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Carbon
Nanotubes (CNTs) sind eine Modifikation des Kohlenstoffs, die eine
Röhrenstruktur aufweist, wobei die Enden offen oder geschlossen
sein können. Geschlossene CNTs kommen als einwandige, sogenannte
single-walled Nanotube (SWNT), zweiwandige (double-walled Nanotube
DWNT) oder mehrwandige (multi-walled Nanotube MWNT) vor. Bei zwei-
oder mehrwandigem Aufbau sind die Kohlenstoffröhrchen konzentrisch
angeordnet.
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CNTs
zeichnen sich durch eine hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit,
hohe Dehnbarkeit sowie hohe Streckgrenzen bei geringer Dichte aus. CNTs
besitzen eine hohe thermische Stabilität sowie eine extrem
hohe Wärmeleitfähigkeit, die bei defektfreien
SWNTs bis zu 6.000 W/mK betragen kann. Die hohen Bindungskräfte
der sp2-Bindungen einzelner Kohlenstoffatome
in SWNTs führen zu einem hohen Elastizitätsmodul
von 542 GPa sowie einer Zugfestigkeit von 65 GPa bei einer Dichte
von nur 1,4 g/cm3. Abweichungen ergeben
sich durch die Abhängigkeit der Eigenschaften vom Durchmesser
und der Struktur der CNTs. MWNTs mit einer Dichte von 1,8 g/cm3 weisen ein Elastizitätsmodul von
1.260 GPa auf.
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Aufgrund
der relativ großen Länge im Vergleich zum geringen
Durchmesser besitzen CNTs eine Formgestaltung, welche die elektrische
Leitfähigkeit begünstigt, da Elektronen nicht
an Kanten des Kristallgitters gestreut werden können. CNTs
sind entweder leitend oder halbleitend.
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In
der
US 2008/0093577
A1 wird auch bereits ein Verfahren zur Herstellung eines
Metall-Carbon-Nanotube-Verbundkörpers vorgeschlagen, bei dem
eine Menge von Carbon Nanotubes mit geschmolzenem Metall vermischt
und diese Mischung anschließend verfestigt werden soll.
Die Metallmatrix besteht aus Zink, Silber, Gold, Eisen, Aluminium, Kupfer,
Wolfram, Kobalt, Chrom, Nickel, Platin und Legierungen hiervon.
Die Carbon Nanotubes sollen in einer Menge von bis zu 20 Gew.% des
Ver bundkörpers vorliegen. Die Herstellung solcher Verbundwerkstoffe über
eine Schmelze scheitert jedoch in der Praxis daran, dass die spezifisch
wesentlich leichteren Carbon Nanotubes in der Schmelze aufschwimmen,
so dass ein poröser Verbundkörper mit geringer Zugfestigkeit
entsteht. Auch während des Mischens der Carbon Nanotubes
mit der Schmelze eingesetzte Rührwerke brachten keine zufrieden
stellenden Ergebnisse. Alternativ hierzu wird ein Verfahren angegeben,
bei dem eine pulvrige Metallmischung mit Carbon Nanotubes vermischt
und anschließend gesintert sowie abgekühlt wird.
Der pulvermetallurgische Weg mit abschließendem Sintern
und Abkühlen lässt zwar eine weitgehend homogene
Verteilung der Carbon Nanotubes ohne deren Entmischung zu, jedoch
zeigten die verwendeten CNTs mit Kupfer oder Kupferlegierungen,
insbesondere Bronzen oder Messing, zum Teil ein schlechtes Benetzungsverhalten aufgrund
unterschiedlicher Oberflächenspannungen, zum Teil waren
die CNTs bei hohen Sintertemperaturen thermisch instabil, zum Teil
traten auch unerwünschte Oxidationsprozesse auf.
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Es
ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Verbundkörper
aus Kupfer oder einer Kupferlegierung mit eingelagerten Carbon Nanotubes
zu schaffen, der gegenüber dem nach dem Stand der Technik
bekannten Verbundwerkstoffen eine verbesserte Härte aufweist,
ferner eine optimierte elektrische Leitfähigkeit sowie
eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit.
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Zudem
soll ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Verbundwerkstoffes
angegeben und eine Verwendung des Verbundwerkstoffes gefunden werden.
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Die
vorstehende Aufgabe wird durch einen Verbundkörper nach
Anspruch 1 gelöst.
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Dieser
Verbundkörper besitzt einen CNT-Anteil zwischen 0,1 Gew.%
bis 1,5 Gew.%, vorzugsweise zwischen 0,1 Gew.% und 1 Gew.%. Die
CNTs sind durch Sintern oder Abkühlen einer Schmelze zumindest
weitgehend homogen im Verbundkörper verteilt. Ein Abweichen
des prozentualen Gehaltes der Carbon Nanotubes zu höheren
Werten führt zu deutlich schlechteren mechanischen und
schlechteren elektrischen Eigenschaften, insbesondere sinkt die
Härte des Verbundkörpers erheblich.
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Zur
Herstellung des Verbundkörpers bieten sich die prinzipiell
nach dem Stand der Technik bekannten Wege an, nämlich der
pulvermetallurgische Weg mit anschließendem Sintern oder
heißisostatisches Pressen oder der schmelzmetallurgische
Weg, bei dem eine Metallschmelze aus Kupfer oder einer Kupferlegierung,
insbesondere Bronze oder Messing, mit CNT-Gehalten von 0,1 Gew.%
bis 1,5 Gew.% in einem Induktionstiegelofen erzeugt wird und diese
abschließend durch Abkühlung verfestigt wird.
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Beim
pulvermetallurgischen Weg wird ein Kupfer- oder Kupferlegierungspulver
mit einer Korngröße von 0,1 μm bis 100 μm,
vorzugsweise 0,5 μm bis 50 μm mit 0,1 Gew.% bis
1,5 Gew.% Carbon Nanotubes, vorzugsweise 0,1 Gew.% bis 1 Gew.% CNTs
gemischt, vorgepresst und anschließend bei einem Druck
zwischen 5 MPa und 200 MPa, vorzugsweise bei 30 MPa bis 50 MPa,
bei Temperaturen zwischen 450°C bis 900°C, vorzugsweise
750°C und 800°C gesintert oder heißisostatisch
gepresst. Vorzugsweise wird die Sinterbehandlung oder das Heißpressen,
zumindest ab einer Temperatur oberhalb von 600°C in einer
Inertgasatmosphäre durchgeführt.
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Alternativ
hierzu wird von einem Kupfer oder einer Kupferlegierung ausgegangen,
die auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Kupfers
oder der Kupferlegierung geschmolzen und zusammen mit den CNTs in
einer Menge von 0,1 Gew.% bis 1,5 Gew.%, vorzugsweise 0,1 Gew.%
bis 1 Gew.% vermengt werden. Die gleichmäßige
Verteilung der CNTs in der Schmelze wird durch eine Erwärmung
in einem Induktions-Tiegelofen erreicht, in dem die Flüssigkeit
in einer aufsteigenden und abfallenden Bewegung geführt
wird, bei der es zu einer intensiven Vermengung der CNTs in der
Schmelze führt. Eine Entmischung der CNTs und der flüssigen Metalle
wird durch ein rasches Abkühlen verhindert. Die vorzugsweise
gewählte Abkühlgeschwindigkeit liegt zwischen
10 K/s und 1.000 K/s. Die Abkühlung kann nach einer weiteren
Ausgestaltung der Erfindung durch bewegte Fluide, flüssige
Gase, insbesondere Stickstoff, oder Flüssigbäder
erfolgen, die jeweils dafür sorgen, dass die CNTs während
des Erstarrens nicht aufschwimmen.
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Auf
schmelzmetallurgischem Weg bieten sich noch folgende erfinderische
Alternativen an: Aus Vorgenanntem wird bereits deutlich, dass als
Ausgangsmaterial sowohl eine Mischung aus Cu- oder einem Cu-Legierungspulver
mit CNTs als auch CNTs mit Cu- oder Cu-Legierungsblöcken
gewählt werden können, da in beiden Fällen
das Cu oder die Cu-Legierung aufgeschmolzen und die im wesentlichen gleichmäßige
Verteilung der CNTs in der Schmelze durch die zirkulierende Badbewegung
im Induktionstiegelofen gewährleistet ist.
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Nach
einer weiteren Ausführungsvarianten ist es auch möglich,
zunächst einen Verbundkörper auf pulvermetallurgischem
Weg mit abschließendem Sintern herzustellen, der einen
hohen Anteil an CNTs aufweist, und diesen Sinterkörper
zusammen mit weiteren Cu- oder Cu-Legierungskörpern oder
-pulvern in einem Induktionstiegelofen zu erschmelzen.
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Die
Schmelze mit den CNTs wird abschließend entweder mit der
bereits erwähnten raschen Abkühlgeschwindigkeit
zum Erstarren gebracht oder bei Raumtemperatur ohne zusätzlich
Abkühlungsbeschleunigung abgekühlt. Im letztgenannten
Fall bildet sich ein Festkörper aus, der primär
erstarrte Bereiche, die CNT-frei sind und Bereiche, in denen CNTs enthalten
sind, aufweist. Die primär erstarrten Bereiche sind in
die sekundär erstarrten Bereiche eingebettet. Die Erstarrung
folgt dem Prinzip der Dendritenausbildung und der hierum erstarrten
Restschmelze.
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Die
erfindungsgemäßen Bauteile lassen sich insbesondere
für Elektroanschlüsse im Niedervoltbereich bis
hin zu Starkstromanwendungen bis 5.000 Ampere als Lagerbauteil oder
als Gleitwerkstoff oder unter Ausnutzung ihrer höheren
Temperatur- oder Druckbeständigkeit als Bauteil in Hochtemperaturanlagen
oder Hochdruckanlagen verwenden.
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Weitere
Vorteile der Erfindungen ergeben sich anhand der im Folgenden beschriebenen
Ausführungsbeispiele.
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In
einer Planetenmühle werden Pulver aus Cu oder Mischungen
aus Cu/Sn oder Cu/Zn, zum Teil mit geringen Metallbeimischungen,
gemahlen, bis eine mittlere Korngröße von 45 μm,
10 μm oder 3 μm erreicht ist. Die jeweils zu den
Chargen hinzugegebenen CNTs hatten einen Durchmesser von 10 nm bis 50
nm und eine Länge von 0,5 μm bis 200 μm.
Der prozentuale Anteil der CNTs an der Gesamtmischung betrug in
unterschiedlichen Chargen 0,5 Gew.%, 1 Gew.%, 2 Gew.% oder 4 Gew.%
(letztere als außerhalb des beanspruchten Bereiches liegende
Vergleichsmischung).
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In
den durchgeführten Versuchen mit unterschiedlichen Pulvergrößen
der eingesetzten Metallpulver konnte eine homogenere Verteilung
der Komponenten bei feineren Pulvern erkannt werden. Pulver mit
einem Korngrößendurchmesser von 10 μm oder
45 μm hatten eine kugelige Form, wohingegen Cu-Pulver mit
einer Korngröße von 3 μm eine dendritische
Struktur aufweisen. Aufgrund der stark verästelten Form
des dendritischen Cu-Pulvers ist bereits nach kurzer Mahldauer eine
intensive Verhakung zwischen den Pulver-Dendriten und den CNTs gegeben,
die bereits im Pulver-CNT-Gemisch für eine homogene Verteilung
sorgt, die auch bei einer späteren Sinterung oder einem
Heißpressen aufrechterhalten werden kann.
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Die
gemahlene Mischung aus Cu bzw. den Legierungen und den CNTs wurde
in unterschiedlichen Chargen bei Sintertemperaturen zwischen 540°C
und 950°C, insbesondere bei 750°C und 800°C
bei Drücken zwischen 30 MPa bis 40 MPa heißgepresst
und anschließend abgekühlt. Zum Teil wurden die
Aufheizung, die Sinterung sowie die Abkühlung unter einer
Argon-Schutzgasatmosphäre durchgeführt. Die anschließend
an den Verbundkörpern festgestellten Ergebnisse zeigen,
dass die Substratkörper mit einem CNT-Anteil von 10% eine
völlig unzureichende theoretische Dichte besaßen,
die in einem Fall sogar zum Bruch des Sinterkörpers führte. Auch
die Porosität bei einem CNT-Gehalt von 2 Gew.% war deutlich
größer als bei geringeren CNT-Gehalten. Konkret
ließ sich die Dichte bei Verwendung von 0,5 Gew.% und 1
Gew.% CNTs gegenüber solchen Cu- oder Cu-Legierungskörpern
ohne CNT deutlich steigern, wohingegen eine Erhöhung des
prozentualen Anteils der CNTs auf 2% zu einer Verschlechterung führte.
Da die Sinterung der Metall-CNT-Gemische bei Temperaturen unterhalb
der Schmelztemperatur der Metalle durchgeführt wird, lässt
sich die während des Mischens der Ausgangsstoffe eingestellte
Verteilung beim Sintern (oder Heißpressen) aufrechterhalten.
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In
einer weiteren Versuchsreihe sind die Brinell-Härten von
Sinterkörpern untersucht worden.
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1 zeigt
ein Diagram, in dem die Brinell-Härte in Abhängigkeit
der gewichtsprozentualen Anteile der CNTs aufgetragen ist.
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Die
Härte von Kupfer wird in der Literatur üblicherweise
mit 35 HB angegeben. Ein Sinterkörper, dessen Ausgangsmischung
Kupferpulver einer Partikelgröße von 45 μm
aufwies und der anschließend gesintert wird, besitzt eine
Härte von ca. 58 HB.
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Wird
der Ausgangsmischung ein Gehalt von 0,5 Gew.% CNT zugegeben, so
kann die Härte des fertig gesinterten Körpers
auf über 59 HB gesteigert werden. Wie 1 zu
entnehmen ist, besitzen Verbundkörper mit einem Anteil
von 1 Gew.% CNT noch eine vergleichsweise hohe Härte von
ca. 55 HB. Deutlich schlechtere Werte hatten durch Sintern herstellte
Verbundkörper, die einen Gehalt von 2 Gew.% oder 4 Gew.%
CNT enthielten.
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Erheblich
größere Härtesteigerungen lassen sich
anscheinend erzielen, wenn Ausgangspulver mit geringerer Korngröße
verwendet werden. So wurde die Brinell-Härte einer Cu-Matrix
bei Einlagerung von 0,5 Gew.% CNTs von 56,5 HB auf 81,3 HB gesteigert. Bei
Verwendung einer Ausgangsmischung, die ein Cu-Pulver von 10 μm
enthielt, konnte eine Brinell-Härte auf 71,9 HB bei Verwendung
von 0,5 Gew.% CNT erzielt werden. Die aufgefundenen Ergebnisse zeigen,
dass gegenüber einem durch Sintern hergestellten Cu-Körper
bei Verwendung einer Ausgangsmischung, der 0,5 Gew.% CNT beigemengt
waren, einheitlich eine Härtesteigerung zu beobachten war.
Die Härte nahm bei höheren CNT-Gehalten von 1
Gew.% bis 1,5 Gew.% kontinuierlich ab, war jedoch noch zufrieden
stellend, wohingegen Verbundkörper mit 2 Gew.% CNTs oder
mehr schlechtere Härtewerte besaßen.
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Einheitlich
feststellbar ist auch, dass feinere Cu-Korngrößen
in der Ausgangsmischung zu höheren Härten des
Sinter-Verbundkörpers führten. In allen vorbeschriebenen
Versuchen sind gleiche CNTs vom Typ MWNT mit 9,54 ± 2,69
nm Innendurchmesser, 19,21 ± 4,03 nm Außendurchmesser
und 0,5 bis 200 μm Länge verwendet worden.
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In
einer weiteren Versuchsreihe ist die elektrische Leitfähigkeit
der Verbundkörper untersucht worden.
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Beim
Sintern von Cu-Pulvern (oder anderen Metallpulvermischungen oder
Legierungen) ist die theoretische Dichte nur annähernd
zu erreichen. Aufgrund der im Sinterkörper enthaltenen
Restporositäten ergibt sich bei einem aus einem Kupferpulver
hergestellten Sinterkörper eine Leitfähigkeit
von 58 MS/m, die leicht unter dem Referenzwert von 59,59 MS/m liegt.
Die elektrische Leitfähigkeit verschlechtert sich gegenüber
reinen Cu-Sinterkörpern mit wachsendem CNT-Gehalt im Cu-CNT-Verbundkörper
kontinuierlich, wobei die größte Leitfähigkeit
bei einem CNT-Gehalt von 1 Gew.% (ca. 50 MS/m) und nur eine geringfügige
Verschlechterung bei einem Gehalt von 0,5 Gew.% CNT zu messen war.
Die Leitfähigkeit sank jedoch deutlich bei 2 Gew.% CNT
im Verbundkörper ab (siehe 2). Die
Messergebnisse gemäß 2 sind mit
CNTs vom Typ MWNTs erhalten worden. In MWNTs wird die elektrische
Leitfähigkeit im Wesentlichen durch das äußerste
Nanoröhrchen getragen, während sie sich durch
Interaktionen mit den inneren Coaxial-Nanoröhrchen verschlechtern
kann. Es ist zu erwarten, dass durch die Verwendung von SWNTs die
elektrische Leitfähigkeit verbessert wird bzw. gegenüber
reinen Metallen erhalten bleibt, während die Stromdichte
wesentlich erhöht werden kann, ohne den Verbundkörper
zu schädigen. SWNTs können Stromdichten von maximal 109
A/cm2 aufrechterhalten, was eine um 3 Größenordnungen
gegenüber reinem Kupfer gesteigerte Stromdichte ist.
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Nach
einer weiteren Variante der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen,
die CNTs im Verbundkörper durch Umformprozesse wie Walzen,
Strangpressen oder Ziehen gezielt auszurichten, womit sich die elektrische
Leitfähigkeit und die Festigkeit nochmals steigern lassen.
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Weitere
Untersuchungen sind mit Kupferlegierungen gemacht worden, deren
Ergebnisse 3 bis 6 zu entnehmen
sind. In diesen Versuchen sind jeweils die elektrischen Leitfähigkeiten
in Abhängigkeit der Ausgangsmetallpulvergröße
bei unterschiedlichen CNT-Gehalten sowie in Abhängigkeit des
CNT-Gehaltes für unterschiedliche Pulvergrößen dargestellt.
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Einheitlich
wurde eine Legierung der Zusammensetzung CuSn10Ni8Zn3 verwendet,
wobei das betreffende Legierungspulver gemahlen und mit CNT der
bereits vorbeschriebenen Art vermengt wurde. Wie 3 zu
entnehmen ist, steigt die elektrische Leitfähigkeit eines
Verbundkörpers, der einheitlich 0,5 Gew.% CNTs enthält,
deutlich an, sofern in der Pulverausgangsmischung die Metallpulvergröße
gesteigert wird. Allerdings ist hier bei einer Metallpulvergröße
von 3 μm (dendritische Struktur) ein leichtes Absinken
gegenüber dem Referenzwert von 5,2 MS/m festzustellen.
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Eine
einheitliche Steigerung der elektrischen Leitfähigkeit
ist festzustellen, sofern die CNT-Gehalte in der Legierung auf 0,1
Gew.% erhöht werden. Sowohl für Metallpulver von
3 μm als auch für Metallpulver von 10 μm
sind Leitfähigkeitssteigerungen, bei 10 μm von
5,2 auf 6,2 MS/m festzustellen.
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5 und 6 zeigen
die Abhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit
bei unterschiedlichen CNT-Gehalten. Einheitlich und zwar sowohl
bei Ausgangspulverteilchengrößen von 3 μm
wie auch bei 45 μm ist die größte Leitfähigkeit
bei Verwendung von CNT-Gehalten von 0,1 Gew.% zu messen. Eine verbesserte
Leitfähigkeit gegenüber dem Referenzwert von 5,2
MS/m ergibt sich bei Pulvergrößen von 45 μm auch
noch bei CNT-Gehalten von 0,5%, wohingegen bei kleineren Teilchengrößen
eine leichte Leitfähigkeitsverschlechterung festzustellen
ist (siehe 6).
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In
einer weiteren Versuchsreihe sind Verbundkörper aus Kupfer
und Kupferlegierungen mit eingelagerten Carbon Nanotubes über
einen Schmelzprozess gefertigt wor den. Hierbei gibt es 4 Möglichkeiten,
nämlich das Schmelzen von CNT/Cu-Pulvermischungen, die
Zugabe von CNTs oder CNT/Cu-Pulvermischungen in die flüssige
Kupferschmelze oder das Aufschmelzen von gesinterten CNT/Cu-Kompositen.
Beim Aufschmelzen von gesinterten CNT/Cu-Verbundkörpern
können CNT-Gehalte von 20 Gew.% eingestellt werden, da
diese Verbundkörper zusammen mit reinen Metallen in einem Induktionstiegelofen
erschmolzen werden, wobei die hinzuzufügende Metall- oder
Metalllegierungsmenge so groß gewählt wird, dass
sich der gewünschte CNT-Gehalt von maximal 1,5 Gew.%, vorzugsweise maximal
1 Gew.%, bezogen auf die Gesamtmenge, ergibt.
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In
einer ersten Reihe sind Kupferpulver mit einer mittleren Korngröße
von weniger als 45 μm mit 1 Gew.% MWNTs (9,54 ± 2,69
nm Innendurchmesser, 19,21 ± 4,03 nm Außendurchmesser
und 0,5 μm bis 200 μm Länge) 2 Stunden
in einer Kugelmühle dispergiert. Anschließend
wurde das gemahlene und gemischte Pulver in einem Graphittiegel
je nach Charge 1 bis 2 Stunden bei einer Temperatur von 1.200°C
in Schutzgas, nämlich einer Argonatmosphäre, im
Ofen erhitzt. Hierbei konnte herausgefunden werden, dass ab einer
Temperatur von 850°C sich die Metallbereiche vereinigen
und oberhalb des Schmelzpunktes von Cu bei 1.083°C eine
Separation zwischen der Kupferschmelze und den CNTs eintrat. Soweit
noch eine Bindung zwischen Kupferpartikeln und CNT im abgekühlten
Festkörper besteht, ist diese auf entsprechende Reaktionen
beim Mahlen zurückzuführen. Ähnliche
Effekte ergeben sich, sofern CNTs in eine Kupferschmelze eingerührt
oder ein gemahlenes CNT/Cu-Pulver in eine Kupferschmelze gemischt
wird.
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In
einer weiteren Versuchsreihe sind Mischungen von Cu/CNT-Pulvern
in einem Induktionsofen unter Schutzgas, nämlich Argon,
geschmolzen worden. Aufgrund der induzierten Wirbelströme
entstehen in der Schmelze große Turbolenzen, die zu einer
intensiven Mischung der aufschmelzenden Cu-Teilchen und der CNTs
führen. Das Abgießen der Schmelze erfolgte in
eine mit flüssigem Stickstoff abgekühlte Form,
wo die Schmelze rasch erstarrte.
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Die
auf schmelzmetallurgischem Weg hergestellten Verbundkörper
wurden untersucht, wobei festgestellt werden konnte, dass die Separation
zwischen dem Metall als Matrixmaterial und dem CNTs bei solchen
Verbundkörpern am geringsten war, bei denen von einem Pulver
mit einer mittleren Korngröße von 10 μm
ausgegangen wurde.
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Eine
schmelzmetallurgische Herstellung mit anschließender rascher
Abkühlung, bei der beispielsweise der die Schmelze enthaltende
Tiegel in flüssigen Stickstoff getaucht wird, führt
dazu, dass die im Tiegelofen eingestellte relative gleichmäßige
Verteilung der CNTs „eingefroren” wird. Solche
Körper besitzen eine geringe Restporosität, die
für Lagerbauteile derart ausgenutzt werden kann, dass die
Poren als „Schmierkammern” (Schmierstoffreservoir)
dienen. Die auf schmelzmetallurgischem Weg hergestellten Körper
besitzen eine gegenüber reinen Kupfer- oder Kupferlegierungskörpern
gesteigerte Härte.
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Sollen
die Verbundkörper für Anwendungszwecke verwendet
werden, bei denen sich eine Porosität störend
auswirkt, lässt sich die Restporosität durch Walzen
oder Pressen des betreffenden Bauteils reduzieren.
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In
einer weiteren Versuchsreihe ist die Schmelze an Luft abgekühlt
worden, so dass die Erstarrung deutlich langsamer vonstatten ging.
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In
einem ersten Versuch sind CNTs vom Typ MWNTs in einer Planentenmühle
mit Ethanol zwei Stunden gemahlen und nach dem Mahlen anschließend
getrocknet worden (bis zur völligen Entfernung des Ethanols).
Hierauf ist eine Menge an CNTs in eine Kupferschmelze gegeben worden,
die 0,5 Gew.% entsprach. Die Schmelze befand sich in einem Induktionstiegelofen,
so dass durch die Badbewegung die CNTs im Wesentlichen homogen verteilt wurden.
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Nach
ausreichender Durchmischung der CNTs in der Schmelze ist die Schmelze
an Luft abgekühlt worden. Anders als bei der raschen Abkühlung bildeten
sich unterschiedliche Bereiche aus, die im Folgenden als zwei unterschiedliche
Phasen bezeichnet werden. Eine Phase erstarrt früher und
besteht aus reinem Kupfer, wohingegen die andere Phase eine mit
CNTs durchmengte Kupfermatrix enthält. Die unterschiedlichen
Phasen sind 7 und 8 zu entnehmen,
wobei die Cu-Phasen-Bereiche hell erscheinen und die Phase, die
CNTs in der Cu-Matrix enthält, dunkel bzw. mit schwarzen
Punkten deutlich wird.
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Die
Härte des derart hergestellten Körpers wurde mit
54,05 HB gemessen, was gegenüber dem Referenzwert eines
reinen Cu-Körpers mit 35 HB eine deutliche Steigerung beträgt.
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In
einem weiteren Versuch sind 0,5 Gew.% MWNTS mit Kupferpulver einer
Korngröße von weniger als 45 μm gemahlen.
Diese Pulver/CNT-Mischung ist unter 15-minütigem Rühren
in eine Kupferschmelze gegeben worden, die anschließend
an Luft abgekühlt wurde. Auch bei diesem verfestigten Verbundkörper
konnte eine Brinellhärte von 47 HB, das heißt
eine deutliche Steigerung gegenüber einem reinen Cu-Körper
festgestellt werden.
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Die
mechanischen Eigenschaften der Verbundkörper hängen
in erheblichem Maße von der homogenen Verteilung der CNTs
und der guten Verbindung der CNTs mit dem Matrixmaterial ab. Für
Elektroanschlüsse werden bevorzugt Verbundkörper
mit SWNT-Einlagerungen verwendet. Soweit es auf die Härte
auf des Verbundwerkstoffes ankommt, sollte der Anteil der CNTs im
Verbundkörper auf 1 Gew.% begrenzt werden. Bei der Verwendung
von Verbundwerkstoffen als Lagerbauteilen mit höheren CNTs
bis zu 1,5 Gew.% kann die mit höheren CNT-Gehalten wachsende
Porosität dazu genutzt werden, dass die Poren als Schmierstoffreservoire
in Lagerbauteilen dienen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 2008/0093577
A1 [0004]