, 7), welches dann die steife Oberfläche bildet, mit sich bringt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das weiche Geflecht (1, 7) durch Strickwerk hergestellt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das weiche Geflecht (1, 7) derart hergestellt wird, dass es eine gleichförmige Oberfläche bildet. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das weiche Geflecht (1, 7) derart hergestellt wird, dass es eine von Löchern durchbrochene Oberfläche bildet. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das weiche Geflecht (1, 7) mit elektrisch leitenden Fäden (2, 3) hergestellt wird, bei denen wenigstens eine der Querabmessungen (d, I) kleiner als 20 &mgr;m ist. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke (e) des Überzugs aus Metallzusatz (6) zwischen 10 Å und 1 &mgr;m liegt, wohingegen der Querschnitt der Fäden eine Abmessung (d, I) von höchstens gleich 20 &mgr;m hat. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass während der Temperaturerhöhung das angepasste, weiche Geflecht (1, 7) einem Druck ausgesetzt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verstärkung (15) an einer der Flächen des Geflechts angefügt wird und dass die Verstärkung (15) mit der Fläche desselben fest verbunden wird. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkung (15) aus einer Verbundstruktur Faser/Polymermatrix hergestellt wird. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbundstruktur der Verstärkung direkt auf dem versteiften Geflecht (1, 7) hergestellt wird und mit diesem durch das Kunstharz der Matrix fest verbunden wird.






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