Hitzeschutzsysteme aus keramischen Verbundstoffen für die

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Heat Protection
Systems Made of
Ceramic Composites
for Space Travel
Business Unit 2 of Schunk Kohlenstofftechnik GmbH (SKT), which also deals
with coating methods among other
things, develops CVD-coatings (Chemical
Vapor Deposition) that are applied over
the LP (low pressure) CVD-method.
Depending on the coating or coating system, the precipitation takes place at
between 1,000 and 2,000 degrees
Celsius.
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Hitzeschutzsysteme aus keramischen
Verbundstoffen für die Raumfahrt
Der Geschäftsbereich 2 der Schunk
schen Resistenz aus. Diese Eigen-
Kohlenstofftechnik GmbH (SKT), der
schaft macht man sich im Bereich des
sich unter anderem auch mit Be-
Oxidationsverhaltens von Elektro-
schichtungsverfahren
beschäftigt,
graphit zu Nutze. Mittels einer zu-
entwickelt CVD-Schichten (Chemical
sätzlich aufgebrachten PYC-Beschich-
Vapour Deposition), die über das LP
tung erhöht sich auch die chemische
(Low Pressure)-CVD-Verfahren (che-
Resistenz des Elektrographits.
mische Gasphasenabscheidung bei
niedrigem Druck) aufgetragen wer-
Mit dem Aufschwung der Halbleiter-
den. Je nach Schicht oder Schicht-
technik Anfang der 1980iger Jahre er-
system erfolgt die Abscheidung zwi-
wuchs die Notwendigkeit, Graphit-
schen 1.000 und 2.000 Grad Celsius.
Epi-Susceptoren mit höchst reinen
This development began at Schunk at
the end of the 1970s with pyrocarbon, or
“PYC” as it’s called for short. This highlypure graphite has applications today in
the field of analysis technology (graphite
furnace atomic absorption spectrometry)
and is also used for surface refining (for
reducing the so-called “particle release”)
in semiconductor technology. Its special
crystal lattice structure makes pyrocarbon unusually resistant to chemicals.
This property is often appreciated when
it comes to the oxidation behavior of
electrographite. With an additionally
applied coating of PYC, the chemical
resistance of the electrographite also
increases.
Die Zukunft hat begonnen: CVD-SiC-Beschichtungen für Weltraumfahrzeuge
The future is now: CVD-SiC-coatings for space vehicles
With the boom in the semiconductor
Diese Entwicklung begann bei Schunk
Hartstoffschichten zu versiegeln. Weil
industry in the 1980s arose the need to
Ende der 70er Jahre des vergangenen
Siliciumcarbid (SiC) über eine beson-
seal graphite epi susceptors with highly-
Jahrhunderts mit Pyrokohlenstoff,
ders hohe chemische Beständigkeit
pure hard coatings. Because silicon car-
kurz „PYC“ genannt. Dieser höchst reine
verfügt, ist er hier der ideale Werk-
bide possesses a particularly high chemi-
Graphit findet heute Anwendung im
stoff. Mit Schichtdicken von etwa 80 –
cal resistance, it is the ideal material for
Bereich der Analysentechnik (Graphit-
120 Millionstel Millimeter lassen sich
this. Coating thicknesses of approxi-
rohr-Atomabsorptionsspektroskopie)
selbst kritische Graphitbauteile ver-
mately 80 – 120 millionths of a millimeter
oder auch zur Oberflächenveredlung
siegeln. Diese Technologie hat bis
even allow the sealing of the most critical
(zur Reduzierung des so genannten
heute große Bedeutung.
of graphite components. This technology
„Particle Release“, der Freisetzung von
continues to extremely significant today.
Partikeln) im Bereich der Halbleiter-
Mit der Eingliederung der XYCARB
technik. Sein spezieller Kristallgitter-
Ceramics in die Schunk-Gruppe wurde
aufbau stattet den Pyrokohlenstoff
das Produktportfolio neu strukturiert.
mit einer besonders hohen chemi-
Teil dieser Umstrukturierung war die
When XYCARB Ceramics was integrated
into the Schunk Group, the product portfolio was restructured. A part of this
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Verlagerung des Bereiches der Stan-
lung auf eine 16-tägige Reise in die
restructuring was the relocation of the
dardbauteile für den Halbleitermarkt
Schwerelosigkeit geschickt. Wohlbe-
standard component for semiconductor
von der SKT zur XYCARB, in deren
hütet im Innern befanden sich 385
activities from SKT to XYCARB, which led
Folge die SKT nach neuen Anwen-
Kilogramm europäische Forschungs-
to SKT having to look for new fields of
dungsfeldern für CVD-SiC-Schichten
fracht. Das KERAMIK-Experiment aus
application for CVD-SiC-coatings.
suchen musste.
dem DLR in Stuttgart war dagegen in
Ein Bereich ist die Raumfahrt
Ein Beispiel für die erfolgreiche Entwicklung solch neuer Bereiche ist ein
Beschichtungsauftrag, den die SKT
für das Deutsche Zentrum für Luftund Raumfahrt (DLR) realisiert hat.
Nach vielen Probeteilen wurden im
Herbst 2004 zwei Bedienplatten für
die russische Raumkapsel FOTON M2
sowie die dazu gehörigen Verbin-
die Außenhaut des Raumfahrzeugs
eingelassen. Dort vollführte es im
wahrsten Sinne des Wortes einen heißen Ritt durch die Atmosphäre. Mit
Erfolg. Der Hitzeschutz für zukünftige
wieder verwendbare Raumfahrzeuge
One field is space travel
One example for the successful development of such new fields is a coating
contract that SKT received from the
Deutsche Zentrum für Luft-und Raumfahrt – DLR – (German Center for Air and
hat seine Feuertaufe bestanden.“
Space Travel).
Den Erfolg dieser „Feuertaufe“ hat
After submitting numerous subspecies,
einzig und allein die von der SKT aufgebrachte SiC-Oxidatiosschutzschicht
two panels for the Russian space capsule
FOTON as well as the corresponding
joining elements and angle brackets
dungselemente und Haltewinkel bei
were delivered to SKT for CVD-SiC-coat-
der SKT zur CVD-SiC-Beschichtung
ing in the autumn of 2004.
angeliefert.
As is often the case, the components were
Wie so oft, wurden die Bauteile per-
personally handed over by a DLR em-
sönlich durch einen DLR-Mitarbeiter
ployee, and as usual the job of applying
übergeben, und wie immer, sollte
an optimal CVD-SiC-coating had to be
unter hohem Zeitdruck eine optimale
done under a lot of time pressure.
CVD-SiC-Beschichtung auf die ent-
After fulfilling our side of the contract,
sprechenden Bauteile aufgebracht
we then had to wait quite a long time for
werden.
the results.
Nach der Auslieferung des Auftrages
The time came in June, 2005: the panel
haben wir dann sehr lange auf das
that had been coated by SKT had gotten
Resultat warten müssen.
a 16-day taste of outer space.
Im Juni 2005 war es dann so weit: Das
The DLR News 2006 reads as follows:
von der SKT beschichtete Paneel hatte
Die beiden von der SKT beschichteten Paneele
16 Tage Weltraum geschnuppert.
“The critical moment when returning
The two panels coated by SKT
from space is the reentry into the earth’s
atmosphere. At temperatures of over
In den DLR-Nachrichten 2006 liest
2,000 degrees Celsius, the material of
sich das wie folgt:
„Der kritische Moment bei der Rückkehr aus dem Weltraum ist der Eintritt
in die Erdatmosphäre. Bei Temperaturen von über 2.000 Grad Celsius
werden Material und Raumfahrzeug
auf das Äußerste beansprucht. Wissenschaftler im DLR-Institut für Bauweisenund Konstruktionsforschung arbeiten
an geeigneten Schutzkacheln. An Bord
ermöglicht. Die höchste Temperatur
the space vehicle is taxed to the limit.
an den beiden FOTON-Paneelen beim
Scientist at the DLR Institut für Bau-
Eintritt und Ritt durch die Atmos-
weisen- und Konstruktionsforschung
phäre betrug 1.481 Grad Celsius. Jede
(Institute for Design and Construction
andere Komponente aus ungeschütz-
Research )are working on suitable pro-
tem kohlenstofffaser verstärktem
tective heat shield tiles. On board the
Kohlenstoff (CFC) oder aus C/SiC
Russian space capsule FOTON-M2, they
wäre durch die Oxidation und die
sent their newest development on a 16-
hohe Reibung korrodiert.
day trip into zero gravity. Safe and
der russischen Raumkapsel FOTON-
Auf dem zweiten Paneel wurden
M2 haben sie ihre neueste Entwick-
zusätzlich noch einzelne Spezialbe-
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sound inside were 385 kilograms of European research freight. The CERAMIC-
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Experiment from the DLR in Stuttgart on
control jets for satellites that have to
schichtungen aufgetragen. Diese wei-
the other hand, was embedded in the
given a SiC coating. Everyone knows the
sen nach dem Versuch optische
skin of the space vehicle. There it literally
colorful pictures that the space telescope
Veränderungen auf, die nun weiter
performed a hot number going through
Hubble sends back to Earth. The succes-
ausgewertet werden.
the atmosphere. With success. The heat
sor telescope James Webb, which is cur-
protection for reusable spacecraft passed
rently being built, will be equipped with
its baptism under fire.”
a resolution that is ten times better. This
The success of this baptism under fire
was made possible solely by SiC oxidation-protection coating applied by SKT.
The highest temperature on the two
FONTON-panels upon reentry and travel
through the atmosphere was 1,481
degrees Celsius. Any other component
made unprotected carbon fiber reinforced
has been made possible through a new
technology for mirror optics which is
Eine weitere Weltraumreise ist für das
Jahr 2009 geplant. Auch hier wird die
SKT wieder ihren Beitrag für eine
sichere Rückkehr aus dem All leisten.
based on silicon carbide. At the moment
Wo geht die Reise hin?
SKT is working on the coating of the mir-
Keramik, Faserkeramik, Oberflächen-
ror blanks for the NIRSpec camera that
will supply us with even more beautiful
and pin-sharp pictures from space in the
future.
veredlungen – all das sind Schlagworte, die wir täglich im Umgang mit
unseren Kunden hören. Dabei geht es
um die unterschiedlichsten Bereiche –
carbon (CFC) or of C/SiC would have
With high-technology from Giessen, Scien-
hochwertige Bauteile in chemischen
corroded from the oxidation and high
tists around the globe will then gain new
Reaktoren, die vor Korrosion zu
friction.
knowledge. Have a little patience, and
schützen
think of Schunk when you see the first
Steuerdüsen für Satelliten, die mit
pictures from space starting in 2013.
einer SiC-Beschichtung versehen wer-
Special individual coatings were additionally applied to the second panel.
sind
oder
um
C/SiC-
den müssen. Jeder kennt die bunten
They displayed optical changes which
Bilder, die uns das Weltraumteleskop
are now being further analyzed.
Hubble auf die Erde schickt. Das
Another space trip is planned for the
Nachfolgteleskop James Webb, an
year 2009. Here too, SKT will make a
dem zur Zeit gebaut wird, wird mit
contribution toward a safe return from
einer bis zu zehnfach besseren
outer space.
Auflösung ausgestattet sein. Möglich
ist dies ist nur mit einer neuen, auf
Where is the journey leading?
Siliciumcarbid basierenden Techno-
Ceramics, fiber ceramics, surface refine-
logie für die Spiegeloptik. Im Moment
arbeitet die SKT an der Beschichtung
ment – these are all buzzwords that we
der Spiegelrohlinge für die NIRSpec-
hear in our everyday dealings with our
Kamera, die uns in Zukunft noch
customers. And it’s often about the most
schönere und gestochen scharfe Bil-
diverse applications – high-value components in a chemical reactor that have
der aus dem Weltraum liefern wird.
to be protected for corrosion or C/SiC
Mit Hightech aus Gießen werden dann
Wissenschaftler rund um den Globus
neue Erkenntnisse gewinnen. Haben
Sie etwas Geduld und denken Sie an
Schunk, wenn Sie ab 2013 die ersten
Bilder aus dem All sehen werden.
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