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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer wärmeleitfähigen
Materialschicht.
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Wärmeleitfähige
Materialschichten kommen in verschiedenen Technikbereichen zum Einsatz,
so beispielsweise in der Leistungselektronik zur Abführung
von Verlustwärme. Dabei soll die in einem Halbleiterbauelement
entstehende Wärme bestmöglich zu einem Kühlkörper
abgeleitet werden. Die Wärmeleitfähigkeiten der
Halbleitermaterialien selbst und auch diejenigen der verwendeten
Halbleitergehäuse sind begrenzt. Außerdem behindern
auch Materialübergänge einen guten Wärmetransport.
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Ein
anderer Anwendungsfall thermisch leitfähiger Materialschichten
ist die Solartechnik. Hier kommt es zum einen auf die Einkopplung
der Sonnenenergiestrahlung und zum anderen auf die verlustarme Übertragung
der gewonnenen Wärmeenergie in ein Speichermedium an. Auch
hier können an Grenzflächen zwischen verschiedenen
Materialien unerwünschte Einkoppel- und/oder Übertragungsverluste
auftreten.
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Thermische
Energie wird durch Wärmeleitung, Konvektion und Wärmestrahlung
transportiert. Hierzu sind bisher bereits sehr unterschiedliche
Materialien zum Einsatz gekommen. Beispiele sind elektrische leitende
Stoffe, wie Kupfer, Aluminium und Silber, aber auch dielektrische
Stoffe, wie Aluminiumoxid und Aluminiumnitrid. Die maßgeblichen
Wärmeleitzahlen derartiger zum Wärmetransport
eingesetzter Stoffe bewegen sich typischerweise im Bereich zwischen
einigen 10 und einigen 100 W/mK bei 20°C. Möglich
ist auch ein Schichtaufbau oder eine Kombination verschiedener Materialien,
um ein gewünschtes thermisches Leit-/Einkopplungsverhalten
zu erzielen.
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Kohlenstoffröhrchen
oder Kohlenstoffnanoröhrchen (= Carbon-Nanotubes (= CNT)),
die auch als Kohlenstoff-(Nano-)Fasern bezeichnet werden, haben
gegenüber den vorstehend genannten herkömmlichen
wärmeleitfähigen Stoffen eine deutlich höhere
Wärmeleitfähigkeit. Ihre Wärmeleitzahlen
liegen im Bereich zwischen 600 und 10000 W/mK bei 20°C.
Deshalb sind derartige Kohlenstoff-(Nano-)Röhrchen bereits
als Wärmeleiter beispielsweise in der Halbleitertechnik
eingesetzt worden.
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In
der
DE 101 03 340
A1 wird ein Verfahren zur Züchtung von Kohlenstoffnanoröhrchen
direkt auf einer elektrischen Leiterbahn eins mikroelektronischen
Schaltkreises beschrieben. Die Schicht mit den Kohlenstoffnanoröhrchen
wächst dabei mittels eines elektrodenlosen Abscheideverfahrens
auf einem katalytisch aktiven Metall auf.
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Aus
der
DE 102 48 644
A1 ist eine weitere Anwendung derartiger Kohlenstoffnanoröhrchen
in der Leistungshalbleitertechnik bekannt. Es wird ein Aufbau eines
Leistungshalbleitermoduls beschrieben, der mehrere Schichten mit
Kohlenstoffnanoröhrchen umfasst.
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In
der
US 6 965 513 B2 wird
ein Herstellungsverfahren für eine wärmeleitfähige
Schicht unter Verwendung von Kohlenstoffnanoröhrchen beschrieben.
Die Kohlenstoffnanoröhrchen werden zunächst in
einer Vielzahl voneinander beabstandeter Bündel auf einem
Hilfssubstrat aufgewachsen. Die Zwischenräume zwischen
den Bündeln werden dann mit einem Polymermaterial aufgefüllt,
um danach das Hilfssubstrat zu entfernen. Es resultiert eine Matrixschicht,
bei der die Kohlenstoffnanoröhrchen-Bündel in
dem Polymermaterial eingebettet sind.
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In
der
DE 103 27 530
A1 wird eine Zwischenlage zwischen einer als Halbleiterbauelement
ausgeführten Wärmequelle und einer Wärmesenke
beschrieben. Die Zwischenlage enthält ein flüssiges oder
pastöses organisches Grundmaterial, in das Kohlenstoffnanoröhrchen
eingelagert sind. Während des Betriebs werden die Kohlenstoffnanoröhrchen
in dem flüssigen oder pastö sen Grundmaterial durch Anlegen
einer elektrischen Spannung ausgerichtet, um die thermische Leitfähigkeit
zu verbessern.
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Die
vorstehend beschriebenen Anwendungen und Herstellungsverfahren sind
relativ speziell auf den jeweiligen Anwendungsfall ausgelegt und lassen
sich nicht ohne Weiteres auf andere Applikationen mit wärmeleitfähigen
Materialschichten übertragen.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht deshalb darin, ein Verfahren der eingangs
bezeichneten Art anzugeben, mittels dessen sich auch bei unterschiedlichen
Applikationen eine wärmeleitfähige Materialschicht
herstellen lässt.
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Diese
Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des unabhängigen
Patentanspruchs 1. Bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren
handelt es sich um ein solches, bei dem auf eine Oberfläche eines
zu beschichtenden Grundmaterials eine zunächst noch nicht
vollständig ausgehärtete Trägerschicht
aufgebracht wird, in einem Feldbereich, der auf einer vom Grundmaterial
abgewandten Seite der Trägerschicht an die Trägerschicht
angrenzt, ein elektrostatisches Feld mit auf die Trägerschicht
gerichteten Feldlinien angelegt wird, eine Vielzahl von länglichen,
jeweils eine Faserlängsrichtung aufweisenden Fasern, die
jeweils in Richtung ihrer Faserlängsrichtung eine größere
Wärmeleitfähigkeit haben als in einer anderen
Richtung, in den Feldbereich eingebracht und in Richtung der Trägerschicht
transportiert wird, die Fasern in dem Feldbereich zumindest zu einem
großen Teil so ausgerichtet werden, dass ihre jeweilige
Faserlängsrichtung in Richtung der Feldlinien orientiert
ist, die ausgerichteten Fasern in Richtung ihrer Faserlängsrichtung
in die Trägerschicht eindringen, und die Trägerschicht
ausgehärtet wird, wobei sie mit den eingedrungenen Fasern eine
feste Verbindung eingeht, wodurch die Materialschicht gebildet wird,
deren Wärmeleitfähigkeit richtungsabhängig
ist und in Richtung der Faserlängsrichtung der eingedrungenen
Fasern höher ist als in einer anderen Richtung.
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Das
erfindungsgemäße Herstellungsverfahren zeichnet
sich insbesondere dadurch aus, dass die zur Beschichtung vorgesehenen
Fasern, deren geometrische Abmessung in Richtung der Faserlängsrichtung
größer als in allen anderen Richtungen ist, und
die auch in dieser Richtung die höchste Wärmeleitfähigkeit
aufweisen, in einem elektrostatischen Feld ausgerichtet und in Richtung
auf die zuvor auf die zu beschichtende Oberfläche aufgebrachte
Trägerschicht beschleunigt werden. Die verwendeten Fasern
haben hierzu vorzugsweise ein intrinsisches elektrisches Dipolmoment
oder sind entsprechend elektrisch geladen. Die Fasern werden also
insbesondere auch aufgrund der Kraftwirkung des elektrostatischen
Feldes in Richtung der Trägerschicht bzw. der zu beschichtenden
Oberfläche transportiert. Die durch das elektrostatische
Feld bedingte Ausrichtung der Fasern erfolgt in dem Feldbereich
insbesondere so, dass ihre jeweilige Faserlängsrichtung
in etwa parallel zu dem Verlauf der Feldlinien des elektrostatischen
Feldes gerichtet ist. Außerdem erfolgt auch die Transportrichtung
der Fasern im Wesentlichen längs dieser Feldlinien. Damit
stimmt also auch die Ausrichtung der Fasern in etwa mit der Transportrichtung überein.
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Aufgrund
der insbesondere aus dem elektrostatischen Feld zugeführten
kinetischen Energie dringen die Fasern beim Auftreffen auf die Trägerschicht zumindest
ein Stück weit in letztere ein. Je nach energetischen Verhältnissen
ist auch ein vollständiges Eindringen der Fasern in die
Trägerschicht denkbar. Um einen guten Halt der Fasern in
der Trägerschicht zu gewährleisten, dringen die
Fasern bevorzugt mindestens mit 10% ihrer Länge in der
Faserlängsrichtung in die Trägerschicht ein. In
diesem Zustand ist die auf das Grundmaterial aufgebrachte Trägerschicht
noch nicht ausgehärtet. Sie ist insbesondere noch weich
und/oder zähflüssig, sodass ein Eindringen der
Fasern mit vergleichsweise geringem Energieaufwand möglich
ist.
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Nach
dem Aushärten der Trägerschicht liegt die wärmeleitfähige
Materialschicht als Matrixstruktur mit der Trägerschicht und
den darin gehaltenen und insbesondere ausgerichteten Fasern vor.
Insbesondere ist dann eine feste, vorzugsweise auf einem Form-,
Kraft- oder Stoffschluss basierende mechanische Verbindung zwischen
dem Material der Trägerschicht und den Fasern gegeben.
Die Trocknung bzw. Aushärtung der Trägerschicht
kann je nach Material der Trägerschicht mittels einer Licht-,
UV- oder einer Wärmestrahlung oder einem Ablüften
oder durch eine Einleitung einer chemischen Reaktion erfolgen.
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Das
beschriebene Beschichtungsverfahren ist flexibel einsetzbar. Es
ist nicht auf eine bestimmte Oberflächenform des zu beschichtenden
Grundmaterials beschränkt. Ebenso bestehen keine wesentlichen
Beschränkungen hinsichtlich geeigneter zu beschichtender
Grundmaterialien. Viele verschiedene Untergründe sind als
Grundmaterial möglich. Es kann insbesondere aus einem Metall,
einem Nichtmetall, einem Kunststoff oder einer Keramik bestehen.
Sowohl die Beschichtung mit einem Trägerschicht-Material
als auch das Anlegen eines elektrostatischen Feldes, mittels dessen
die Fasern in das Trägerschicht-Material eingebracht werden,
lässt sich bei vielen Applikationen anwenden. Außerdem kann
das erfindungsgemäße Verfahren relativ kostengünstig
realisiert werden.
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Die
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte
Materialschicht hat eine sehr hohe thermische Absorptions- und Wärmeleitfähigkeit,
die insbesondere auch richtungsabhängig ist. Diese Richtungsabhängigkeit
ergibt sich aufgrund des Beschusses des Grundmaterials mit den ausgerichteten
Fasern, wodurch sich eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit
in Faserlängsrichtung einstellt. Damit kann die erfindungsgemäß hergestellte
Materialschicht gezielt zur Übertragung von Wärmeenergie
in einer vorgebbaren Richtung verwendet werden. Die thermischen
Eigenschaften der Fasern bedingen auch ein günstiges thermisches
Verhalten der mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
hergestellten Materialschicht. Darüber hinaus zeichnet
sich die wärmeleitfähige Materialschicht aufgrund
des Faseranteils durch eine hohe mechanische Festigkeit aus, die
insbesondere bei bis zu 95% der Festigkeit des Grundmaterials liegt.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens
ergeben sich aus den Merkmalen der von Anspruch 1 abhängigen
Ansprüche.
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Günstig
ist eine Variante, bei der ein Restanteil an Fasern, die nach dem
Aushärten der Trägerschicht lose an einer freien
Oberfläche der wärmeleitfähigen Materialschicht
angeordnet sind, entfernt wird. Diese überschüssigen
Fasern sind insbesondere nicht mit der Trägerschicht verbunden.
Sie werden beispielsweise mittels einer Luftströmung abgeblasen
oder mittels eines elektrostatischen Verfahrens entfernt. Diese überschüssigen
losen Fasern würden ansonsten an der Oberfläche
der hergestellten Materialschicht zu einem schlechteren Wärmeeinkopplungsverhalten
und/oder zu einer schlechteren mechanischen Anbindung an eine benachbart
anzukoppelnde weitere Materialschicht führen.
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Bei
einer anderen bevorzugten Variante wird die wärmeleitfähige
Materialschicht strukturiert hergestellt, indem die Fasern mittels
einer umfassenden Auftragseinheit in den Feldbereich eingebracht
werden, und die Auftragseinheit und das zu beschichtende Grundmaterial
relativ zueinander bewegt werden. Diese Relativbewegung kann beispielsweise
dadurch erreicht werden, dass die Auftragseinheit zumindest in einer
senkrecht zur Transportrichtung der Fasern orientierten Ebene (=
horizontal) bewegbar angeordnet ist. Diese Auftragseinheit umfasst
vorzugsweise eine Austrittsdüse, durch die die Fasern hindurchtreten
und in den Feldbereich gelangen. Diese Austrittsdüse hat
insbesondere eine begrenzten Öffnungs- bzw. Austrittsquerschnittsfläche,
sodass eine Transportzone, innerhalb derer die Fasern durch den
Feldbereich zu der Trägerschicht transportiert werden,
senkrecht zur Transportrichtung und letztendlich auch die Querschnittsfläche,
innerhalb derer die Fasern auf der Trägerschicht auftreffen,
begrenzt ist. Durch eine Positionsveränderung der Auftragseinheit
lässt sich die herzustellende Materialschicht strukturieren,
womit eine sehr gezielte und an den jeweiligen Anwendungsfall speziell
angepasste Einstellung der Wärmeleitfähigkeit
möglich ist. Anstelle der horizontal und/oder vertikal
bewegbaren Auftragseinheit kann ebenso gut eine derartig bewegbare Anordnung
des zu beschichtenden Grundmaterials vorgesehen sein.
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Weiterhin
wird vorzugsweise als Material für die Trägerschicht
ein Klebstoff oder ein Lack vorgesehen. Diese Stoffe lassen sich
besonders einfach und kostengünstig auf dem Grundmaterial
auftragen, beispielsweise mittels einer Sprüh-, Streich-,
Tauch- oder Siebdrucktechnik. Außerdem können
die Fasern leicht in eine derartige Trägerschicht eindringen, insbesondere,
wenn sie noch nicht ausgehärtet ist. Weitere Vorteile ergeben
sich aufgrund zusätzlicher Materialeigenschaften des als
Trägerschicht-Material verwendeten Klebstoffs oder Lacks.
Diese Stoffe können das Grundmaterial z. B. auch mechanisch und/oder
vor Korrosion schützen. Als Klebstoffe kommen insbesondere
physikalisch abbindende Kleber, chemisch aushärtende Kleber
oder Kleber ohne Verfestigungsmechanismus in natürlicher
oder synthetischer Form in Frage. Vorzugsweise kann auch das Material
der Trägerschicht eine gute thermische und/oder elektrische
Leitfähigkeit haben.
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Gemäß einer
weiteren günstigen Ausgestaltung wird für die
Fasern ein metall-, kohlenstoff- oder keramikhaltiges Material vorgesehen.
Diese Stoffe sind insbesondere ausreichend hart genug, damit Fasern
aus diesen Stoffen in die noch nicht ausgehärtete Trägerschicht
eindringen können. Außerdem haben sie eine gutes
thermisches Absorptions- und Transportverhalten. Als keramikhaltiges
Material kommt beispielsweise eine Aluminiumoxid (Al2O3)- oder eine Aluminiumnitrid(AlN)-Keramik
in Frage. Denkbare kohlenstoffhaltige Materialien sind Kohlenstofffasern
oder Kohlenstoffnanofasern. Bei dem metallhaltigen Material kann
es sich z. B. um Silber, Kupfer oder Aluminium handeln.
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Bevorzugt
ist es außerdem, wenn die Fasern als Kohlenstoffnanofasern
ausgeführt werden, die vorzugsweise eine senkrecht zu der
Faserlängsrichtung orientierte Ausdehnung von höchstens
einigen 100 nm, insbesondere von höchstens 200 nm, haben.
In der Faserlängsrichtung ist die Längsabmessung
dagegen insbesondere weitgehend beliebig. Die Länge kann
sich zwischen einigen Nanometern bis zu vielen Mikrometern, z. B.
20 μm bis 100 μm, bewegen. Auch noch längere
Kohlenstoffnanofasern sind grundsätzlich vorstellbar. Die
Kohlenstoffnanofasern können ein- und/oder mehrwandige
Röhren enthalten, die offen oder geschlossen vorliegen
können. Außerdem können sie leer oder
gefüllt sein. Diese Kohlenstoffnanofasern (= Kohlenstoffnanoröhrchen)
haben sehr günstige mechanische, elektrische und thermische
Eigenschaften. Nach ihrer Integration in die Trägerschicht
können diese Fasern aufgrund ihrer hohen mechanischen Festigkeit
zusätzliche Funktionen, wie z. B. eine Materialversteifung, eine
Zugentlastung oder eine Reduzierung der Wärmeausdehnung
der hergestellten Materialschicht, übernehmen. Besonders
günstig ist die sehr hohe Wärmeleitfähigkeit,
sodass eine sehr gezielte und schnelle Ab- oder Einleitung von Konvektions-, Strahlungs-
oder Wärmeenergie aus der bzw. in die hergestellte Materialschicht
möglich ist. Neben den günstigen thermischen Eigenschaften,
wie einem sehr guten Wärmetransport und einer sehr guten Wärmeeinkopplung,
bewirkt der Matrixverbund des Trägerschicht-Materials mit
derartigen Fasern außerdem auch sehr gute elektrische Eigenschaften.
Aufgrund der in etwa parallelen Ausrichtung der Kohlenstoffnanofasern
in der hergestellten Materialschicht weist auch die elektrische
Leitfähigkeit eine Richtungsabhängigkeit auf.
Am höchsten ist die elektrische Leitfähigkeit
in Richtung der Faserlängsrichtungen.
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Gemäß einer
günstigen Ausgestaltung werden die Fasern als Metalldrahtelemente
ausgeführt. Die Metalldrahtelemente bestehen insbesondere
aus Silber, Aluminium oder Kupfer. Diese Metalle haben eine gute
thermische und elektrische Leitfähigkeit. Die gezielt zueinander
ausgerichtete Einbringung von thermisch und ggf. auch elektrisch
leitfähigen Metalldraht elementen in die Trägerschicht
führt auch bei der so hergestellten Materialschicht zu
einem dementsprechend guten Verhalten.
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Weiterhin
wird vorzugsweise für die Fasern ein Schichtaufbau aus
einem Fasergrundmaterial und mindestens einem auf das Fasergrundmaterial aufgebrachten
Faserbeschichtungsmaterial vorgesehen. Als Faserbeschichtungsmaterial
wird dabei insbesondere mindestens ein Material der Gruppe aus einem
Glas, einem Glasschaum, einem Metall, insbesondere Kupfer und Aluminium,
einem Metallschaum, einem thermosplastischen Kunststoff, einem Silikon,
einem Acrylen und einem Polyacrylen vorgesehen. Eine derartige Beschichtung
des Fasergrundmaterials bewirkt zusätzliche günstige
Materialeigenschaften. Insbesondere kann diese Beschichtung als
Haftvermittler, als metallischer Leiter, als mechanisches Stützgerüst
oder als zusätzliches thermisches Übertragungselement
verwendet werden. Das Faserbeschichtungsmaterial kann beispielsweise
unter hohem Druck ein Fließverhalten aufweisen, sodass
es als Haftverbindungsschicht zwischen einzelnen Fasern oder zwischen
den Fasern und dem Trägerschicht-Material der insgesamt
herzustellenden Materialschicht dient. Außerdem kann mittels
beschichteter Fasern auch eine Lötbarkeit der herzustellenden
Materialschicht eingestellt werden. Dazu wird als Faserbeschichtungsmaterial
eine lötbare Substanz, beispielsweise Kupfer, vorgesehen.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird neben den Fasern auch
ein Pulver in den Feldbereich eingebracht und in Richtung der Trägerschicht
transportiert. Die Fasern und das Pulver werden insbesondere bereits
vor einem Eintritt in den Feldbereich, beispielsweise innerhalb
einer Auftragseinheit, zu einem Faser-Pulver-Gemisch zusammengeführt.
Insbesondere haben auch die Partikel des Pulvers elektrischen Dipol-Charakter
oder sind elektrisch geladen, so dass sie mittels des elektrostatischen
Felds transportiert werden. Aufgrund des Pulvers, für das
insbesondere ein Material aus der Gruppe aus Kupfer, Nickel, Zinn
und Aluminiumnitrid (AlN) vorgesehen wird, kann die herzustellende
Materialschicht mit zusätzlichen Eigenschaften ausgestattet werden.
So führt die Zugabe eines Pulvers aus einem der drei vorstehend
genannten Metalle unabhängig von der Materialwahl für
die Faser zu einer guten Lötbarkeit der hergestellten Materialschicht.
Damit lässt sich diese Materialschicht sehr gut in der
Elektroindustrie und im Maschinenbau einsetzen. Weiterhin kann durch
die Zugabe eines Pulvers aus Kupfer oder aus Aluminiumnitrid die
Wärmeleitfähigkeit der Materialschicht auch in
den zur Faserlängsrichtung senkrechten Richtungen weiter
verfeinert werden. So lässt sich damit insbesondere eine
Wärmespreizung erreichen. Grundsätzlich können
durch die Zugabe des Pulvers auch andere vorteilhafte Eigenschaften gezielt
herbeigeführt werden.
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Weitere
Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
anhand der Zeichnung.
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Die
einzige Figur zeigt einen Grundkörper 1 während
des Herstellungsprozesses einer wärmeleitfähigen
Materialschicht 2 auf einer Oberfläche 3 des Grundkörpers 1.
Bei dem Grundkörper 1 kann es sich beispielsweise
um einen Kühlkörper handeln. Die Materialschicht 2 enthält
eine als Klebstoffschicht ausgeführte Trägerschicht 4,
die auf die Oberfläche 3 des Grundkörpers 1 aufgetragen
worden ist. Dies kann beispielsweise mittels einer Sprüh-,
Streich-, Tauch- oder Siebdrucktechnik erfolgen. Für die
Trägerschicht 4 ist z. B. ein Epoxydharzklebstoff
vorgesehen.
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Vor
dem Aushärten der Trägerschicht 4 werden
Kohlenstoffnanofasern 5, die eine Faserlängsrichtung 6 aufweisen,
in die noch weiche Trägerschicht 4 eingebracht.
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Dazu
werden die Kohlenstoffnanofasern 5 mittels einer Auftragseinheit 7 in
einen Feldbereich 8, der an die Trägerschicht 4 angrenzt,
eingebracht.
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Die
verwendeten Kohlenstoffnanofasern 5 können als
ein- und/oder mehrwandige, offene und/oder geschlossene, leere und/oder
gefüllte Röhrchen ausgeführt sein. Jedenfalls
zeichnen sie sich durch eine außergewöhnlich hohe
thermische und elektrische Leitfähigkeit in Richtung ihrer
Faserlängsrichtung 6 (= z- oder Mittenachsenrichtung
der Röhrchen) aus. Außerdem haben sie eine sehr
hohe mechanische Festigkeit und eine hohe chemische Beständigkeit.
Als Kohlenstoffnanofasern 5 kommen z. B. die Fasern mit
der Produktbezeichnung „Baytube C 150P" von der Firma Bayer
AG sowie die Fasern mit der Produktbezeichnung „HTF 150FF"
von der Firma Electrovac AG in Frage.
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Diese
Fasern weisen eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit
von typischerweise mehr als 600 W/mK und von insbesondere bis zu
6500 W/mK auf der Faser auf. Im Labor wurden auch schon Kohlenstofffasern
mit einer Wärmeleitfähigkeit von etwa 10000 W/mK
realisiert. Die Fasern mit besonders hohen thermischen Leitwerten
sind überwiegend Nanofasern. Auch bei dem hier beschriebenen
Ausführungsbeispiel werden diese besonders günstigen Kohlenstoffnanofasern 5 eingesetzt,
die auch als Carbonnanofasern (engl. „Carbon Nano Tubes"
oder abgekürzt „CNT") bezeichnet werden. Dabei
haben diese Kohlenstoffnanofasern 5 einen Innendurchmesser
von mindestens 1 nm, einen Außendurchmesser von mindestens
5 nm und eine Faserlänge in der Faserlängsrichtung 6 von
mindestens 20 nm. Solche Kohlenstoffnanofasern haben eine sehr große Oberflächenstruktur.
Das Verhältnis ihrer geometrischen Oberfläche
zu ihrem Gewicht liegt bei bis zu 400 m2/g.
Damit eignen sie sich sehr zur gut Einkopplung verschiedener Energieformen.
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Im
Feldbereich 8 liegt ein elektrostatisches Feld mit Feldlinien 9,
die auf die Trägerschicht 4 gerichtet sind, an.
Dieses elektrostatische Feld wird beispielsweise dadurch erzeugt,
dass zwischen dem insbesondere elektrisch leitenden Grundkörper 1 und einer
nicht näher gezeigten Elektrode eine elektrische Spannung
angelegt wird. Beispielsweise kann die zweite Elektrode auch durch
eine Austrittsdüse 10 der Auf tragseinheit 7 gebildet
sein. Die angelegte elektrische Spannung, die sich beispielsweise
im Bereich zwischen einigen 10 V und einigen kV bewegt, ist in der
Figur durch die Symbole „+" und „☐" angedeutet.
Der Abstand zwischen der Auftragseinheit 7 und dem Grundkörper 1,
in dem sich der Feldbereich 8 erstreckt, liegt beim Ausführungsbeispiel
im Zentimeter-Bereich.
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Die
mittels der Austrittsdüse 10 der Auftragseinheit 7 in
den Feldbereich 8 eingespeisten Kohlenstoffnanofasern 5 richten
sich aufgrund ihres elektrischen Dipol-Charakters in dem elektrostatischen Feld
des Feldbereichs 8 so aus, dass ihre Faserlängsrichtung 6 in
etwa parallel zu den Feldlinien 9 orientiert sind. Gleichzeitig
werden die Kohlenstoffnanofasern 5 aufgrund der elektrostatischen
Anziehungskräfte in Richtung der Trägerschicht 4 beschleunigt.
Dort treffen sie auf und dringen wie kleine Pfeile ein. Die Eindringrichtung
wird im Wesentlichen durch die Transportrichtung und damit durch
den Verlauf der Feldlinien 9 bestimmt. Die Kohlenstoffnanofasern 5 sind
mit ihrer Faserlängsrichtung 6 in etwa parallel
zu den Feldlinien 9 ausgerichtet. Die Eindringrichtung
ist also in etwa gleich der Faserlängsrichtung 6.
Es resultiert eine Struktur, bei der die Kohlenstoffnanofasern 5 in
ihrer Faserlängsrichtung 6 ausgerichtet nebeneinander
in der Trägerschicht 4 stecken. Diese Struktur
ist in der Figur im linken Bereich der Materialschicht 2 zu
erkennen.
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Der
Transportstrom der Kohlenstoffnanofasern 5 hat beim Auftreffen
auf die Trägerschicht 4 eine Auftreffquerschnittsfläche 11,
deren Abmessungen in einer Ebene senkrecht zur Transportrichtung der
Kohlenstoffnanofasern 5 begrenzt sind. Die Auftreffquerschnittsfläche 11 wird
im Wesentlichen durch die Austrittsdüse 10 bestimmt.
Mittels einer Relativbewegung zwischen dem zu beschichtenden Grundkörper 1 und
der Auftragseinheit 7 kann eine sukzessive Beschichtung
der Trägerschicht 4 in dem gewünschten
Umfang erfolgen. Beim gezeigten Ausführungsbeispiel lässt
sich die Auftragseinheit 7 horizontal und bei Bedarf auch
vertikal bewegen. Beide Bewegungsmöglichkei ten sind durch
Bewegungspfeile 12 bzw. 13 angedeutet. Mittels
einer entsprechenden Bewegung der Auftragseinheit 7 kann
die herzustellende Materialschicht 3 also eine gezielte Strukturierung
erhalten. So kann beispielsweise an Stellen, an denen kein Wärmetransport
erforderlich ist, von einem Beschuss mit den Kohlenstoffnanofasern 5 abgesehen
werden.
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Nachdem
die Trägerschicht 4 an allen gewünschten
Stellen mit den Kohlenstoffnanofasern 5 versehen worden
ist, erfolgt ein Aushärtungsschritt der Trägerschicht 4.
Dadurch wird eine stoff- und/oder kraft- und/oder formschlüssige
mechanisch feste Verbindung zwischen dem Klebstoffmaterial der Trägerschicht 4 und
den beim gezeigten Ausführungsbeispiel teilweise eingedrungenen
Fasern 5 gebildet.
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Bei
dem anhand der Figur erläuterten Herstellungsverfahren
wird die wärmeleitfähige Materialschicht 2 als
ein Matrixverbund aus dem Klebstoffmaterial der Trägerschicht 4 und
den Kohlenstoffnanofasern 5 gebildet. Diese Matrixstruktur
weist besonders günstige thermische Eigenschaften auf.
So hat die wärmeleitfähige Materialschicht 2 eine
deutlich bessere Wärmeeinkopplungs- und Wärmetransportfähigkeit
als das Grundmaterial des Grundkörpers 1 im unbeschichteten
Zustand. Der Grundkörper 1 besteht z. B. aus Kupfer
oder Aluminium. An Oberflächen aus diesen Metallen wird
ein hoher Teil der ankommenden Strahlungsenergie reflektiert. Demgegenüber
bewirken die in der Materialschicht 2 zusätzlich
vorgesehenen Kohlenstoffnanofasern 5 eine deutliche höhere
Wärmeeinkopplung. Es resultieren somit erheblich reduzierte
Strahlungs- und Reflektionsverluste.
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Das
hohe Wärmeeinkopplungsvermögen und die hohe Wärmeleitfähigkeit
der Materialschicht 2 sind richtungsabhängig.
Insbesondere ist das Wärmeleitvermögen in Richtung
der Faserlängsrichtungen 6 der eingedrungenen
Kohlenstoffnanofasern 5 deutlich höher als in
anderen Richtungen. Dies ist vorteilhaft, da genau in dieser bevorzugten
Richtung der Wärmetransport durch den Grundkörper 1 erfolgen
soll.
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Neben
den guten thermischen Eigenschaften weist die Materialschicht 2 auch
eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit auf. Auch diese
wird durch die Kohlenstoffnanofasern 5 bewirkt und ist
ebenfalls ausgeprägt richtungsabhängig. Die elektrische
Leitfähigkeit der hergestellten Materialschicht 2 ist
wiederum in Richtung der Faserlängsrichtungen 6 höher als
in anderen Richtungen.
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Weiterhin
können anhand des beschriebenen Herstellungsverfahrens
neben den thermischen und den elektrischen Eigenschaften auch weitere
Eigenschaften, wie z. B. die mechanische und chemische Beständigkeit,
der herzustellenden Materialschicht 2 in weiten Grenzen
beeinflusst werden. Dies kann insbesondere durch eine entsprechende
Materialwahl für die Trägerschicht 4 und
die Fasern erreicht werden. Es lassen sich auch dielektrische Materialschichten
fertigen.
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Die
Materialschicht 2 kann eine Stärke von einigen
Nanometern bis zu mehreren Zentimetern aufweisen. Sie kann bei Bedarf
auch nachbearbeitet werden. Außerdem ist das beschriebene
Herstellungsverfahren auch mehrfach anwendbar. Es kann also ein
Schichtaufbau aus mehreren vergleichbar hergestellten Materialschichten 2 realisiert
werden. Hierbei können auch unterschiedliche Trägerschicht-Materialien
zum Einsatz kommen. Ebenso können die in die Trägerschicht 4 eingeschossenen Fasern
auch aus einem anderen Material, beispielsweise aus einer Keramik
oder einem Metall, bestehen.
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Durch
einen Schichtaufbau lässt sich die Wärme- oder
Kühlwirkung gezielt optimieren und an den jeweiligen Anwendungsfall
anpassen. Damit können Kühlaggregate bei gleicher
Leistungsfähigkeit kleiner ausgelegt werden. Mögliche
Anwendungsfälle sind neben der Leistungshalbleitertechnik auch
die Automobilindustrie im Bereich der Motorkühlung.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10103340
A1 [0006]
- - DE 10248644 A1 [0007]
- - US 6965513 B2 [0008]
- - DE 10327530 A1 [0009]