Charakterisierung dimensional hochstabiler Werkstoffe für die Raumfahrt mit hochauflösender Laser-Dilatometrie

Kurzfassung

Temperaturänderungen können einen signifikanten Einfluss auf die Leistungsfähigkeit optischer Messsysteme haben, wenn diese durch verschiedene Ausprägungen in die Messung einkoppeln. Diese Kopplung beruht zum Teil auf dem Material, das für die Optiken und deren Halterungen verwendet wird, und wie dieses Material auf Temperaturveränderungen reagiert. Durch ihren geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten können dimensional stabile Materialien wie Glaskeramiken oder Verbundwerkstoffe die Kopplung reduzieren. Die Charakterisierung dieser Materialien kann mit hochsensitiven Dilatometern erfolgen, wie mit dem in dieser Dissertation verwendeten Laser-Dilatometer. Das Messsystem ist in der Lage, den linearen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE, coefficient of thermal expansion) dieser Materialien in einem Temperaturbereich von etwa 140 K bis 325 K mit einer Unsicherheit von 10^(-8) K^(-1) zu ermitteln. Die Dilatometrie wird optisch durchgeführt, um eine kontaktlose, nahezu kräftefreie Messung zu ermöglichen, welche die thermomechanische Antwort der Materialprobe nur minimal beeinflusst. Dieser Systemaufbau erlaubt zusätzlich die Materialprobe über den gesamten Temperaturbereich zu messen, während der sensitive optische Messaufbau davon isoliert ist. Um beliebige Materialien zu untersuchen, wird der Laser an Spiegeln reflektiert, welche durch Spiegelhalter in die Materialprobe geklemmt sind. Während der gezielten thermische Beeinflussung expandiert die Materialprobe zusammen mit den Spiegeln. Diese Bewegung wird optisch mit einem Interferometer ausgelesen. Die so erhaltene thermische Ausdehnung beinhaltet neben der longitudinalen Änderung auch noch die Winkeländerung zwischen den Strahlen des Interferometers. Der ermittelte CTE ist somit beeinflusst von einem systematischen Fehler, der durch die Strahl-Verkippung die Ausdehnungsmessung verfälscht. Deshalb wird ein Winkelmessverfahren (DWS, differential wavefront sensing) eingesetzt, um diesen systematischen Fehler bei der CTE-Bestimmung zu korrigieren. Der Forschungsschwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Weiterentwicklung und Nutzbarmachung der Winkelmessung mit dem DWS-Verfahren innerhalb des Dilatometer-Messsystems. Dabei werden die Erkenntnisse aus Messung und numerischer Simulation kombiniert und ermöglichen, die Prozesse im Messsystem detaillierter zu beurteilen. Der Abgleich der Charakterisierungsmessungen erfolgt mit dem in dieser Arbeit präsentierten Interferometermodell, welches mit der Software-Bibliothek IfoCAD implementiert wird. Aufgrund der hinterlegten Modellgleichungen lässt sich mit dieser Implementierung eine Vielzahl von Szenarien untersuchen und Rückschlüsse auf das Messverhalten ziehen. Dabei wird deutlich, dass die Verkippung der Materialprobe der dominante Kopplungseffekt auf die Ausdehnungsmessung ist. Durch Verbesserung der Messwert-Digitalisierung kann dieser Effekt mit dem DWS-Verfahren detektiert werden, und erlaubt so die Korrektur innerhalb der CTE-Bestimmung. Diese Verbesserungen am Messsystem werden durch eine CTE-Messung an hochreinem Silicium bei 285 K qualifiziert. Das Ergebnis nach Korrektur des Verkippungsbeitrags weist eine Abweichung von weniger als 1% zu externen Referenzmessungen auf.