由零膨脹材料製成的複合結構體和用於製造該結構體的方法

2023-10-21 18:50:42

專利名稱：由零膨脹材料製成的複合結構體和用於製造該結構體的方法
技術領域：
本發明涉及由零膨脹材料，特別是玻璃陶瓷如Zerodur製成的複合結構體。
所謂零膨脹材料在現有技術中通常用於在精密工程，尤其是光學領域方面的諸多應用中。
例如，許多天文反射鏡由本申請人製造和出售的Zerodur玻璃陶瓷製成。這種零膨脹材料可以是例如，通過原料玻璃的適當的熱處理而部分結晶化的鋰-鋁-矽酸鹽玻璃陶瓷(LAS玻璃陶瓷)，通過該玻璃陶瓷在一定的溫度範圍內可以實現接近零的熱膨脹。另一種零膨脹材料由Corning公司銷售，商標為ULE。後一種材料是摻雜TiO2的二氧化矽玻璃，並且以黑化處理(soot process)方法製造。另一種熟知的零膨脹材料是Clearceram。
在本申請中，將零膨脹材料理解為在使用溫度範圍，例如0°至50℃中的熱膨脹係數小於±0.5×10-6/K的材料。在更狹義的理解中，該術語指在0°至50℃的使用溫度範圍內的熱膨脹係數小於±0.1×10-6/K，特別是小於±0.05×10-6/K並且特別是小於±0.02×10-6/K的材料。
因為各個部件必須非常均勻，從而必需防止任何氣泡夾帶等，所以由這種零膨脹材料製造較大的光學部件始終是很昂貴和複雜的過程。玻璃毛坯越大，製造毛坯時鑄造過程的困難越大。當製造由零膨脹材料製成的大部件時，涉及的努力和費用因熱處理而顯著增加，特別是因為在陶瓷化處理(轉變成玻璃陶瓷)的過程中必須足夠慢地進行熱處理以避免在陶瓷化過程中的體積變化引起的裂縫形成，並且製造儘可能沒有應力的部件。
不僅在太空應用中，而且在其它應用中，在一些情況下部件的重量起著相當大的作用。由於這種原因，例如，長期以來一直將由零膨脹材料製成的反射望遠鏡製造成「輕量」結構體，即加工部件以除去其體積的大部分。以這種方式，重量顯著降低例如約50％至85％，而各個輕量部件的強度相對於更質密的部件沒有顯著降低。
因為只可以使用研磨法並且因為主要使用特殊的工具，例如使用鏟磨工具加工以製造適合的結構體，加工輕量部件涉及相當多的成本和努力。此外，在加工質密部件以製造輕量結構體中的容許偏差的範圍是非常受限制的。以這種方式只能製造許多可以想到的結構體中的一些。
因此，本發明的目的是提供由零膨脹材料，如玻璃陶瓷製成的複合結構體，特別是稜鏡或反射鏡，藉此能夠儘可能避免所述缺點，並且能夠實現更具成本效應的生產。還公開了用於製造這種複合結構體的適合的方法。
這種目的是根據本發明由零膨脹材料的複合結構體，特別是稜鏡或反射鏡實現的，所述複合結構體包含多個由零膨脹材料，特別是玻璃陶瓷如Zerodur製成的部件，所述部件通過至少一個粘合層粘合在一起。
對於所述方法，本發明的目的是由如下方法實現的其中，通過至少一個粘合層，將多個由零膨脹材料，特別是玻璃陶瓷如Zerodur組成的部件接合在一起。
以這種方式完全解決了本發明的技術問題。
本發明克服了在現有技術中對於在加工零膨脹材料中使用粘合劑粘合的偏見。直到現在，始終認為由零膨脹材料製成的精密部件在結構上始終必須是整體的以確保足夠高的精密度，並且特別是得到有利的的接近零的低熱膨脹係數。本發明顯示，即使在使用粘合劑化合物時，也可以製造具有足夠高的精密度的由零膨脹材料製成的複合結構體。
本發明還顯示可以達到預期零膨脹材料所要滿足的苛刻要求。這些包括-在直到150℃的溫度的足夠高的強度，-在溫暖和潮溼的條件下如在研磨過程中可能出現的那些，或在這種氣候條件下使用材料時的強度，-低脫氣率(outgassing level)，-足夠低的熱膨脹。
如果粘合劑層足夠薄，則粘合劑層的大得多的熱膨脹只對熱膨脹性造成無關緊要的程度的損害，因此由粘合在一起的部件製成的複合結構體可以滿足大多數應用的技術規格，尤其是在熱膨脹方面。
由於這種原因，優選根據本發明，每一個粘合劑層的厚度為至多1mm，優選至多0.5mm，更優選至多0.2mm，並且特別優選至多0.1mm。
這使得根據本發明的複合結構體在0°至50℃之間的溫度範圍內能夠具有至多0.1×10-6/K，優選至多0.05×10-6/K，並且還更優選至多0.02×10-6/K的低熱膨脹係數。
所述粘合劑層優選由環氧樹脂粘合劑組成。
後者可以是可在室溫固化的兩組分粘合劑。
已經證明由作為基體材料的環氧樹脂和作為硬化劑的改性胺製備的粘合劑組成的粘合劑層是特別適合的，所述粘合劑為例如Loctite Hysol類，特別是Loctite Hysol 9491粘合劑。
這種粘合劑是充分穩定的，具有低脫氣率並且在較高溫度的潮溼環境中還具有足夠的強度。對於在室溫至150℃的範圍內的溫度下操作，它也是特別有利的，並且在足夠薄的粘合劑層中，在20°和70℃之間的溫度範圍內約為6.3×10-5/K的熱膨脹係數低得足以製造(總)熱膨脹係數低於±0.5×10-6/K，特別是低於±0.1×10-6/K甚至可以處於±0.02×10-6/K的量級的複合結構體。
作為選擇，由可在約70°至150℃的溫度固化的單組分環氧樹脂粘合劑組成的粘合劑層也證明是有利的，藉此可以有利地使用例如LoctiteHysol9509。LoctiteHysol9502和Epo-Tek353ND-T證明是另外的有利選擇。
根據本發明的另一個實施方案，複合結構體包含多個管狀隔體，所述隔體是相互平行安置的，以它們的外表面粘合在一起，並且以它們的第一端面粘合到反射鏡部件上且以它們的第二端面粘合到支持部件上。
例如，所述管可以具有圓形或多面體的橫截面。在這種實施方案的情況下，可以製造對望遠鏡應用尤為重要的特別穩定和高質量的複合結構體。
備選地，在作為稜鏡的一個實施方案中，複合結構體還可以由粘合在一起的單板狀或立方形元件製造。
在本發明的一個優選實施方案中，所述粘合劑層由在150℃固化24小時之後質量損失小於1重量％的粘合劑組成。
當使用這種粘合劑時，可以避免可能由在複合結構體的最終加工過程中的較高溫度造成的缺點。這種最終加工通常包括拋光和塗布，藉此溫度可能上升到約100℃至150℃。因此，以這種方式可以避免不需要的質量損失，同時避免由脫氣產物引起的對製造的複合結構體的任何損害，所述脫氣產物可能沉析到複合結構體的光學活性表面中。
根據本發明的另一個實施方案中，將具有鄰接表面的兩個部件接合在一起，在所述部件的至少一個的表面中安置至少一個凹槽，所述凹槽與另一個部件的相對表面形成空腔，其中只有所述空腔填充有粘合劑並且在高於使用溫度的溫度固化。
這具有這樣的優點，即複合體的幾何結構，特別是它的熱膨脹係數主要由零膨脹材料製成的粘合部件確定，並且空腔中的粘合劑化合物僅具有無關緊要和主要是局部的影響。
根據本發明的再一個實施方案，採用在使用溫度範圍內具有正的熱膨脹係數的粘合劑層，將由在使用溫度範圍內具有負的熱膨脹係數的零膨脹材料製成的兩個部件粘合在一起。
在這種實施方案中，部件的尺寸、其熱膨脹係數、粘合劑層的厚度及其熱膨脹係數優選相互匹配，使得複合結構體的總熱膨脹係數在使用溫度範圍內最小化。
以這種方式，可以製造在使用範圍內具有最小的熱膨脹係數的複合結構體，藉此所述係數甚至可以是零。
可以將本發明的複合結構體用於需要零膨脹材料且其中可能需要減輕重量和/或節約成本的每一種可想到的應用領域中。
這些包括在反射鏡望遠鏡中作為鏡臺，在LCD平版印刷中作為顯微平版印刷用的部件，和作為光學工作面(bank)等的應用。除在地球上的應用以外，在太空中的應用也是可以想到的。
不言而喻，可以在不偏離本發明的範圍的情況下，不但以在每一種情況下指定的組合，而且以其它組合或單獨使用如上所述和將在下面說明的本發明的特徵。
參考附圖，從優選實施方案的描述中得到本發明的另外特徵和優點，其中


圖1以拉長的截面圖顯示了用作凹面鏡的根據本發明的複合結構體的第一實施方案；圖2顯示了圖1的複合結構體的橫截面；圖3以截面圖顯示了根據本發明的複合結構體的一個備選實施方案；圖4以截面圖顯示了根據本發明的複合結構體的另一個實施方案；和圖5以在LCD平版印刷領域中用作LCD分檔器(stepper)的稜鏡的形式顯示了根據本發明的複合結構體的簡化示意圖。
圖1顯示了根據本發明的複合結構體的可能的實施方案的示意圖，所述複合結構體為反射鏡形式並且整體上採用參考標記10標示。
複合結構體10具有全部由Zerodur玻璃陶瓷組成的反射鏡部件12，支持部件14和多根管16、18、20、22、24。
反射鏡部件12在其外表面被磨成凹面，並且在根據最終尺寸將其拋光之後，通常配置有反射塗層(沒有顯示)。在它的下側，反射鏡部件12具有平面。支持部件14是具有兩個平面的扁平的圓柱形部件。特別是，從圖2中可以更詳細地看出，通過多個管形式的部件(在圖1中只標示出管16、18、20、22、24)，將反射鏡部件12接合到反射鏡部件12上。所述管在兩端面被磨光以使它們變成平面。通過粘合劑層17和19，將管16-24各自在它們的端面分別接合到反射鏡部件12和支持部件14上。還通過粘合劑層26、28、30、32，將管16、18、20、22、24接合到相鄰管的外表面上。
粘合劑層17、19、26、28、30、32由LoctiteHysol9491粘合劑組成，所述粘合劑是在室溫固化的特別的兩組分環氧樹脂粘合劑並且可以獲自Loctite Co.，Rocky Hill，Connecticut，USA(Henkel集團的一個成員公司)。具體以這樣的厚度在它的軸向端面塗覆所述粘合劑，使得各個粘合劑層17、19的厚度為至多約0.5mm，優選為至多0.2mm，並且最優選為至多0.1mm。這種粘合劑在20°和70℃之間的溫度範圍內的熱膨脹係數是約63×10-6/K。最高質量等級的Zerodur在這種溫度範圍內的熱膨脹係數是約0±0.02×10-6/K。
對於具有厚度為0.1mm的粘合劑層的總長度為100mm的部件，得到的總膨脹係數α總是約0.04×10-6/K至0.08×10-6/K。如果使用總厚度為0.2mm的兩個粘合劑層，則得到的熱膨脹係數α總是約0.1×10-6/K至0.2×10-6/K。
因而，儘管粘合劑層具有較高的熱膨脹係數，但是很薄的粘合劑層的組合導致對於大多數應用而言足夠低的熱膨脹。因此，將粘合劑層塗覆成具有儘可能最小，典型約0.1mm的厚度。
優選的粘合劑LoctiteHysol9491在室溫具有良好的剪切強度，並且在直至150℃的較高溫度也具有足夠好的剪切強度。
當加工這種複合結構體時，由最終用戶(反射鏡生產商)進行拋光和塗布步驟，從而可能達到處於直至約150℃的量級的最大溫度。優選的LoctiteHysol9491粘合劑在這種較高溫度具有足夠高的強度。所述優選的粘合劑對於氣候影響，如在拋光過程中可能出現的那些，或在各種氣候條件如高溼度下也具有足夠的抵抗力。
從一系列環氧樹脂粘合劑中選擇優選的LoctiteHysol9491粘合劑。
測量的試驗標準是1.強度在此優選考慮高壓剪切強度，對於所述高壓剪切強度，使用具有磨光表面和拋光邊緣的樣品進行壓力剪切試驗，藉此測量10×22mm2的單個樣品。
2.耐氣候影響性在85℃和85％的相對溼度(RH)100小時之後，測量強度(在其它方面與上述1.相同的條件下)。
3.耐熱性在150℃持續24小時熱處理之後，在室溫、其它方面與上述1.中的那些相同的條件下測量強度。
而且在150℃，其它方面與上述1.中的那些相同的條件下測定強度。
4.脫氣性在150℃熱處理之前和之後測量樣品重量。還進行熱重量分析(TGA)。
對於從大量可獲得的環氧樹脂粘合劑中選擇的多種粘合劑進行這種試驗。UV固化粘合劑的使用從一開始就由於不適合而被排除，因為使用這種粘合劑不能達到足夠均勻的粘合。
表1顯示了最終候選和測試的粘合劑的概要。
在表2中概述了各種粘合劑的強度試驗的結果。
如前所述，在具有拋光邊緣和10×22mm2的樣品尺寸的磨光表面上進行壓力剪切試驗。表中的欄顯示了在室溫、在85℃和85％相對溼度100小時之後、在150℃24小時之後和在150℃的結果。
最後，表3顯示了粘合劑的脫氣性，籍此顯示了在150℃熱處理24小時之後的以百分比計的重量損失。
優選的LoctiteHysol9491粘合劑一方面對於全部試驗標準均具有良好的強度值，另一方面還具有低脫氣性。在150℃24小時之後，測量到小於1重量％的重量損失。這種粘合劑還具有在室溫硬化的優點。
LoctiteHysol9509具有特別高的強度值，同時具有低脫氣率，被認為是另一種優選的粘合劑。
然而，後者是必須在120℃(優選在120℃60分鐘)固化的單組分環氧樹脂粘合劑。
如果這種耗費更大生產成本的缺點是可接受的，則優選這種粘合劑，因為它能夠達到更大的強度。
圖3顯示了根據本發明並且由Zerodur製成的複合結構體的另一個可能的實施方案，所述複合結構體整體上採用參考標記40標示。所述結構體包含第一部件41和第二部件42，兩者均由Zerodur製成。部件41、42以它們的表面粘合在一起。應理解該圖只顯示了一種可能的幾何結構並且粘合劑層44的厚度沒有按照實際比例。
粘合劑層44的厚度很小，並且如已經陳述的，優選小於0.2mm，並且特別優選約0.1mm。
如上所述，儘管有粘合劑層44，仍將複合體40的熱膨脹保持得很小。
圖4顯示了根據本發明並且由Zerodur製成的複合結構體的另一個可能的實施方案，所述複合結構體整體上採用參考標記50標示。這種結構體是由兩個部件51和52組成的複合結構體。所述兩個部件51和52由例如Zerodur製成。將部件51、52在它們的兩個平面53和54相互接合在一起。使用只在兩個表面53和54之間形成的空腔55、56中接受的粘合劑(以57和58顯示)實現粘合。該接合在空腔55，56以外是沒有粘合劑的。在高於使用範圍的溫度，例如當使用範圍擴充至最大130℃時，在150℃，使粘合劑固化。
在操作中，熱膨脹性主要由部件51，52的膨脹性決定，並且由空腔55，56中接受的粘合劑的影響程度只是無關緊要的。粘合劑的影響，如由粘合劑導致的熱膨脹、應力等基本上被限制在局部，並且對複合體50的性能只有微弱影響。
使用的粘合劑優選為LoctiteHysol9491或LoctiteHysol9509。
圖5以示意圖顯示了根據本發明的複合體以LCD分檔器60中稜鏡68的形式在LCD平版印刷中的可能應用。稜鏡68是由零膨脹材料如Zerodur製成並且粘合在一起的部件組裝的。與稜鏡68的質密構造設計相比，這導致重量的相當大的節省。當然，在複合結構體中始終將粘合劑層安置在不負面影響光學活性表面的位置。
當然，應該理解使用本發明的方法可以製造任何其它的複合結構體。
當通過粘合由零膨脹材料製成的部件製造複合結構體時，另一種選擇是使用在使用範圍內，例如在0和50℃之間具有微小的負熱膨脹係數的零膨脹材料。
在這種情況下，部件的幾何尺寸、粘合劑層的厚度以及零膨脹材料的熱膨脹係數(負)和粘合劑的熱膨脹係數(正)可以匹配，使得複合結構體的熱膨脹係數在使用溫度範圍內最小化並且實際總計為零。
可以控制在鋰-鋁-矽酸鹽(LAS)玻璃陶瓷如Zerodur的製備過程中的熱處理，使得例如零膨脹材料Zerodur的熱膨脹係數在0°至50℃的使用範圍是-0.1×10-6/K。
這意味著粘合劑的正的熱膨脹可以完全得到補償。由這種材料製成的兩個部件組成的複合結構體具有正好為零的總膨脹，其中所述部件的總長度是100毫米，粘合劑層的厚度為0.2mm並且熱膨脹係數為50×10-6/K。
表1
表2
表權利要求
1.一種複合結構體，所述複合結構體由零膨脹材料，特別是玻璃陶瓷製成，特別為包含由零膨脹材料，特別是玻璃陶瓷如Zerodur製成的多個部件(12、14、16、18、20、22、24；41、42；51、52)的稜鏡(68)或反射鏡(10)，所述部件通過至少一個粘合劑層(17、19、26、28、30、32；44；57、58)接合在一起。
2.權利要求1所述的複合結構體，所述複合結構體包含具有鄰接表面(53，54)的至少兩個部件(51，52)，其中在所述部件的至少一個(51)的表面(53)中安置至少一個凹槽，所述凹槽與另一個部件(52)的相對表面(54)形成空腔(55，56)，並且所述空腔填充有在高於使用溫度的溫度固化的粘合劑。
3.權利要求1或2所述的複合結構體，其中每個粘合劑層(17、19、26、28、30、32；44；57、58)優選具有至多1mm，優選至多0.5mm，更優選至多0.2mm，並且特別優選至多0.1mm的厚度。
4.權利要求1、2或3所述的複合結構體，所述複合結構體在0至50℃之間的溫度範圍內的熱膨脹係數為至多0.5×10-6/K，優選為至多0.1×10-6/K，更優選為至多0.05×10-6/K，並且還更優選為至多0.02×10-6/K。
5.任何一項在前權利要求所述的複合結構體，所述複合結構體具有由在使用溫度範圍內具有負的熱膨脹係數的零膨脹材料製成的兩個部件，所述兩個部件通過在使用溫度範圍內具有正的熱膨脹係數的粘合劑層接合。
6.權利要求5所述的複合結構體，其中所述部件的尺寸、其熱膨脹係數、粘合劑層的厚度和後者的熱膨脹係數相互匹配，使得所述複合結構體的總熱膨脹係數在所述使用溫度範圍內最小化。
7.任何一項在前權利要求所述的複合結構體，其中所述粘合劑層(17、19、26、28、30、32；44；57、58)由環氧樹脂粘合劑組成。
8.權利要求7所述的複合結構體，其中所述粘合劑層(17、19、26、28、30、32；44；57、58)由可以在室溫固化的兩組分粘合劑組成。
9.權利要求8所述的複合結構體，其中所述粘合劑層(17、19、26、28、30、32；44；57、58)由作為基體材料的環氧樹脂和作為硬化劑的改性胺組成，並且優選由LoctiteHysol類粘合劑組成。
10.權利要求1至7中任一項所述的複合結構體，其中所述粘合劑層(17、19、26、28、30、32；44；57、58)由可以在約70°至150℃的溫度固化的單組分環氧樹脂粘合劑組成，並且優選由LoctiteHysol類或Epo-Tek類粘合劑組成。
11.任何一項在前權利要求所述的複合結構體，所述複合結構體包含以管狀隔體(16、18、20、22、24)的形式相互平行安置的多個部件，所述隔體在它們的外表面粘合在一起，並且在它們的第一端面粘合到反射鏡部件(12)上且在它們的第二端面粘合到支持部件(14)上。
12.權利要求11所述的複合結構體，其中以圓形或多面體橫截面的管的形式包含所述隔體(16、18、20、22、24)。
1 3.任何一項在前權利要求所述的複合結構體，其中所述粘合劑層(17、19、26、28、30、32；44；57、58)由在150℃固化24小時之後質量損失小於1重量％的粘合劑組成。
14.一種用於製造由零膨脹材料製成的複合結構體(10；40；50；68)的方法，其中由零膨脹材料，特別是玻璃陶瓷如Zerodur製成的多個部件(12、14、16、18、20、22、24；41、42；51、52)通過至少一個粘合劑層(17、19、26、28、30、32；44；57、58)接合在一起。
15.權利要求14所述的方法，其中將可熱固化的單組分環氧樹脂粘合劑或可在室溫熱固化的兩組分環氧樹脂粘合劑用於粘合。
16.權利要求14或15所述的方法，其中所述粘合劑層(17、19、26、28、30、32；44；57、58)的厚度為至多1mm，優選為至多0.5mm，更優選為至多0.2mm，並且特別優選為至多0.1mm。
17.權利要求14或15所述的方法，其中將具有鄰接表面(53，54)的兩個部件(51，52)接合在一起，在所述部件的至少一個(51)的表面(53)中安置至少一個凹槽，所述凹槽與另一個部件(52)的相對表面(54)形成空腔(55，56)，其中只有所述空腔(55，56)填充有粘合劑並且在高於使用溫度的溫度固化。
18.權利要求13或14所述的方法，其中由在使用溫度範圍內具有負的熱膨脹係數的零膨脹材料製成的兩個部件通過在所述使用溫度範圍內具有正的熱膨脹係數的粘合劑層粘合在一起。
19.權利要求18所述的方法，其中所述部件的尺寸、它們的熱膨脹係數、所述粘合劑層的厚度及其熱膨脹係數相互匹配，使得所述複合結構體的總的熱膨脹係數在所述使用溫度範圍內最小化。
20.根據權利要求1至13中任何一項的複合結構體的應用，所述複合結構體應用於LCD平版印刷、縮微平版印刷中，作為平臺，作為光學工作面，用於製造反射鏡襯底，用於在地球上的應用和在太空中的應用。
全文摘要
本發明限定了一種複合結構體(10)，所述複合結構體(10)由零膨脹材料，特別是玻璃陶瓷如Zerodur製成的部件組成，所述部件通過至少一個粘合劑層(17、19、26、28、30、32)粘合在一起。所述複合結構體(10)具有與零膨脹材料相關的有利特性，特別是很低的熱膨脹係數，直至150℃的穩定性和低的剝離性能。
文檔編號C03C10/00GK101031521SQ200580032698
公開日2007年9月5日 申請日期2005年9月8日 優先權日2004年9月27日
發明者海科·科爾曼, 賴因哈德·希爾舍, 豪克·埃塞曼, 克勞迪婭·施託爾茨, 託馬斯·沃納, 烏爾裡希·波伊謝特, 喬斯·齊默 申請人:肖特股份公司