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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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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 eine Vielzahl von länglichen,
jeweils eine Faserlängsrichtung aufweisenden Fasern, die
jeweils in Richtung ihrer Faserlängsrichtung eine größere
Wärmeleitfähigkeit haben als in einer anderen
Richtung, mittels eines Volumenstroms eines Transportmediums in
einer Transportrichtung transportiert wird, der Volumenstrom auf eine
Oberfläche eines zu beschichtenden Grundmaterials geleitet
wird, die Fasern in dem Volumenstrom vor dem Auftreffen auf die
Oberfläche zumindest zu einem großen Teil so ausgerichtet
werden, dass ihre jeweilige Faserlängsrichtung parallel
zu der Transportrichtung orientiert ist, und die Fasern auf eine ausreichend
hohe kinetische Energie gebracht werden, sodass sie beim Auftreffen
auf die Oberfläche in Richtung ihrer Faserlängsrichtung
in das Grundmaterial eindringen und eine feste Verbindung mit dem Grundmaterial
eingehen, wodurch an der Oberfläche des Grundmaterials
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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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren werden also 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 dem Volumenstrom des Transportmediums in etwa parallel
zueinander und zu der Transportrichtung ausgerichtet und vor allem
auch auf eine hohe Geschwindigkeit beschleunigt. Die Fasern sind
insbesondere bei einer hohen Transportgeschwindigkeit bemüht,
dem Volumenstrom einen möglichst geringen Reibungswiderstand
entgegenzusetzen. Sie richten sich deshalb so aus, dass ihre vergleichsweise
kleine Stirnfläche dem Volumenstrom des Transportmediums
entgegengestellt ist.
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Die
so ausgerichteten und beschleunigten Fasern werden wie kleine Pfeile
in die Oberfläche des zu beschichtenden Grundmaterials
in Richtung Ihrer Faserlängsrichtung und damit auch in
etwa der Transportrichtung des Transportmediums eingeschossen. Sie
können dabei vollständig oder auch nur teilweise
in das Grundmaterial eindringen. Aufgrund ihrer hohen kinetischen
Energie gehen sie mit dem Grundmaterial eine kraft-, form- und/oder
stoffschlüssige feste Verbindung ein. Für die
so hergestellte wärmeleitfähige Materialschicht
resultiert ein Matrixaufbau aus dem Grundmaterial und den eingedrungenen
Fasern, wobei die Fasern ausgerichtet sind.
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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.
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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. Die Schichtdicke der wärmeleitfähigen
Materialschicht kann innerhalb weiter Grenzen variiert werden. Darüber
hinaus zeichnet sich die wärme leitfähige 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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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung wird der Volumenstrom mit den mitgeführten
Fasern durch eine Düse, insbesondere unter Druck durch eine
Laval-Düse, hindurchgeleitet, wodurch die Fasern vorzugsweise
auf Geschwindigkeiten bis knapp unterhalb der Schallgeschwindigkeit
beschleunigt und insbesondere auf eine sehr hohe kinetische Energie
gebracht werden können. Dadurch steigen der Grad der Ausrichtung
der Fasern innerhalb des Transportmediums und als Folge davon die
Qualität der hergestellten Materialschicht mit der vorzugsweise
ausgeprägt richtungsabhängigen Wärmeleitfähigkeit.
Sehr stark beschleunigte Fasern dringen besser und tiefer in die
Oberfläche des zu beschichtenden Grundmaterials ein.
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Weiterhin
ist es vorzugsweise vorgesehen, dass der zu beschichtenden Oberfläche
zusätzlich thermische Energie zugeführt wird,
insbesondere indem das Transportmedium erwärmt wird. Dadurch wird
die Oberfläche des zu beschichtenden Grundmaterials geschmeidiger
oder weicher gemacht, sodass die Fasern besser eindringen können.
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Vorzugsweise
ist es außerdem möglich, dass als Transportmedium
ein Gas oder ein Gasgemisch, das insbesondere ein Brenngas enthält,
vorgesehen wird. Dabei ist unter einem Brenngas ein brennbares Gas
oder das erwärmte Abgas einer Verbrennungsreaktion zu verstehen.
Solche Gase eignen sich sehr gut zum Transport der Fasern. Außerdem
können insbesondere Brenngase, die aus einem Verbrennungsprozess
resultieren, bereits einen thermischen Energiegehalt aufweisen,
sodass die zu beschichtende Oberfläche des Grundmaterials,
wie bereits erwähnt, weicher und geschmeidiger gemacht
wird. Der Gasdruck des als Transportmedium eingesetzten Gases kann
beispielsweise im Bereich zwischen 2 Bar und 90 Bar (1 Bar = 10–5 Pa = 10–5 N/m2) liegen. Die Flammtemperatur des vorgeschalteten
Verbrennungsvorgangs beträgt z. B. bis zu 3300°C.
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Gemäß einer
weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird der Oberfläche
des zu beschichtenden Grundmaterials mittels des Volumenstroms ein
Faser-Pulver-Gemisch zugeleitet, das neben den Fasern auch ein Pulver
enthält. 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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Bei
einer anderen bevorzugten Variante wird die wärmeleitfähige
Materialschicht strukturiert hergestellt, indem eine Auftreffquerschnittsfläche
des die Fasern mitführenden Volumenstroms auf der zu beschichtenden
Oberfläche und die zu beschichtende Oberfläche
relativ zueinander bewegt werden. Diese Relativbewegung kann beispielsweise
durch Verwendung einer den Volumenstrom senkrecht zur Transportrichtung
begrenzenden und zumindest in einer senkrecht zur Transportrichtung
orientierten Ebene (= horizontal) bewegbar angeordneten Auftragseinheit
erreicht werden. Diese Auftragseinheit umfasst vorzugsweise eine
Austrittsdüse, durch die der Volumenstrom hindurchtritt.
Die Strukturierung der herzustellenden Materialschicht erlaubt eine
sehr gezielte und an den jeweiligen An wendungsfall speziell angepasste
Einstellung der Wärmeleitfähigkeit. 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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Gemäß einer
weiteren günstigen Ausgestaltung wird für die
Fasern ein kohlenstoff- oder keramikhaltiges Material vorgesehen.
Diese Stoffe lassen sich mit einer besonders großen mechanischen
Stabilität bzw. Härte herstellen. Dies ist günstig,
um bei dem Auftreffen der stark beschleunigten Fasern auf die Oberfläche
des zu beschichtenden Grundmaterials ein Eindringen in das Grundmaterial
zu gewährleisten. Außerdem haben diese Stoffe
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.
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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 das Grundmaterial 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 Wärmeleitfä higkeit, 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 Grundmaterials 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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Weiterhin
kann vorzugsweise für die Fasern ein Schichtaufbau aus
einem Fasergrundmaterial und mindestens einem auf das Fasergrundmaterial aufgebrachten
Faserbeschichtungsmaterial vorgesehen werden. 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 Matrixgrundmaterial der insgesamt herzustellenden
Materialschicht dient. Beim Auftreffen derartig beschichteter Fasern
auf die Oberfläche des Grundmaterials kann sich das Faserbeschichtungsmaterial
aufgrund der hohen kinetischen Energie verflüssigen. Nach dem
Wiedererstarren verfestigt es somit den Zusammenhalt zwischen der
eingeschossenen Faser und dem Grundmaterial. Außerdem kann
mittels beschichteter Fasern auch eine Lötbarkeit der herzustellenden
Materialschicht eingestellt werden. Dazu wird als Faserbe schichtungsmaterial
eine lötbare Substanz, beispielsweise Kupfer, vorgesehen.
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Weitere
Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles
anhand der Zeichnung. Es zeigt:
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1 einen
Kühlkörper während eines Beschusses mit
Kohlenstoffnanofasern zur Herstellung einer wärmeleitfähigen
Materialschicht an der Oberfläche des Kühlkörpers,
und
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2 den
Kühlkörper gemäß 1 mit
der hergestellten wärmeleitfähigen Materialschicht
an seiner Oberfläche mit vergrößerten
Teilausschnitten.
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Einander
entsprechende Teile sind in 1 und 2 mit
denselben Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist
ein Kühlkörper 1 für ein nicht
näher dargestelltes Leistungshalbleitermodul gezeigt. Er
hat eine Oberfläche 2, an der eine aus 2 näher
ersichtliche wärmeleitfähige Materialschicht 3 erzeugt
werden soll. Der Kühlkörper 1 besteht
aus einem Grundmaterial, das beim Ausführungsbeispiel Aluminium
ist.
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Auf
die Oberfläche 2 wird während des in 1 gezeigten
Herstellungsvorgangs ein Volumenstrom 4 eines Transportmediums 5 geleitet.
Das Transportmedium 5 ist gasförmig. Beim Ausführungsbeispiel
handelt es sich um ein Brenngas, das aus einem vorgeschalteten nicht
näher gezeigten Verbrennungsvorgang stammt, während
dessen es auf hohe Temperaturen von bis zu etwa 3000°C
erwärmt worden ist.
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Der
Volumenstrom 4 führt außerdem auch Kohlenstoffnanofasern 6 mit
sich. Diese Kohlenstoffnanofasern 6, von denen eine in 2 in
einer schematischen vergrößerten Darstellung wiedergegeben ist,
haben eine längliche Gestalt in etwa in Form eines Röhrchens
oder eines Zylinders. Eine Faserlängsrichtung 7 jeder
der Kohlenstoffnanofasern 6 ist durch die Mittenachse dieses
Röhrchens bzw. Zylinders bestimmt.
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Die
verwendeten Kohlenstoffnanofasern 6 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 7 (= z- oder Mittenachsenrichtung
der Röhrchen) aus. Außerdem haben sie eine sehr
hohe mechanische Festigkeit und eine hohe chemische Beständigkeit.
Als Kohlenstoffnanofasern 6 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 6 eingesetzt,
die auch als Carbonnanofasern (engl. „Carbon Nano Tubes"
oder abgekürzt „CNT") bezeichnet werden. Dabei
haben diese Kohlenstoffnanofasern 6 einen Innendurchmesser
von mindestens 1 nm, einen Außendurchmesser von mindestens
5 nm und eine Faserlänge in der Faserlängsrichtung 7 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 gut zur Einkopplung verschiedener Energieformen.
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Der
Volumenstrom 4 mit den mitgeführten Kohlenstoffnanofasern 6 wird
mittels einer Auftragseinheit 8 auf die zu beschichtende
Oberfläche 2 gerichtet. In der Auftragseinheit 8 werden
das gasförmige Transportmedium 5 und die Kohlenstoffnanofasern 6 zunächst
zusammengebracht und dann unter hohem Druck, beispielsweise unter
einem Druck im Bereich zwischen 2 Bar und 90 Bar, durch eine Laval-Düse 9 geleitet.
Dadurch werden die Kohlenstoffnanofasern 6 extrem beschleunigt.
Ihre Geschwindigkeit liegt insbesondere nur knapp unterhalb der Schallgeschwindigkeit.
Nach dem Austritt aus der Laval-Düse 9 haben die
Kohlenstoffnanofasern 6 also eine sehr hohe kinetische
Energie. Aufgrund der hohen Geschwindigkeit richten sich die Kohlenstoffnanofasern 6 außerdem
mit ihrer Faserlängsrichtung 7 in etwa parallel
zu der Strömungs- bzw. Transportrichtung des Volumenstroms 6 aus,
um einen möglichst geringen Strömungswiderstand
zu bieten. Die vor dem Beschleunigungsvorgang innerhalb der Laval-Düse 9 mehr
oder weniger ungeordnet in dem Volumenstrom 4 angeordneten
Kohlenstoffnanofasern 6 sind nach dem Austritt aus der
Laval-Düse 9 also im Wesentlichen parallel zueinander
und zur Transportrichtung des Volumenstroms 4 ausgerichtet.
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Die
so ausgerichteten Kohlenstoffnanofasern 6 treffen mich
hoher kinetischer Energie auf die zu beschichtende Oberfläche 2 und
dringen wie kleine Pfeile in diese ein. Dabei kommt es zu einer
mechanisch festen Verbindung mit dem Grundmaterial des Kühlkörpers 1.
Diese Verbindung beruht auf einem Kraft-, Form- und/oder Stoffschluss.
Die Eindringtiefe der Kohlenstoffnanofasern 6 in das Grundmaterial
des Kühlkörpers 1 kann variieren. Die
Eindringrichtung wird im Wesentlichen durch die Transportrichtung
des Volumenstroms 4 bestimmt, zu der die Kohlenstoffnanofasern 6 mit
ihrer Faserlängsrichtung 7 ausgerichtet sind.
Auch die in das Grundmaterial des Kühlkörpers 1 eingedrungenen
und dort fest verankerten Kohlenstoffnanofasern 6 sind,
wie aus 2 ersichtlich, im Wesentlichen
parallel zueinander ausgerichtet sind.
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Der
Volumenstrom 4 hat beim Auftreffen auf die zu beschichtende
Oberfläche 2 eine Auftreffquerschnittsfläche 10,
deren Abmessungen in einer Ebene senkrecht zur Transportrichtung
des Volumenstroms 4 begrenzt sind. Die Auftreffquerschnittsfläche 10 wird
im Wesentlichen durch die Laval-Düse 9 bestimmt.
Mittels einer Relativbewegung zwischen dem zu be schichtenden Kühlkörper 1 und
der Auftragseinheit 8 kann eine sukzessive Beschichtung des
Kühlkörpers 1 in dem gewünschten
Umfang erfolgen. Beim gezeigten Ausführungsbeispiel lässt sich
die Auftragseinheit 8 horizontal und bei Bedarf auch vertikal
bewegen. Beide Bewegungsmöglichkeiten sind durch Bewegungspfeile 11 bzw. 12 angedeutet.
Mittels einer entsprechenden Bewegung der Auftragseinheit 8 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 6 abgesehen werden.
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Bei
dem in 1 gezeigten Herstellungsverfahren erfolgt also
zur Herstellung der wärmeleitfähigen Materialschicht 3 ein
Eintrag – nämlich der Kohlenstoffnanofasern 6 – in
die Oberfläche 2 des Kühlkörpers 1.
Der Bereich, in dem die Kohlenstoffnanofasern 6 in das
Grundmaterial des Kühlkörpers 1 eingedrungen
sind, bildet die herzustellende wärmeleitfähige
Wärmematerialschicht 3. Sie hat eine Matrixstruktur
und weist besonders günstige thermische Eigenschaften auf.
So hat die wärmeleitfähige Materialschicht 3 eine
deutlich bessere Wärmeeinkopplungs- und Wärmetransportfähigkeit
als das Aluminium-Grundmaterial des Kühlkörpers 1 im
unbeschichteten Zustand. An Aluminium-Oberflächen wird
ein hoher Teil der ankommenden Strahlungsenergie reflektiert. Demgegenüber
bewirken die in der Materialschicht 3 zusätzlich
vorgesehenen Kohlenstoffnanofasern 6 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 3 sind richtungsabhängig.
Insbesondere ist das Wärmeleitvermögen in Richtung
der Faserlängsrichtungen 7 der eingedrungenen
Kohlenstoffnanofasern 6 deutlich höher als in
anderen Richtungen. Dies ist vorteilhaft, da genau in dieser bevorzugten
Richtung der Wärmetransport durch den Kühlkörper 1 erfolgen soll.
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Neben
den guten thermischen Eigenschaften weist die Materialschicht 3 auch
eine sehr gute elektrische Leitfähigkeit auf. Auch diese
wird durch die Kohlenstoffnanofasern 6 bewirkt und ist
ebenfalls ausgeprägt richtungsabhängig. Die elektrische
Leitfähigkeit der hergestellten Materialschicht 3 ist
wiederum in Richtung der Faserlängsrichtungen 7 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 3 in weiten Grenzen
beeinflusst werden. Dies kann insbesondere durch eine entsprechende
Materialwahl für das Grundmaterial und die Fasern erreicht
werden. Es lassen sich auch dielektrische Materialschichten fertigen.
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Die
Materialschicht 3 kann eine Stärke von einigen
wenigen 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 3 realisiert werden.
Hierbei können auch unterschiedliche Grundmaterialien zum
Einsatz kommen. Ebenso können die in die Oberfläche 2 eingeschossenen
Fasern auch aus einem anderen Material, beispielsweise aus einer
Keramik, 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]