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Die
Erfindung betrifft einen Verbundwerkstoff aus in einer Gasphase
epitaktisch gewachsenen Kohlefasern und einer aus einem Metall bestehenden
Matrix.
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Bei
elektronischen Bauteilen besteht das Bedürfnis, die im Betrieb erzeugte
Wärme abzuführen.
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In
dem Maße,
wie elektronische Vorrichtungen, z.B. Notebooks und sogenannte Hand-Held-Vorrichtungen,
immer kleiner dimensioniert werden, wird es immer schwieriger, wenn
nicht gar unmöglich,
Kühlgebläse in diesen
elektronischen Vorrichtungen vorzusehen. Es besteht deshalb ein Bedarf
nach Werkstoffen, die einerseits eine hinreichend hohe Wärmeleitfähigkeit
aufweisen, um die im Betrieb erzeugte Wärme aus der elektronischen
Vorrichtung abzuführen,
und andererseits hinreichend leicht ist.
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Aus
der
EP 0 583 062 B1 ist
ein Verbundwerkstoff bekannt, bei welchem in einer Metallmatrix einzelne,
nicht miteinander verbundene kurze Kohlenfaserstücke vorliegen. Diese kurzen
Kohlefaserstücke
werden aus sogenannten Vor-VGCF, also Vorläufer der Kohlefasern, durch
Aufbringung starker Stoßbeanspruchungen
frakturiert.
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Durch
die absichtsvoll herbeigeführte
Trennung der einzelnen Kohlefasern innerhalb der Matrix wird die
Wärmeleitfähigkeit
des so erzeugten Verbundmaterials vermindert. Aus der US-A 5,814,408 ist
ein Verbundwerkstoff aus einer Metallmatrix und darin eingelagerten
epitaktisch gewachsenen Kohlefasern bekannt, bei welchem die Fasern
in einer oder zwei Vorzugsrichtungen orientiert sind. Dieser bekannte
Verbundwerkstoff weist ein anisotropes Wärmeleitungsverhalten auf, was
im Hinblick auf das Abführen
von Wärme
aus elektronischen Bauteilen jedoch unerwünscht ist.
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Aus
der US-A 5,814,408 ist es bekannt, eine Kohlefaserschicht mit einem
geschmolzenen Metall zu imprägnieren.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verbundwerkstoff mit
hoher Wärmeleitfähigkeit und
geringem Gewicht sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird hinsichtlich des Verbundwerkstoffes durch den Gegenstand
des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Herstellungsverfahrens durch
den Gegenstand des Anspruchs 2 gelöst.
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Der
mit Hilfe der Erfindung geschaffene Verbundwerkstoff zeichnet sich
dadurch aus, daß die Kohlefasern
in Form von federartigen Fasern im Matrixmetall vorliegen. Durch
die federartigen Fasern wird ein dreidimensionales Netzwerk gebildet,
welches das angestrebte isotrope Wärmeleitungsverhalten des Verbundwerkstoffes
gewährleistet.
Somit eignet sich der Verbundwerkstoff nach der Erfindung besonders
zur Verwendung in kleinformatigen elektronischen Geräten, bei
welchen es auf eine starke Wärmeableitung
bei gleichzeitig geringem Gewicht ankommt.
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Das
Verfahren nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß ein Filter
zusammen mit einer Faserschicht und dem Metall in einen Druckbehälter eingeführt wird.
Mittels des Filters wird vermieden, daß die Faserschicht in der Metallschmelze
aufschwimmt. Vielmehr kann mit Hilfe des Filters durch eine Vertikalbewegung
im Druckbehälter
die Menge der Matrixkomponente im Verbundwerkstoff gesteuert werden.
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Die
Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben.
In dieser zeigt:
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1 eine
fotografische Aufnahme von in einer Gasphase epitaktisch gewachsenen
Kohlefasern in Form von federartigen Fasern, wobei diese Aufnahme
mit Hilfe eines Raster-Elektronenmikroskops gemacht wurde,
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2 eine
andere fotografische Aufnahme von in einer Gasphase epitaktisch
gewachsenen Kohlefasern in Form von federartigen Fasern, wobei diese
Aufnahme gleichfalls mittels eines Raster-Elektronenmikroskops gemacht
wurde,
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3 eine
fotografische Aufnahme von bevorzugten, in einer Gasphase epitaktisch
gewachsenen Kohlefasern in Form von federartigen Fasern, wobei diese
Aufnahme mit Hilfe eines Transmissions-Elektronenmikroskops gemacht
wurde,
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4 ein Diagramm, welches beispielhaft das
Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Verbundmaterials darstellt,
wobei 4(a) ein Modelldiagramm darstellt,
das den Zustand zeigt, in dem eine Aufschlemmung, die durch Dispergieren der
in einer Gasphase epitaktisch gewachsenen Kohlefasern in Form von
federartigen Fasern in einem Lösungsmittel
erhalten wurde, in einen Behälter überführt wird, 4(b) ein Modelldiagramm, welches einen Zustand
zeigt, in dem eine Faserschicht, aufgebaut aus den in einer Gasphase
epitaktisch gewachsenen Kohlefasern in Form von federartigen Fasern
handelt, in dem in 4(a) dargestellten Behälter gebildet
worden ist, 4(c) einen Modellquerschnitt
eines Zustandes, in dem die Faserschicht mit geschmolzenem Metall
imprägniert
worden ist, und 4(d) ein Modelldiagramm darstellt,
welches das Verbundmaterial darstellt, welches aus in einer Gasphase
epitaktisch gewachsenen Kohlefasern in Form von federartigen Fasern
sowie Metall besteht, und
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5 ein
Modelldiagramm, welches ein Verbundmaterial (Verbundwerkstoff) zeigt,
das ein Gewebe (Textilmaterial), bestehend aus langen Kohlefasern
als Füllstoffe,
aufweist.
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Der
erfindungsgemäße Verbundwerkstoff (Verbundmaterial)
besteht aus in der Gasphase gewachsenen Kohlefasern (nachstehend
auch als "VGCF" bezeichnet), die
eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit
aufweisen. Es kann daher ein Verbundwerkstoff erhalten werden, der
eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit
aufweist.
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Die
in einer Gasphase epitaktisch gewachsenen Kohlefasern für die Verwendung
in dem erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff
(Verbundmaterial) umfassen bekannte Nadelkristalle, auch als "Whisker" bezeichnet. Die
obengenannten Nadelkristalle weisen eine eindimensionale Gestalt
auf. Wenn die Nadelkristalle zum Formen eines Verbundwerkstoffs verwendet
werden, der dreidimensionalen Anforderungen genügt, müssen beispielsweise die Wärmestrahlung,
die Richtung der Orientierung der Nadelkristalle kontrolliert werden.
Die Kontrolle ist jedoch sehr schwierig.
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Polyacrylnitril-Kohlefasern
und Pech-Kohlefasern, die lange Kohlefasern darstellen, sind bekannt
als eindimensionale Kohlefasern. Wenn die obengenannten langen Kohlefasern
zerhackt oder gemahlen werden (wenn lange Kohlefasern nach einem üblichen
Verfahren gemahlen werden, kann kein vollständiges Pulver erhalten werden,
weshalb die Fasergestalt aufrechterhalten wird) tritt ein ähnliches Problem
in Bezug auf die Gestalt auf. Die Wärmeleitfähigkeit der langen Kohlefasern
ist beträchtlich
geringer als diejenige der in einer Gasphase epitaktisch gewachsenen
Kohlefasern (die Wärmeleitfähigkeit der
in einer Gasphase epitaktisch gewachsenen Kohlefasern beträgt etwa
1500 w/mK, während
diejenige der PAN- oder Pech-Kohlefasern etwa 1 w/mK bis etwa 600
w/mK beträgt).
Wenn daher ein Verbundwerkstoff mit Aluminium (das eine Wärmeleitfähigkeit
von 200 w/mK bis 270 w/mK aufweist) hergestellt wird, kann die Wärmeleitfähigkeit
dadurch nicht in zufriedenstellender Weise erhöht werden.
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Ein
konventioneller Verbundwerkstoff (vgl. 5), der
ein Gewebe (Textilmaterial) umfasst, das aus langen Kohlefasern
aufgebaut ist, hat eine solche Struktur, dass die Fasern zweidimensional
orientiert sind. Auch die Wärmeleitfähigkeit
des obengenannten Verbundwerkstoffs weist Richtungseigenschaften
auf. Daher kann eine zufriedenstellende eindimensionale oder zweidimensionale
Wärmeleitfähigkeit
erhalten werden. Eine zufriedenstellende dreidimensionale Wärmeleitfähigkeit
kann jedoch nicht erhalten werden. Obgleich so genannte 3D-Gewebe
(stereoskopische Gewebe) verwendet werden können, kann eine hohe Füllungsdichte,
mit der ein zufriedenstellender Effekt erhalten werden kann, nicht
hergestellt werden. Noch schlimmer ist, dass das obengenannte Gewebe
vom Standpunkt der praktischen Verwendung aus betrachtet ein kostspieliges
Gewebe ist.
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Die
in einer Gasphase epitaktisch gewachsenen Kohlefasern für die Verwendung
in dem erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff
(Verbundmaterial) müssen
daher in einer Gasphase epitaktisch gewachsene Kohlefasern sein,
bei denen es sich um federartige Fasern handelt. Die Gasphasenepitaxial-Kohlefasern,
bei denen es sich um federartige Fasern handelt, weisen ein spezifisches
Gewicht von etwa 2,0 auf (das spezifische Gewicht von Aluminium beträgt 2,7).
Darüber
hinaus weisen die in einer Gasphase epitaktisch gewachsenen Kohlefasern
des obengenannten Typs Verzweigungen auf und sie enthalten partiell
Wölbungen
(Krümmungen)
und in einigen Fällen
Restriktionen. Außerdem
sind die Fasern miteinander oder wechselseitig verzwirnt, sodass
ein Faserblock mit einer undefinierten Gestalt und einer Gesamtgröße von 0,03
bis 1 mm gebildet wird. Die in einer Gasphase epitaktisch gewachsenen
Kohlefasern, bei denen es sich um federartige Fasern handelt, weisen
Verzweigungen auf. Deshalb kann die Wärme durch ein dreidimensionales
Netzwerk geleitet werden. Daraus folgt, daß ein Verbundwerkstoff mit
einer ausgezeichneten dreidimensionalen Wärmeleitfähigkeit erhalten werden kann,
wenn die obengenannten, in einer Gasphase epitaktisch gewachsenen
Kohlefasern in Form von federartigen Fasern und ein Metall als Füllstoffe
verwendet werden.
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Die 1 und 2 zeigen
fotografische Aufnahmen der in einer Gasphase epitaktisch gewachsenen
Kohlefasern in Form von federartigen Fasern, die Wölbungen,
gelegentlich Restriktionen aufweisen und untereinander oder wechselseitig
verzwirnt sind, die durch ein Rasterelektronenmikroskop aufgenommen
wurden. Die 3 zeigt die gleiche Aufnahme
mit einem Transmissionselektronenmikroskop.
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Die
in einer Gasphase epitaktisch gewachsenen Kohlefasern in Form von
federartigen Fasern werden erhalten, indem man ein Gasphasenepitaxial-Verfahren
durchführt,
das in der Weise durchgeführt
wird, dass ein Kohlenwasserstoff wie Benzol als Kohlenstoffquelle
dient und Eisen als Kern in Gegenwart von Wasserstoff verwendet
wird. Diesmal wurden die Bedingungen, beispielsweise die Temperatur,
der Atmosphärendruck
und die Zuführungsmenge
an Kohlenwasserstoff, bei dem es sich um das Ausgangsmaterial handelt,
geändert.
Es kann sich somit um in einer Gasphase epitaktisch gewachsene Kohlefasern
in Form von federartigen Fasern mit Verzweigungen handeln, die teilweise
Wölbungen,
und in einigen Fällen
Restriktionen aufweisen, und miteinander oder wechselseitig verzwirnt
sind. Mehrere federartige Fasern sind wechselseitig verzwirnt, sodass
ein Faserblock gebildet wird. Bisher wurden die in einer Gasphase
epitaktisch gewachsenen Kohlefasern unter Bedingungen hergestellt,
bei denen keine Verzweigungen und Wölbungen (Krümmungen) entstehen für den Zweck
der Verwendung der in einer Gasphase epitaktisch gewachsenen Kohlefasern
in einem üblichen
Verwendungszweck, beispielsweise zur Erzielung einer zufriedenstellenden
mechanischen Festigkeit.
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Vom
Grundgedanken der vorliegenden Erfindung aus betrachtet ist es bevorzugt,
dass das in dem erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff
als Matrix dienende Metall eine hohe Wärmeleitfähigkeit und ein niedriges spezifisches
Gewicht aufweist. Das heißt,
es ist bevorzugt, dass ein Vertreter aus der Gruppe Aluminium, verschiedene
Aluminium-Legierungen
und Magnesium-Legierungen verwendet wird.
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Der
erfindungsgemäße Verbundwerkstoff (Verbundmaterial)
kann beispielsweise wie folgt erhalten werden:
Die in einer
Gasphase epitaktisch gewachsenen Kohlefasern in Form von federartigen
Fasern sind empfindliche und spröde
Fasern, die bei der Einwirkung einer Belastung leicht brechen. Das
dreidimensionale Netzwerk kann daher leicht verloren gehen. Die
in einer Gasphase epitaktisch gewachsenen Kohlefasern werden deshalb
in einem organischen Lösungsmittel
(als Alternative dazu kann ein gemischtes Lösungsmittel verwendet werden),
z.B. in Wasser, Alkohol oder Keton dispergiert (das obengenannte
Lösungsmittel
wird kollektiv als "Lösungsmittel" bezeichnet). Erforderlichenfalls
kann eine Chemikalie, beispielsweise ein Tensid, zur Verbesserung des
Dispergiereigenschaften zugegeben werden zur Überführung der Lösung in die Aufschlämmung 101. Dann
wird die Aufschlämmung 101 in
einen Behälter aus
einem porösen
Material 102 (Filterpapier oder poröse Keramik) injiziert, der
einen Boden aufweist, der das Eindringen von Flüssigkeit erlaubt (vgl. 4(a)). Dann wird das Lösungsmittel entfernt, so dass
die Faserschicht 103 gebildet wird, die aus den in einer
Gasphase epitaktisch gewachsenen Kohlefasern in Form von federartigen
Fasern besteht, wie in 4(b) dargestellt.
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Die
erhaltene Faserschicht wird in einen Behälter 1 (einen Druckbehälter) überführt, der
mit einer Heizeinrichtung 104 ausgestattet ist, wie in 4(c) dargestellt. Der Bodenabschnitt 106 (in
der Zeichnung als "Basismaterial" bezeichnet) kann
wie nachstehend beschrieben entfernt werden.
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Ein
Filter 105, bestehend aus einem porösen Material (bei dieser Ausführungsform
eine poröse Keramik),
das wärmebeständig ist,
wird auf die obengenannte Faserschicht 103 auflaminiert.
Dann wird ein Metall (in fester Form) auf den Filter 105 auflaminiert.
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Nachdem
die Faserschicht 103, der Filter 105 und das Metall 106 in
den Druckbehälter
eingeführt
worden sind, wird der Druckbehälter
unter Vakuum gesetzt. Darüber
hinaus wird die Heizeinrichtung 104, die in dem Behälter vorgesehen
ist, eingeschaltet, um das Metall 106 zu erhitzen und zum
Schmelzen zu bringen. Ferner wird ein Druck im Innern des Behälters 1 erzeugt
durch Verwendung eines Gases, das gegenüber dem geschmolzenen Metall,
bei dem es sich um die Matrix handelt, und gegenüber Kohlenstoff oder Argongas
(bei dieser Ausführungsform wird
Argongas verwendet) inaktiv ist. Auf diese Weise wird die Faserschicht 103 durch
Anwendung von Druck mit dem geschmolzenen Metall, das als Matrix-Komponente
dient, imprägniert.
Danach wird die Heizeinrichtung 104 des Behälters 1 ausgeschaltet, um
das System abzukühlen
und das Metall erstarren zu lassen. Nachdem die Temperatur abgesunken
ist, wird das Basismaterial im Boden des Behälters entfernt. Dann wird das
Verbundmaterial, das Gasphasenepitaxial-Kohlefasern umfasst, bei denen es sich um
federartige Fasern handelt, herausgezogen.
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Wie
vorstehend beschrieben, wird das Imprägnieren mit dem geschmolzenen
Metall unter dem Druck des inaktiven Gases durchgeführt. Auf
diese Weise kann auch dann ein ausgezeichnetes Verbundmaterial erhalten
werden, wenn ein geschmolzenes Metall verwendet wird, das leicht
oxidiert werden kann.
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Der
Filter kann in dem Druckbehälter
vertikal bewegt werden, um einen optimalen Raum unterhalb des Filters
aufrechtzuerhalten. Dadurch kann eine übermäßige Vergrößerung der Menge der Matrix-Komponente
in dem erhaltenen Verbundwerkstoff verhindert werden. Darüber hinaus
kann ein Brechen der in einer Gasphase epitaktisch gewachsenen Kohlefasern
in Form von federartigen Fasern praktisch vollständig verhindert werden. Daraus
folgt, daß die
Wärmeleitfähigkeit
und ein Effekt in Bezug auf die Verringerung des Gewichtes der in
einer Gasphase epitaktisch gewachsenen Kohlefasern in Form von federartigen
Fasern in zufriedenstellender Weise verbessert werden können.
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Wenn
die Gestalt des Basismaterials und des porösen Keramikmaterials verändert wird,
kann eine Vielzahl von Gestalten erhalten werden, beispielsweise
eine Gestalt, die für
einen Wärmeableiter (ein
Kühlelement)
geeignet ist. Ein nachträglich durchgeführtes Verfahren
zur Erzielung der gewünschten
Gestalt kann daher entfallen oder das obengenannte nachträglich durchgeführte Verfahren kann
erleichtert werden.
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Das
obengenannte Verfahren zur Herstellung des Verbundwerkstoffes (Verbundmaterials)
ermöglicht
die Herstellung eines faserverstärkten
Metalls (FRM), das nicht leicht hergestellt werden kann und bei
dem das spezifische Gewicht der Matrix höher ist als dasjenige des Füllstoffs.
Der erhaltene Verbundwerkstoff weist eine ausgezeichnete Dis persion des
Füllstoffs
auf, wobei der Verbundwerkstoff in der Lage ist, einen Verlust an
verschiedenen Eigenschaften (Wärmeleitfähigkeits-Eigenschaften,
elektrische Leitfähigkeits-Eigenschaften,
Festigkeit und Elastizität)
zu verhindern und die Orientierung zu vermindern. Es sei darauf
hingewiesen, daß das
erfindungsgemäße Verfahren
zur Herstellung des Verbundwerkstoffs auch dann angewendet werden
kann, wenn ein Verbundwerkstoff hergestellt werden soll, der einen
Füllstoff
enthält,
der aus üblichen
in einer Gasphase epitaktisch gewachsenen Kohlefasern oder aus in
einer Gasphase epitaktisch gewachsenen Kohlefasern in Form von federartigen
Fasern besteht.
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Der
erfindungsgemäße Verbundwerkstoff weist
ein geringes Gewicht und eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit auf, da er keine Richtungseigenschaften
aufweist. Da die Kohlefasern, die federartige Fasern sind, als Füllstoffe
verwendet werden, weist der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff auch eine
ausgezeichnete mechanische Festigkeit auf.
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Das
Verfahren zur Herstellung des Verbundwerkstoffs ermöglicht die
Herstellung eines Verbundwerkstoffs (eines faserverstärkten Metalls),
der eine ausgezeichnete Dispersion der Füllstoffe aufweist, der eine
Verschlechterung der Eigenschaften verhindern kann und in dem die
gerichteten Eigenschaften vermindert werden können.