DE102012208334A1

DE102012208334A1 - Verfahren zum verbinden eines metalls mit einem substrat

Info

Publication number: DE102012208334A1
Application number: DE201210208334
Authority: DE
Inventors: Michael J. Walker; Bob R. Powell jun.
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2011-05-23
Filing date: 2012-05-18
Publication date: 2012-11-29
Anticipated expiration: 2032-05-19
Also published as: DE102012208334B4; CN102794436B; US20120301743A1; US8889226B2; CN102794436A

Abstract

Es wird hierin ein Verfahren zum Verbinden eines Metalls mit einem Substrat offenbart. Das Verfahren umfasst, dass eine Nanobürste an einer Oberfläche des Substrats gebildet wird, wobei die Nanobürste eine Vielzahl von Nanodrähten umfasst, die sich über die Substratoberfläche hinaus erstrecken. Das Metall wird in einem geschmolzenen Zustand auf die Substratoberfläche eingeleitet, und das Metall umgibt die Nanodrähte. Durch Abkühlen verfestigt das Metall, das die Nanodrähte umgibt, und während des Verfestigens wird zumindest eine mechanische Verdet.

Description

VERWEIS AUF EINE VERWANDTE ANMELDUNG
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 61/488,967, die am 23. Mai 2011 eingereicht wurde.
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein Verfahren zum Verbinden eines Metalls mit einem Substrat.
HINTERGRUND
Viele Kraftfahrzeugteile werden beispielsweise aus Aluminium oder Stahl hergestellt. In einigen Fällen kann es wünschenswert sein, zumindest einen Abschnitt des Aluminium- oder Stahlteils durch ein Material mit geringerem Gewicht zu ersetzen, wie beispielsweise durch Magnesium. Das Vorhandensein des Materials mit geringerem Gewicht kann in einigen Fällen das Gesamtgewicht des Kraftfahrzeugteils verringern.
ZUSAMMENFASSUNG
Es wird hierin ein Verfahren zum Verbinden eines Metalls mit einem Substrat offenbart. Das Verfahren umfasst, dass eine Nanobürste an einer Oberfläche des Substrats gebildet wird, wobei die Nanobürste eine Vielzahl von Nanodrähten umfasst, die sich über die Substratoberfläche hinaus erstrecken. Das Metall wird in einem geschmolzenen Zustand auf die Substratoberfläche eingeleitet, und das Metall umgibt die Nanodrähte. Durch Abkühlen verfestigt das Metall, das die Nanodrähte umgibt, und während des Verfestigens wird zumindest eine mechanische Verzahnung zwischen dem Metall und dem Substrat gebildet.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden durch Bezugnahme auf die nachfolgende ausführliche Beschreibung und die Zeichnung offensichtlich werden, in denen gleiche Bezugszeichen ähnlichen, wenn auch manchmal nicht identischen, Komponenten entsprechen. Der Kürze halber können Bezugszeichen oder Merkmale, die eine zuvor beschriebene Funktion aufweisen, in Verbindung mit anderen Zeichnungen, in denen sie auftreten, beschrieben werden oder auch nicht.
1A bis 1G stellen ein Beispiel eines Verfahrens zum Verbinden eines Metalls mit einem Substrat schematisch dar;
1G–A ist eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts der schematischen Darstellung, die in 1G gezeigt ist;
2A ist eine Perspektivansicht, die ein Beispiel eines Substrats schematisch darstellt, das eine Vielzahl von Nanoporen aufweist, die in dessen Oberfläche gebildet sind; und
2B ist eine Draufsicht der Vielzahl von Nanoporen, die in 2A gezeigt sind.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Aluminium und Stahl können verwendet werden, um verschiedene Kraftfahrzeugteile herzustellen, hauptsächlich deshalb, da diese Materialien eine mechanische Festigkeit aufweisen, die zu der strukturellen Integrität des Teils beiträgt. Es wurde gefunden, dass ein Teil des Aluminiums oder Stahls in einem Teil durch ein Material bzw. Materialien mit geringerem Gewicht (wie beispielsweise Magnesium) ersetzt werden kann. Es wird angenommen, dass das Vorhandensein des Magnesiums in einigen Fällen das Gesamtgewicht des Kraftfahrzeugteils verringert.
Es wurde gefunden, dass Magnesium in ein Aluminium- oder Stahlteil mittels eines Gießprozesses eingebunden werden kann, wie beispielsweise durch einen Prozess, der als Übergießen bekannt ist. Es wurde auch gefunden, dass sich das Magnesium in einigen Fällen nicht metallurgisch mit dem darunter liegenden Aluminium oder Stahl verbindet, zumindest nicht in dem Ausmaß, das zum Bilden eines Teils notwendig ist, das als strukturell zuverlässig und in einem Kraftfahrzeug verwendbar angesehen wird. Beispielsweise kann das Aluminium eine dichte Oxid-Oberflächenschicht aufweisen (z. B. aus Tonerde), die sich auf diesem gebildet hat und die während des Gießens verhindern kann, dass sich das Magnesium mit dem Aluminium unter der Oxidschicht oder direkt mit der Oxidschicht metallurgisch verbindet. Spezieller kann das Magnesium während des Gießprozesses die dichte Oxidschicht nicht durchdringen und sich nicht mit dem darunter liegenden Aluminium auf eine Weise verbinden, die ausreicht, um das resultierende Teil strukturell zuverlässig zu machen. Wie hierin verwendet, ist ein Teil, das ”strukturell zuverlässig” ist, ein solches, das mechanische Eigenschaften aufweist, die es dem Teil ermöglichen, verschiedenen Betriebsspannungen und -dehnungen standzuhalten, die es während der Verwendung des Teils erleidet.
Ein Beispiel bzw. Beispiele des Verfahrens, das hierin offenbart ist, kann bzw. können verwendet werden, um ein Teil durch Erzeugen einer Nanobürste an der Oberfläche eines Substrats und durch Verwenden der Nanobürste zu bilden, um ein Metall (wie beispielsweise Magnesium oder Magnesiumlegierungen) mit einem Substrat (wie beispielsweise Aluminium, Titan, Stahl usw.) zu verbinden. Die zwischen diesen Materialien erzeugte Verbindung ist eine solche, dass das Teil derart eingeschätzt wird, dass es die notwendige strukturelle Integrität aufweist, so dass das Teil in einem Kraftfahrzeug verwendet werden kann. Gemäß einem Beispiel können die zwei Materialien miteinander verbunden werden, in die Verbindungsfestigkeit an einer Grenzfläche (d. h. deren Grenzflächenfestigkeit) zwischen dem Metall und dem Substrat verbessert wird. Dies kann erreicht werden, indem die Oberfläche des Substrats derart manipuliert wird, dass das Metall dann, wenn es in dem geschmolzenen Zustand auf das Substrat aufgebracht wird, zumindest mechanisch mit der der Substratoberfläche verzahnt und mit dieser verbunden wird. Gemäß einem Beispiel kann die Verbindung eine physikalische Verbindung sein, wie beispielsweise eine mechanische Verzahnung, die erzeugt wird, indem das Metall in die manipulierte Oberfläche des Substrats eindringt. In einigen Fällen kann sich auch eine chemische Verbindung bilden, wie beispielsweise eine metallurgische Verbindung zwischen dem Metall und der Oberfläche.
Ein Beispiel des Verfahrens zum mechanischen Verbinden eines Metalls mit einem Substrat wird nun in Verbindung mit 1A–1G und 1G–A beschrieben. In diesem Beispiel umfasst das Teil 10 (in 1G gezeigt), das durch das Verfahren gebildet wird, ein Substrat und ein übergegossenes Metall, das mit dem Substrat verbunden wird. Gemäß einem Beispiel ist das Substrat 12 Aluminium, und das übergegossene Metall M ist Magnesium. Es versteht sich, dass das Verfahren ebenso oder auf andere Weise verwendet werden kann, um Teile zu bilden, die aus anderen Kombinationen von Materialien hergestellt werden. Beispielsweise kann das Teil 10 aus Substratmaterialien gebildet werden, die für Kraftfahrzeuganwendungen verwendet werden können (z. B. um eine Kraftfahrzeug-Chassiskomponente, einen Motorträger, einen Balken für eine Instrumententafel (IP), einen Motorblock, einen Zylinderkopf und/oder dergleichen herstellen). Das Substrat kann in einigen Fällen von Materialien ausgewählt werden, die ausreichend hitzebeständig sind, so dass das Material nicht schmilzt, wenn es während des Übergießens dem geschmolzenen Metall ausgesetzt wird, wobei Details diesbezüglich nachstehend zumindest in Verbindung mit 1F vorgesehen sind. Für die Substratmaterialien kann ein Metall ausgewählt werden, wie beispielsweise Aluminium, Zink, Magnesium, Titan, Kupfer und Legierungen von diesen. Es versteht sich, dass andere Substratmaterialien ebenso als geeignet bezüglich des hierin offenbarten Verfahrens verwendet werden können, von denen einige Beispiele Gusseisen, Superlegierungen (z. B. solche, die auf Nickel, Kobalt oder Nickel-Eisen basieren), Stahl (der eine Legierung aus Eisen, Kohlenstoff und möglicherweise anderen Komponenten ist), Messing (das eine Kupferlegierung ist) und Nichtmetalle umfassen (z. B. Polymere mit hoher Schmelztemperatur, wie beispielsweise solche Polymere, die eine Schmelztemperatur von zumindest 350°C aufweisen, Glas, Keramiken und/oder dergleichen). Für das Substratmaterial kann andererseits ein Material ausgewählt werden, um ein Teil herzustellen, das für eine Verwendung in anderen Anwendungen geeignet ist, wie beispielsweise in Nicht-Automobilanwendungen, die Flugzeug-, Werkzeug- sowie Haus/Bau-Komponenten (z. B. Rohre usw.) oder dergleichen umfassen. Bei diesen Anwendungen kann für das Substratmaterial ein beliebiges der Metalle ausgewählt werden, die vorstehend aufgelistet sind, oder es kann ein anderes Metall oder Nichtmetall ausgewählt werden (z. B. Stahl, Gusseisen, Keramiken, Polymere mit hoher Schmelztemperatur (beispielsweise Kristallpolymere, Polyimide, Polyetherimide, Polysulfone und/oder andere Polymere mit einer Schmelztemperatur von zumindest 350°C) usw.). Die Polymere mit hoher Schmelztemperatur können ferner eine Schutzschicht aufweisen und/oder gekühlt werden, um zu verhindern, dass das Polymer schmilzt und/oder aufgelöst wird, so dass die Kombination des Polymers, der Schutzschicht und des Übergießprozesses das Substrat nicht signifikant beschädigt (d. h., dass der Gegenstand, der durch das System aus Substrat/übergegossenem Metall gebildet wird, weiterhin für seinen beabsichtigten Zweck funktioniert).
Wenn für das Substrat ein anderes Metall als Aluminium ausgewählt wird, kann das Substratmaterial gemäß einem Beispiel aluminisiert werden (d. h., dass eine Schicht aus Aluminium oder einer aluminiumreichen Legierung an der Oberfläche des Substratmaterials gebildet wird), um in dem hierin offenbarten Verfahren verwendet zu werden. Beispielsweise kann Stahl mittels eines Eintauchens des Stahls in eine Aluminium-Siliziumschmelze aluminisiert werden, was eine Aluminiumschicht an der Stahloberfläche bildet. Diese Aluminiumschicht kann später anodisiert werden, um Tonerde zu bilden, wie nachstehend im Detail beschrieben wird. Es wird angenommen, dass andere Materialien, beispielsweise Titan, Kupfer usw., mittels des Eintauchens in eine Schmelze oder mittels eines anderen geeigneten Verfahrens, beispielsweise durch Aufdampfen, ebenso aluminisiert werden können.
Es versteht sich, dass eine Aluminiumoberfläche nicht erforderlich ist, um die Beispiele des hierin offenbarten Verfahrens auszuführen. Beispielsweise kann Magnesium, Titan oder ein anderes Metall oxidiert werden, um eine Oxidschicht zu bilden, in der Nanoporen gebildet werden können, und verwendet werden, um schließlich die Nanobürste zu bilden. Es versteht sich, andere Systeme außer übergegossenem Magnesium auf Aluminium oder einer aluminisierten Oberfläche verwendet werden können, solange die Oberfläche porös ist oder porös werden kann.
Gemäß einem Beispiel kann für das Metall, das mit dem Substrat verbunden werden soll, ein beliebiges Metall aus dem Periodensystem der Elemente ausgewählt werden, das einen Schmelzpunkt oder eine Schmelztemperatur aufweist, die geringer als die Schmelztemperatur des Substrats ist, mit dem das Metall verbunden werden soll, oder in deren Nähe liegt (z. B. innerhalb von 1°C von dieser). Es versteht sich, dass die übergegossenen Metalle, die hierin diskutiert werden, die reinen Metalle oder eine Legierung von diesen sein können. Ferner sollte das Substratmaterial hitzebeständig genug sein, so dass es während des Gießens nicht zu stark schmilzt. Es wurde gefunden, dass das Auswählen von Metallen mit einem geringeren Schmelzpunkt als das Substrats ermöglicht, dass das Gießen ohne Schmelzen des darunter liegenden Substrats durchgeführt wird. Beispielsweise kann Magnesium als ein Metall ausgewählt werden, das über ein beliebiges von den Substratmaterialien gegossen wird, das von Metallen wie etwa Aluminium, Zink, Titan, Kupfer, Nickel und/oder Legierungen von diesen zumindest teilweise deshalb ausgewählt wird, da die Schmelztemperatur des Magnesiums ungefähr 639°C beträgt und niedriger als diejenige eines beliebigen der Substratmaterialien ist. Es versteht sich, dass Magnesium ebenso als das Substratmaterial ausgewählt werden kann, wie nachstehend diskutiert wird. Beispiele von Kombinationen des Metalls und des Substrats, die zum Bilden eines Kraftfahrzeugteils verwendet werden können, umfassen beispielsweise i) Magnesium und Aluminium bzw. ii) Magnesium und Stahl. Andere Beispiele von Metallen, die ausgewählt werden können, umfassen Aluminium, Kupfer, Titan und Legierungen von diesen. Wenn Aluminium als das übergegossene Metall ausgewählt wird, kann das Aluminium mit Substratmaterialien verbunden werden, die eine Schmelztemperatur aufweisen, die höher als diejenige von Aluminium ist. Beispielsweise kann Aluminium (das eine Schmelztemperatur von ungefähr 660°C aufweist) mit Kupfer (das eine Schmelztemperatur von ungefähr 1083°C aufweist), Titan (das eine Schmelztemperatur von ungefähr 1660°C aufweist) oder Stahl verbunden werden (z. B. mit Edelstahl, der eine Schmelztemperatur von ungefähr 1510°C aufweist, und mit Kohlenstoffstahl, der eine Schmelztemperatur aufweist, die von ungefähr 1425°C bis ungefähr 1540°C reicht). Wenn Kupfer als das übergegossene Metall ausgewählt wird, dann kann das Kupfer ferner mit Titan oder Stahl zumindest teilweise deshalb verbunden werden, da Kupfer eine geringere Schmelztemperatur als Titan und Stahl aufweist.
Es versteht sich, dass die Schmelztemperatur des übergegossenen Metalls bei einigen Beispielen nicht kleiner als diejenige des Substrats sein muss, zumindest teilweise deshalb, da das ausgewählte Substrat eine Schutzschicht aufweisen kann, einer Kühlung ausgesetzt sein kann und/oder eine Masse und Leitfähigkeit aufweisen kann, die ausreicht, um die Erstarrungswärme vor dem Schmelzen abzuführen. Beispielsweise kann Aluminium (das wiederum eine Schmelztemperatur von ungefähr 660°C aufweist) über Magnesium gegossen werden (das eine Schmelztemperatur von ungefähr 639°C aufweist), wenn das Übergießen beispielsweise in einer Formgießeinrichtung mit einem Kühlungsmechanismus ausgeführt wird, um das Magnesium zu kühlen.
Somit wird angenommen, dass als das übergegossene Metall ansonsten ein Metall ausgewählt werden kann, das eine höhere Schmelztemperatur als das Substrat aufweist. Bei diesem Beispiel kann das Substratmaterial während des Übergießens gekühlt werden und/oder eine Masse aufweisen, die dafür ausreicht, dass das geschmolzene übergegossene Metall verfestigt, bevor das Metall die strukturelle Integrität des Substrats schädlich beeinflusst, und/oder eine Schutzschicht darauf aufweisen. In einigen Fällen kann die Wärmeübertragung auf das Substrat gering genug sein, so dass die Temperatur des Substrats nicht dessen Schmelztemperatur erreicht und dieses dadurch nicht schmelzen wird (oder leicht schmilzt). In einigen Fällen kann eine Beschichtung (die aus einem Material hergestellt ist, das beispielsweise eine sehr hohe Schmelztemperatur aufweist (z. B. Tonerde)) auf dem Substrat hergestellt werden, welche die Wärmeübertragung auf das Substrat verringern kann. Beispielsweise kann Tonerde (die eine Schmelztemperatur von ungefähr 2072°C aufweist) als eine geeignete Beschichtung für das Substrat verwendet werden. Es versteht sich jedoch, dass das ausgewählte Beschichtungsmaterial ebenso haltbar und haftfähig sein sollte, so dass das Material zu der strukturellen Integrität des gebildeten Teils beitragen kann.
Dementsprechend kann das Substrat gemäß einem Beispiel dann, wenn das Metall Magnesium ist, von Aluminium, Magnesium, Zink, Titan, Kupfer, Stahl und Legierungen von diesen ausgewählt werden. In einem Fall können verschiedene Legierungen oder Zusammensetzungen von Magnesium als das übergegossene Material und das Substratmaterial verwendet werden. Das Magnesium kann reines Magnesium sein, oder es kann Magnesium sein, das mit Aluminium, Zink, Mangan und/oder einem geeigneten Legierungsmaterial legiert ist. Beispielsweise kann die Magnesiumlegierung AM60 (die eine Schmelztemperatur von ungefähr 615°C aufweist) über ein stranggepresstes Rohr aus der Magnesiumlegierung AZ31B (die eine Schmelztemperatur von ungefähr 630°C aufweist) gegossen werden.
Gemäß einem anderen Beispiel kann das Substrat dann, wenn das Metall Aluminium ist, ebenso von Aluminium, Magnesium, Zink, Titan, Kupfer, Stahl und Legierungen von diesen ausgewählt werden.
Obgleich hierin verschiedene Beispiele angegeben sind, versteht es sich, dass eine beliebige Kombination aus Substrat- und übergegossenen Metallmaterialien verwendet werden kann, solange die Gießprozedur (z. B. die Gießtemperaturen, -zeiten usw.) sich derart verhält, dass das Übergießen ohne signifikante Beschädigung des Substrats ausgeführt werden kann.
Zu Zwecken der Darstellung wird das Beispiel des hierin offenbarten Verfahrens in Verbindung mit der Serie von 1 (d. h. 1A–1G) nachstehend unter Verwendung von Aluminium als das Substrat 12 (zumindest in 1A gezeigt) und Magnesium als das übergegossene Metall M (zumindest in 1F gezeigt) beschrieben.
Gemäß einem Beispiel umfasst das Verfahren, dass ein Substrat 12 ausgewählt wird (in 1A gezeigt), und dass die Oberfläche S des Substrats 12 anschließend manipuliert wird (wie es in 1B–1E gezeigt ist). Die Oberfläche S kann beispielsweise manipuliert werden, indem eine Nanobürste 24 (in 1E gezeigt) an der Substratoberfläche S gebildet wird. Wie hierin verwendet, bezieht sich der Ausdruck ”Nanobürste” auf ein Bündel von Nanodrähten 22, die an bezeichneten Abschnitten der Substratoberfläche S gebildet werden, wobei das Bündel von Nanodrähten konstruktiv eine bürstenartige Struktur bildet. Ferner bezieht sich der Ausdruck ”Nanodraht” auf eine Struktur mit einem effektiven Durchmesser (mit der Erkenntnis, dass ein einzelner Draht keinen perfekt kreisförmigen Querschnitt aufweisen kann), der in den Nanometerbereich fällt (1 nm bis 1000 nm). Die Nanodrähte 22 können eine Länge aufweisen, die ebenfalls in den Nanometerbereich fällt; die Nanodrähte 22 können jedoch ansonsten eine Länge aufweisen, die in den Mikrometerbereich fällt (1 μm bis 1000 μm). Die Nanodrähte 22 können beispielsweise im Wesentlichen zylindrisch geformt sein, und sie können im Querschnitt massiv oder hohl sein. In den Fällen, in denen der Nanodraht 22 im Querschnitt hohl ist, kann der Nanodraht 22 als ein Nanorohr bezeichnet werden. In den Fällen, in denen der Nanodraht 22 im Querschnitt massiv ist, kann der Nanodraht als eine Nanosäule bezeichnet werden. Die Nanodrähte 22 können auch im Wesentlichen denselben Durchmesser über ihre gesamte Länge aufweisen, oder sie können eine Form aufweisen, bei der beispielsweise der effektive Durchmesser des Nanodrahts 22 an einem Ende des Drahtes kleiner und an dem anderen Ende des Drahtes größer ist. Es wird auch in Erwägung gezogen, dass die Nanodrähte 22 eine birnenartige Form aufweisen, bei welcher der effektive Durchmesser in der Nähe des Mittelpunkts der Länge des Drahtes 22 größer als an beiden Enden des Drahtes 22 ist. Die Nanodrähte 22 können auch eine gedrehte Form aufweisen, was zumindest teilweise von der Form der Nanopore 16 abhängt, in welcher der Nanodraht 22 wachsen gelassen wird. Weitere Details der Nanodrähte 22 werden nachstehend in Verbindung mit 1G–A beschrieben.
Es versteht sich, dass der Ausdruck ”Nano”, wenn er in Verbindung mit der Nanobürste 24 verwendet wird, sich auf die Größe (d. h. den effektiven Durchmesser) der einzelnen Nanodrähte 22 bezieht, welche die Bürste 24 bilden. Obwohl es möglich ist, dass der Oberflächenbereich der Nanobürste 24 in den Mikrometerbereich fällt (1 μm² bis 1000 μm²), ist es möglich, dass der Oberflächenbereich der Nanobürste 24 so groß wie derjenige des Teils 10 sein kann, das gebildet wird. Gemäß einem Beispiel kann die Nanobürste 24 bei dem Bilden eines Motorträgers einen Oberflächenbereich so groß wie ungefähr 5 cm² bis ungefähr 500 cm² aufweisen. Es ist bei einigen Anwendungen auch möglich, dass die Nanobürste 24 als Ganzes in den Nanometerbereich fällt (z. B. von 10 nm bis 1000 nm).
Ein Beispiel zum Bilden der Nanobürste 24 wird nun in Verbindung mit 1B bis 1E beschrieben. Das Verfahren umfasst, dass ein Vielzahl von Nanoporen 16 in der Substratoberfläche S gebildet wird, wie es in 1B gezeigt ist. Gemäß einem Beispiel werden die Nanoporen 16 gebildet, indem eine poröse Metalloxidstruktur 18 mittels eines Anodisierungsprozesses auf der Substratoberfläche S wächst. Kurz gesagt ist die Anodisierung die Oxidation eines Abschnitts des Aluminiumsubstrats 12, um die Struktur 18 zu bilden, die aus Aluminiumoxid (d. h. Tonerde) besteht. Folglich wird ein Teil des Aluminiumsubstrats 12 verbraucht, wenn die Aluminiumoxidstruktur 18 wächst. Die Anodisierung kann beispielsweise durchgeführt werden, indem das Aluminiumsubstrat 12 als die Anode in einer Elektrolysezelle verwendet wird und indem die Anode und eine geeignete Kathode in einem wässrigen Elektrolyt angeordnet werden. Einige Beispiele des Elektrolyten umfassen Schwefelsäure (H₂SO₄), Phosphorsäure (H₂PO₄), Oxalsäure (C₂H₂O₄) und Chromsäure (H₂CrO₄). Diese Elektrolyten bilden wünschenswerter Weise poröse Tonerde; d. h. eine Aluminiumoxidstruktur 18 mit den Nanoporen 16, die darin gebildet sind. Ferner kann eine beliebige geeignete Kathode verwendet werden, von welcher Beispiele Aluminium oder Blei umfassen können. Eine geeignete Spannung und ein geeigneter Strom (z. B. ein Gleichstrom oder in einigen Fällen eine Gleichstromkomponente und eine Wechselstromkomponente) werden für eine Zeitspanne an die Elektrolysezelle angelegt, um einen ausgewählten Abschnitt des Aluminiumsubstrats 12 für das Wachstum der Struktur 18 zu anodisieren. Gemäß einem Beispiel werden ungefähr 0,1 μm bis ungefähr 50 μm des Aluminiumsubstrats 12 anodisiert, was zumindest teilweise von der gewünschten Dicke der porösen Oxidschicht 18 abhängt, die gebildet werden soll. Es wird beispielsweise angenommen, dass bei einer Anodisierung unter Verwendung eines Schwefelsäureelektrolyten jede 3 μm der Oxidschicht, die gebildet wird, ungefähr 2 μm des darunter liegenden Substrats 12 verbrauchen. Es wird ferner angenommen, dass das vorstehende Verhältnis basierend zumindest teilweise auf der Porosität der anodisierten Schicht und der Massenbilanz der Metalloxidschicht und des darunter liegenden Substrats verändert werden kann.
Gemäß einem Beispiel kann die Anodisierung bei einer Spannung auftreten, die von ungefähr 1 V bis ungefähr 120 V reicht, und die Spannung kann über den gesamten Anodisierungsprozess wie gewünscht angepasst werden, wenn die Oxidschicht (oder die Struktur 18) dicker wird.
Es versteht sich, dass andere Parameter zusätzlich zu der Spannung angepasst werden können, um die Dicke der Oxidschicht 18 zu steuern. Beispielsweise hängt die Dicke der Oxidschicht 18 zumindest teilweise von der Stromdichte multipliziert mit der Anodisierungszeit ab. Typischerweise wird eine spezielle Spannung angelegt, um die Stromdichte zu erreichen, die für das Wachstum der Oxidschicht 18 bis zu einer gewünschten Dicke erforderlich ist. Darüber hinaus können der verwendete Elektrolyt und auch die Temperatur ebenso die Eigenschaften der Oxidschicht 18 und die Fähigkeit beeinflussen, die Oxidschicht 18 bis zu einer gewünschten Dicke wachsen zu lassen und zu formen. Beispielsweise kann die Dicke der Oxidschicht 18 von der Leitfähigkeit des Elektrolyten abhängen, die wiederum von dem Typ, der Konzentration und der Temperatur des Elektrolyten abhängt. Ferner ist die Oxidschicht 18 elektrisch isolierend, und daher nimmt die Stromdichte bei einer konstanten Spannung ab, wenn die Schicht 18 wächst. In einigen Fällen kann die Abnahme in der Stromdichte das maximale Wachstum der Oxidschicht 18 begrenzen, und daher kann die Spannung nicht ständig weiter erhöht werden, um die Dicke der Schicht 18 zu erhöhen. In einigen Fällen kann es jedoch wünschenswert sein, die Spannung über den gesamten Prozess zu erhöhen. Gemäß einem Beispiel kann die angelegte Spannung bei ungefähr 25 V bis ungefähr 30 V starten, und die Spannung kann anschließend bis zu einer höheren Spannung rampenartig zunehmen, wenn die Oxidschicht 18 wächst.
Zusätzlich kann die Größe der Nanoporen 16 zumindest durch das Anpassen der Spannung gesteuert werden, die Anpassung der Spannung kann sich jedoch in Abhängigkeit von dem verwendeten Material bzw. den verwendeten Materialien (z. B. dem Substratmaterial) verändern. Gemäß einem Beispiel weisen die Nanoporen 16 einen effektiven Durchmesser D (in 1G–A gezeigt) von ungefähr 1,29 nm pro 1 V angelegter Spannung auf, und der Abstand d zwischen benachbarten Poren 16 beträgt ungefähr 2,5 nm pro 1 V der angelegten Spannung. Die Größe und der Abstand der Poren 16 werden nachstehend in weiterem Detail beschrieben.
Es wird angenommen, dass das Wachstum der Struktur 18 (d. h. der porösen Aluminiumoxidschicht) zumindest teilweise von der Stromdichte, der Chemie des Elektrolysebades (d. h. von dem Elektrolyt), der Temperatur, bei der die Anodisierung auftritt, der Spanne der Anodisierungszeit und/oder der angelegten Spannung abhängt. In einigen Fällen können bestimmte Eigenschaften der Struktur 18 auch gesteuert werden, indem ein Wechselstrom anstelle des Gleichstroms verwendet wird oder diesen überlagert. Darüber hinaus kann die Anodisierung bei einer Temperatur ausgeführt werden, die von ungefähr –5°C bis ungefähr 70°C reicht (oder bei einem anderen Beispiel von ungefähr 5°C bis ungefähr 10°C), und der Prozess kann für einige Minuten bis zu einigen Stunden stattfinden, was zumindest teilweise von einer gewünschten Dicke der Struktur 18 abhängt, die wachsen soll. Gemäß einem Beispiel reicht die Dicke der gewachsenen Oxidschicht oder Struktur 18 von ungefähr 2 μm bis ungefähr 250 μm. Gemäß einem anderen Beispiel reicht die Dicke der gewachsenen Oxidschicht oder Struktur 18 von ungefähr 40 μm bis ungefähr 80 μm.
Die poröse Oxidstruktur 18, die mittels des hierin beschriebenen Anodisierungsprozesses gebildet wird, kann viele Nanoporen 16, die darin definiert sind, und eine Barriereschicht 19 aus Tonerde umfassen, welche die Unterseite jeder Pore 16 definiert. Die Barriereschicht 19 ist eine dünne, dichte Schicht (d. h. mit geringer Porosität, wenn überhaupt), und sie kann ungefähr 0,1% bis ungefähr 2% der gesamten Dicke der gebildeten Oxidstruktur 18 ausmachen.
Wie hierin verwendet, bezieht sich der Ausdruck ”Nanopore” auf eine Pore mit einem effektiven Durchmesser (da bekannt ist, dass jede Pore keinen perfekt kreisförmigen Querschnitt aufweisen kann), der in den Nanometerbereich fällt (z. B. von 1 nm bis 1000 nm); und die Pore kann sich zumindest teilweise durch die Oxidstruktur 18 erstrecken. In einigen Fällen kann die Oxidstruktur 18 geätzt werden, um Teile von dieser an der Unterseite der Nanoporen 16 zu entfernen (einschließlich der Barriereschicht 19), wodurch das darunter liegende Aluminiumsubstrat 12 freigelegt wird. Jede Nanopore 16 weist eine im Wesentlichen zylindrische Form auf, die sich über die gesamte Länge der Pore erstreckt (wie beispielsweise in 2A schematisch gezeigt ist), und die Form der Pore legt die Form des Nanodrahtes 22 fest, der in seiner jeweiligen Pore 16 wächst, wie nachstehend weiter beschrieben ist. Es versteht sich, dass die Größe der Nanoporen 16 bei einem Beispiel zumindest teilweise von den Anodisierungsparametern abhängt, wie vorstehend beschrieben wurde. In einigen Fällen ist der effektive Durchmesser jeder Pore 16 ungefähr derselbe, und der effektive Durchmesser ist ebenso über die gesamte Länge der Pore 16 im Wesentlichen derselbe. Es versteht sich jedoch, dass jede Nanopore 16 nicht notwendigerweise einen Durchmesser aufweisen muss, der über deren gesamte Länge konsistent ist; beispielsweise können eine oder mehrere Poren 16 einen Durchmesser aufweisen, der an der Oberseite der Pore 16 kleiner (z. B. an dem Ende der Pore, das der Substratoberfläche S entgegengesetzt ist) und an der Unterseite der Pore 16 größer ist (z. B. an dem Ende der Pore, das der Substratoberfläche S benachbart ist), oder er kann eine birnenartige Form aufweisen, wie nachstehend für den Nanodraht 22 beschrieben ist.
Gemäß einem Beispiel reicht der effektive Durchmesser D (in 1G–A bezeichnet) jeder Nanopore 16 von ungefähr 15 nm bis ungefähr 160 nm. Gemäß einem anderen Beispiel reicht der effektive Durchmesser D jeder Nanopore 16 von ungefähr 25 nm bis ungefähr 75 nm. Gemäß einem noch anderen Beispiel reicht der effektive Durchmesser D jeder Nanopore 16 von ungefähr 50 nm bis ungefähr 150 nm.
Ferner kann der Durchmesser der Nanoporen 16 über die Höhe der Oxidstruktur 18 variieren (beispielsweise weisen die Nanoporen 16 entlang ihrer Länge Segmente mit unterschiedlichen Durchmessern auf). Dies kann erreicht werden, indem die Oxidschicht 18 bei einer ersten Spannung wächst, bei der die Größe der Poren 16 versucht, einen stationären Zustand zu erreichen. Anschließend wird während des Prozesses eine Übergangszone erzeugt, indem die Spannung verändert wird, sodass die Poren 16 versuchen, einen anderen stationären Zustand zu erreichen. Spezieller hängen die stationären Durchmesser der Nanopore 16 zumindest teilweise von der Spannung ab. Beispielsweise kann eine erste Spannung verwendet werden, um die Nanoporen 16 anfänglich wachsen zu lassen, bis ein erster stationärer Durchmesser erreicht ist, und anschließend kann eine zweite Spannung für das weitere Wachstum der Nanoporen 16 verwendet werden, bis ein zweiter stationärer Durchmesser erreicht ist. Die Übergangszone zwischen dem ersten und dem zweiten Durchmesser der Nanoporen 16 tritt zwischen der ersten und der zweiten Spannung auf.
Über eine Substratoberfläche S können Bereiche mit und ohne Nanoporen 16 gebildet werden. Dies kann durch die Verwendung einer Maske erreicht werden. Die Maske verhindert die Porenbildung, und daher weisen die maskierten Bereiche keine Nanoporen auf. Diese maskierten Bereiche der Substratoberfläche S können bezüglich der Abmessung größer sein (z. B. Mikrometer oder sogar Millimeter) als die Größe der einzelnen Nanoporen 16, die in den nicht maskierten Bereichen wachsen. In Abhängigkeit von der verwendeten Maske kann dieses Verfahren nicht zusammenhängende Bereiche (d. h. Nanoinseln, wie hierin nachstehend weiter diskutiert wird), welche die Nanoporen 16 enthalten, oder eine kontinuierliche, die Nanoporen enthaltende Schicht erzeugen, die mehrere Löcher aufweist (d. h. Bereiche ohne Nanoporen 16), die darin gebildet sind. Es wird hierin auch in Betracht gezogen, Nanoporen 16 mit unterschiedlichen Abmessungen über die Substratoberfläche S zu bilden. Dies kann beispielsweise erreicht werden, indem ein erster Bereich der Oberfläche S maskiert wird und indem ermöglicht wird, dass die Nanoporen 16 in dem unmaskierten Bereich wachsen, während eine geeignete Spannung für das Wachstum angelegt wird. Danach kann der Bereich der Substratoberfläche S, der die . darin gewachsenen Nanoporen 16 umfasst, maskiert werden, um die Abmessungen dieser Nanoporen 16 aufrecht zu erhalten. Der zuvor maskierte Bereich der Oberfläche S ist nun unmaskiert. Es kann eine andere Spannung an den neuen unmaskierten Bereich angelegt werden, um Nanoporen mit einer anderen gewünschten Größe wachsen zu lassen.
Die Nanoporen 16 können beispielsweise in der Oxidstruktur 18 gleichmäßig angeordnet sein, in der die Poren 16 ausgerichtet sind. Dies ist in 2A gezeigt. Mit anderen Worten wachsen die Nanoporen 16 während des Anodisierungsprozesses, der vorstehende beschrieben ist, senkrecht zu der Oberfläche. Es versteht sich, dass die Nanoporen 16 eine gewisse Zufälligkeit zeigen können, zumindest bezüglich ihrer jeweiligen Positionen in der Oxidschicht 18, und daher wird die Ausbildung der Nanoporen 16, die in 2A gezeigt ist, nicht als der typische Fall angesehen. Es versteht sich ferner, dass bestimmte Positionierungstechniken angewendet werden können, um die Positionierung der Nanoporen 16 zum Erreichen einer gleichmäßigeren Ausbildung zu steuern, wie beispielsweise derjenigen, die in 2A gezeigt. Die Anzahl der gebildeten Nanoporen 16 hängt zumindest teilweise von der Größe (z. B. dem effektiven Durchmesser) jeder einzelnen Pore 16 und dem Oberflächenbereich der Substratoberfläche S ab, der anodisiert wird. Gemäß einem Beispiel reicht die Anzahl der gebildeten Nanoporen 16 bei einer angelegten Spannung von 40 V von ungefähr 1 × 10⁹ bis ungefähr 1 × 10¹⁰ pro cm² der Substratoberfläche. Gemäß einem Beispiel ist der Oberflächenbereich einige zehn Quadratzentimeter groß. Gemäß einem Beispiel kann das Teil 10 einen Oberflächenbereich von ungefähr 200 cm² aufweisen, und daher beträgt die Anzahl der Poren 16 ungefähr 2 × 10¹¹. Wenn jede Pore 16 im Inneren einer Zelle definiert wird (wie beispielsweise innerhalb der Zelle C, die in 2B gezeigt ist), kann die Größe jeder Zelle C ferner von ungefähr 100 nm bis ungefähr 300 nm reichen. Gemäß einem Beispiel reicht der Abstand d zwischen benachbarten Poren 16, die in der Struktur 18 gebildet sind, von ungefähr 100 nm bis ungefähr 300 nm. Gemäß einem anderen Beispiel reicht der Abstand zwischen benachbarten Poren 16 von ungefähr 180 nm bis ungefähr 220 nm. Gemäß einem noch anderen Beispiel beträgt der Abstand zwischen benachbarten Poren 16 ungefähr 200 nm. Der Abstand kann auf eine gewünschte Weise derart angepasst werden, dass das Metall M zwischen benachbarten Nanodrähten 22 in der Nanobürste 24 strömen kann.
In einigen Fällen kann es wünschenswert sein, einen bestimmten Abschnitt bzw. bestimmte Abschnitte des Aluminiumsubstrats 12 auszuwählen, mit dem bzw. denen das Magnesium (d. h. das Metall M) verbunden wird, oder auszuwählen, wo (auf dem Aluminiumsubstrat 12) die Nanoporen 16 gebildet werden sollen. Somit kann das Teil 10 eine einzelne Nanobürste 24 aufweisen, die einen ausgewählten Abschnitt der Substratoberfläche S überdeckt, oder es kann mehrere Nanobürsten 24 aufweisen, die ausgewählte Abschnitte der Substratoberfläche S überdecken. Die nicht ausgewählten Abschnitte der Substratoberfläche S werden nicht anodisiert, und es wird in diesen nicht ausgewählten Abschnitten keine Nanobürste 24 gebildet. Dies kann beispielsweise erreicht werden, indem das Aluminiumsubstrat 12 mit einem Muster versehen wird, bevor die Oxidstruktur 18 von diesem wächst. Die Musterbildung kann mittels einer beliebigen geeigneten Technik durchgeführt werden, und sie wird verwendet, um eine lokalisierte Anodisierung des Aluminiumsubstrats 12 auszuführen. Beispielsweise kann ein beliebiges Standard-Photolithographieverfahren verwendet werden, von dem ein Beispiel umfasst, dass ein hartes Maskenmaterial auf das Aluminium aufgebracht wird und dass anschließend ein Photoresist verwendet wird, um mit dem Maskenmaterial ein Muster zu bilden, um ein lokalisiertes Freilegen des Aluminiums zu ermöglichen. Gemäß einem Beispiel wird mit der Maske ein Muster gebildet, um einen Abschnitt bzw. Abschnitte des Aluminiums dem Elektrolyt auszusetzen, von dem bzw. denen die Oxidstruktur 18 selektiv wachsen gelassen werden kann. Die Bereiche, die freigelegt bleiben, sobald die Maske und der Photoresist in Position sind, können anschließend einer lokalen Anodisierung ausgesetzt werden, und das Aluminium, das aufgrund des durch die Maske gebildeten Musters freigelegt ist, wird lokal anodisiert, indem beispielsweise die freiliegende oder die mit dem Muster versehene Aluminiumschicht als die Anode der Elektrolysezelle verwendet wird, wie vorstehend beschrieben ist.
Es wird angenommen, dass die Musterbildung ebenso verwendet werden kann, um ein Spannungsmuster an bestimmten, vielleicht kritischen, Bereichen der Grenzfläche zu verändern, die zwischen dem Metall M und dem Substrat 12 gebildet wird Diese kritischen Bereiche können beispielsweise solche Bereiche sein, die dazu neigen, während der Verwendung höheren Lasten ausgesetzt zu sein (beispielsweise an solchen Oberflächen, die einer Abnutzung oder einem Rollkontakt ausgesetzt sind). Beispielsweise kann eine starke Verbindung an Bereichen auf der Substratoberfläche S gebildet werden, an denen eine hohe Dichte der Nanodrähte (die in den Nanoporen 16 gebildet sind) vorliegt, mit denen das Metall M während des Übergießens Wechselwirken kann. Die Musterbildung (unter Verwendung einer Maske, wie vorstehend beschrieben ist) kann beispielsweise verwendet werden, um die Anzahl der Poren 16 (und damit die Anzahl der Nanodrähte 22) in bestimmten Bereichen an der Substratoberfläche S zu verringern. Dies kann beispielsweise nützlich sein, wenn es wünschenswert ist, eine Spannung von dem Substrat 12 auf das übergegossene Metall M zu übertragen oder umgekehrt.
Es versteht sich, dass die Krümmung zwischen bestimmten Abschnittsabmessungen auch derart betrachtet werden kann, dass dort Bereiche mit erhöhter Spannung vorliegen. Für diese Bereiche kann die Musterbildung in Kombination mit mehreren Anodisierungsbehandlungen unter Verwendung verschiedener Spannungen oder verschiedener Zeiten Oberflächen mit unterschiedlichen porösen Strukturen erzeugen. Beispielsweise kann die Oberfläche für eine erste Zeit anodisiert werden, und anschließend wird ein Abschnitt der Oberfläche maskiert. Eine zweite Anodisierungsbehandlung kann anschließend auf den nicht maskierten Abschnitt der Oberfläche unter Verwendung einer anderen Spannung als derjenigen angewendet werden, die während der ersten Anodisierungsbehandlung verwendet wird. Nachdem die zweite Anodisierung abgeschlossen ist, weist der Bereich der Oberfläche, der nicht maskiert war, Nanoporen 16 auf, die bezüglich des Durchmessers entlang ihrer jeweiligen Längen variieren. Die Nanoporen 16, die während des ersten Anodisierungsprozesses in dem maskierten Bereich gebildet werden, bleiben während des zweiten Anodisierungsprozesses unverändert. Somit können die Nanoporen 16 in dem maskierten Bereich im Wesentlichen gleichmäßige Nanoporen 16 umfassen, die kürzer oder länger bezüglich der Abmessung sind (was zumindest teilweise davon abhängt, wie die Anodisierungsspannung oder die Anodisierungszeit während der zweiten Anodisierungsbehandlung verändert wurde) als die Nanoporen 16, die in dem nicht maskierten Bereich der Oberfläche gebildet werden.
Wie vorstehend kurz erwähnt wurde, kann die Musterbildung verwendet werden, um Bereiche zwischen Bündeln von Nanoporen 16 zu erzeugen, wobei jedes Bündel als eine Nanoinsel bezeichnet werden kann. Diese Nanoinsel wird letztlich verwendet, um ein entsprechendes Bündel von Nanodrähten 22 zu bilden, da die Nanodrähte in den Poren 16 der Nanoinsel gebildet werden. Es wird angenommen, dass das Vorhandensein der Nanoinseln zum Erzeugen des Bündels bzw. der Bündel von Nanodrähten 22, welche von entblößten Bereichen umgeben sind (d. h. Bereichen ohne irgendwelche Nanodrähte 22), den Oberflächenbereich der Substratoberfläche S vergrößert, in den das geschmolzene Metall M während des Übergießens geeignet eindringen kann (z. B. durch die Strömung des Metall M zwischen benachbarten Nanodrähten 22). Gemäß einem Beispiel werden die porösen Nanoinseln gebildet, indem Abschnitte der Substratoberfläche S maskiert werden. Die unmaskierten Bereiche werden ein Wachstum und eine Nanoporenbildung durchlaufen, und sie werden dadurch zu den Nanoinseln. Die nicht maskierten Abschnitte werden anodisiert, um die Nanoporen 16 und die Nanoinseln zu bilden. Es versteht sich, dass sich der Ausdruck ”Nano”, wenn er in Verbindung mit der porösen Nanoinsel verwendet wird, auf die Größe (d. h. den effektiven Durchmesser) der einzelnen Nanoporen 16 bezieht, die in der Nanoinsel gebildet werden. Obgleich es möglich ist, dass der Oberflächenbereich der Nanoinseln in den Mikrometerbereich fallen kann (1 μm² bis 1000 μm²), kann der Oberflächenbereich der Nanoinseln so groß sein, wie es gewünscht ist.
Wie ebenfalls vorstehend kurz erwähnt wurde, kann eine kontinuierliche nanoporöse Schicht gebildet werden, die nicht poröse Vertiefungen/Löcher aufweist. Diese können gebildet werden, indem die bezeichneten Abschnitte der Substratoberfläche S maskiert werden, welche die Vertiefungen bilden werden, und indem die unmaskierten Abschnitte der Oberfläche S einer Anodisierung ausgesetzt werden. Die Bereiche, welche die Vertiefungen umgeben, enthalten Nanoporen 16, während die Vertiefungen keine Nanoporen 16 enthalten. Die Größe der Vertiefungen kann ebenfalls in dem Bereich von Nanometern liegen, sie können jedoch auch so groß sein, wie es gewünscht ist. Ferner können die Vertiefungen eine beliebige Gestalt oder Form annehmen, wie beispielsweise Kreise, Quadrate, gerade Linien, verschnörkelte Linien, eine Blütenform usw., und dass sie zu dem vergrößerten Oberflächenbereich der Substratoberfläche S beitragen, in den das Metall während des Übergießens eintreten kann. Gemäß einem Beispiel können die Nanodrähte 22 in den Nanoporen 16 allein gebildet werden. Es wird angenommen, dass die Nanodrähte 22 in einigen Fällen sowohl in den Nanoporen 16 als auch in den Vertiefungen gebildet werden können (z. B., wenn ein Material für das Wachstum von Nanodrähten in diese eingebracht wird).
Sobald die Aluminiumoxidstruktur 18 gebildet wurde, wird ein Material 21 in jede der Nanoporen 16 eingebracht, die in der Oxidstruktur 18 gebildet sind, wie es in 1C gezeigt ist. Das Einbringen des Materials 21 kann unter Verwendung einer beliebigen geeigneten Abscheidungstechnik ausgeführt werden, von welcher Beispiele eine chemische Gasphasenabscheidung (CVD), eine physikalische Gasphasenabscheidung (PVD), eine elektrochemische Abscheidung, eine chemische Polymerisation, ein stromloses Abscheiden oder die Verwendung der Sol-Gel-Chemie umfassen.
Das Material 21 ist ein Material, von dem ein Nanodraht 22 durch die Pore 16 wachsen gelassen werden kann, in welche das Material 21 eingebracht wird. Dieses Material 21 kann von einem Metall, einem Metalloxid oder einer Keramik ausgewählt werden. In einigen Fällen kann das Material 21 auch von mehreren Metallen, mehreren Metalloxiden oder Kombinationen von einem Metall bzw. Metallen und einem Metalloxid bzw. Metalloxiden ausgewählt werden. Ferner kann das Material 21 von einem Metall oder einem Metalloxid ausgewählt werden, welches das übergegossene Metall M benetzt, und daher kann der Nanodraht 22, wenn er gewachsen ist, als selbstbenetzend gegenüber dem übergegossenen Metall M angesehen werden. In den Fällen, in denen das Material 21 nicht selbstbenetzend ist, kann der Nanodraht 22, der von dem Material 21 gewachsen ist, mit einem Benetzungsmittel beschichtet werden, um den Nanodrähten 22 Benetzungseigenschaften zu verleihen. Einige Beispiele von Metallen oder Metalloxiden von denen das Material 21 ausgewählt werden kann, umfassen Kohlenstoff, Nickel, Silizium, Mangan, Zinn, Titan, Zink, Manganoxide, Siliziumoxide, Zinnoxide, Natriumoxide und Zinkoxide. Kombinationen dieser Metalle und/oder Metalloxide können ebenso verwendet werden, wie vorstehend erwähnt wurde.
Das Material 21 kann mittels der vorstehend beschriebenen Verfahren als Partikel oder Atome oder in einer anderen geeigneten Form aufgebracht werden, wie beispielsweise in der Form eines Pulvers. Es versteht sich, dass die Zusammensetzung des Materials 21 auch die Zusammensetzung der Nanodrähte 22 bildet, die selektiv von dem aufgebrachten Material 21 wachsen.
Nun auf 1D Bezug nehmend, wird ein Nanodraht 22 von dem Material 21 wachsen gelassen, das in die Nanoporen 16 der porösen Oxidstruktur 18 eingebracht wird. Die Nanodrähte 22 können mittels einer Anzahl von in der Technik bekannten Prozessen wachsen gelassen werden, von denen Beispiele die elektrochemische Abscheidung, die chemische Gasphasenabscheidung und/oder die physikalische Gasphasenabscheidung umfassen.
Wie vorstehend erwähnt wurde, wächst ein Nanodraht 22 durch jede Nanopore 16, die in der Oxidstruktur 18 definiert ist, wie es in 1D gezeigt ist. Es versteht sich, dass sich die Drähte 22 an die Geometrie und/oder die Abmessungen der Nanoporen 16 anpassen, in denen die Drähte 22 wachsen. Die Ausrichtung der Nanodrähte 22 kann durch die Ausrichtung der Poren 16 gesteuert werden. Wenn die Poren 16 beispielsweise senkrecht (d. h. unter ungefähr 90°) zu der Substratoberfläche S ausgerichtet sind (wie es beispielsweise in 1B gezeigt ist), werden die Nanodrähte 22 ebenso senkrecht zu der Oberfläche S ausgerichtet (wie es beispielsweise in 1D gezeigt ist). In einigen Fällen können die Nanodrähte 22 eine verwickelte Struktur bilden, die eine effektivere mechanische Verzahnung liefern kann. Gemäß einem Beispiel weist der Nanodraht 22 einen effektiven Durchmesser auf, der von ungefähr 15 nm bis ungefähr 160 nm reicht, was auch der effektive Durchmesser der Nanopore 16 ist, in welcher der Draht 22 wachsen gelassen wird. Gemäß einem anderen Beispiel reicht der effektive Durchmesser D jedes Nanodrahts 22 von ungefähr 25 nm bis ungefähr 75 nm. Gemäß einem noch anderen Beispiel reicht der effektive Durchmesser D jedes Nanodrahts 22 von ungefähr 50 nm bis ungefähr 150 nm.
Wie es in 1D gezeigt ist, wachsen die Nanodrähte 22 über die gesamte Dicke der Oxidstruktur 18, so dass die Höhe der Nanodrähte 22 im Wesentlichen dieselbe wie die Höhe der Nanoporen 16 ist. Gemäß einem Beispiel reicht die Höhe der Nanodrähte 22 von ungefähr 2 μm bis ungefähr 250 μm, was ungefähr dasselbe wie die Dicke der Oxidstruktur 18 und auch die Höhe der Pore 16 ist. Anschließend wird, wie es in 1E gezeigt ist, ein Teil der Oxidstruktur 18 selektiv entfernt, um zumindest einen Abschnitt jedes der Nanodrähte 22 freizulegen, und der Abschnitt der Oxidstruktur, der bestehen bleibt, wird in 1E durch das Bezugszeichen 18' bezeichnet. Gemäß einem Beispiel ist der verbleibende Anteil der Oxidstruktur 18' ungefähr die Hälfte der Dicke der ursprünglichen Oxidstruktur 18. Es versteht sich jedoch, dass die Menge der Oxidstruktur 18', die entfernt werden kann, zumindest teilweise von den Festigkeitsanforderungen des Teils 10 abhängt, das gebildet wird. Mit anderen Worten ist der Anteil der Nanodrähte 22, der freigelegt wird, ausreichend, um eine geeignete Grenzflächenverbindung zwischen dem übergegossenen Metall M und dem Substrat 12 zu erzeugen, welche beliebige strukturelle Anforderungen erfüllt, die für das Teil 10 notwendig sind, das gebildet wird. Gemäß einem Beispiel wird zumindest ungefähr 50% des Nanodrahts 22 durch Ätzen der Struktur 18 freigelegt. Gemäß einem anderen Beispiel werden ungefähr 10% bis ungefähr 90% des Nanodrahts 22 durch Ätzen der Struktur 18 freigelegt. Ferner wird durch das Entfernen des Anteils der ursprünglichen Oxidstruktur 18 eine Nanobürste 24 gebildet, die den verbleibenden Anteil der Oxidstruktur 18' (der die Basis der Nanobürste 24 bildet) und den freigelegten Anteil der Nanodrähte 22 (welche die Borsten der Nanobürste 24 bilden) umfasst. Gemäß einem Beispiel wird das Entfernen der Oxidstruktur 18 mittels eines selektiven Ätzprozesses ausgeführt, der eine Ätzlösung verwendet, wie beispielsweise KOH oder NaOH.
Sobald die Nanobürste 24 gebildet wurde, wird das Magnesiummetall M mit dem Substrat 12 verbunden, wie es in 1F gezeigt ist. Dies kann beispielsweise ausgeführt werden, indem das Substrat 12 einschließlich der daraus gebildeten Nanobürste 24 in einem Gießormwerkzeug oder einer Gussform (nicht in den Figuren gezeigt) angeordnet wird und indem das Magnesiummetall M anschließend über das Substrat gegossen wird. Es wird angenommen, dass das Magnesiummetall M, das in einem geschmolzenen Zustand übergegossen wird, in die Zwischenräume eindringt, die zwischen benachbarten Nanodrähten 22 in der Nanobürste 24 gebildet sind, und schließlich die Nanodrähte 22 umgibt. Wenn Bündel von Nanodrähten 22 oder Vertiefungen gebildet sind, dringt das geschmolzene Metall M auch in diese Bereiche ein, die keine Nanodrähte 22 enthalten. Darüber hinaus wird eine Schicht 14 des Magnesiummetalls gemäß der Gestalt des Giesformwerkzeugs oder der Gussform über der Nanobürste 24 gebildet. Es versteht sich, dass die Schicht 14 in Kombination mit dem Aluminiumsubstrat 12 das Teil 10 bildet (in 1G gezeigt). Durch Abkühlen wird das Magnesiummetall M verfestigt, das durch die Nanobürste 24 (z. B. in die Zwischenräume zwischen den Nanodrähten 22) und über die Nanodrähte 22 geflossen ist, um die Schicht 14 zu bilden. Die Verfestigung des Magnesiummetalls M im Innern der Nanobürste 24 bildet zumindest eine mechanische Verzahnung mit der Nanobürste 24. Es wird angenommen, dass diese mechanische Verzahnung der Grenzfläche zwischen der Schicht 14 und dem Substrat 12 eine ausreichende Festigkeit verleiht, so dass das Teil 10 als Ganzes strukturell zu verlässig ist.
In einigen Fällen kann das Magnesiummetall M auch chemisch und/oder metallurgisch mit den Nanodrähten 22 verbunden werden, wodurch die strukturelle Verbindung zwischen dem übergegossenen Metall (das die Schicht 14 bildet) und dem darunterliegenden Substrat 12 verbessert wird.
Wie vorstehend erwähnt wurde, können die Nanodrähte 22 von einem Material 21 wachsen gelassen werden, das selbstbenetzend bezüglich des übergegossenen Metalls M ist. In einigen Fällen kann die Oxidstruktur 18', die nach dem Ätzen übrig bleibt, die Basis der Nanobürste 24 bildet und mit dem übergegossenen Metall M in Kontakt gelangt, ebenso selbstbenetzend gegenüber dem übergegossenen Metall sein (wie beispielsweise gegenüber dem Magnesiummetall M).
Wie hierin verwendet, bezieht sich der Ausdruck ”selbstbenetzend” auf die Fähigkeit des Metalloxids, das die Struktur 18' bildet, mit einer Flüssigkeit in Kontakt zu bleiben, die darauf aufgebracht wird (z. B. mit dem geschmolzenen Magnesiummetall M). Dieser Kontakt wird im Allgemeinen zumindest teilweise aufgrund der intermolekularen Wechselwirkungen der zwei Materialien aufrechterhalten, wenn diese zusammengebracht werden. Solange die Oberfläche (in diesem Fall die Struktur 18') selbstbenetzend ist, kann das geschmolzene Magnesium M ferner direkt auf die Substratoberfläche S aufgetragen werden (d. h. auf die darauf gebildete Nanobürste 24, die eine selbstbenetzende Basis (d. h. 18') und selbstbenetzende Borsten (d. h. 22) aufweist).
In den Fällen, in denen die Nanodrähte 22 und/oder die verbleibende Oxidstruktur 18', die dem übergegossenen Metall M ausgesetzt ist bzw. sind, nicht selbstbenetzend gegenüber dem Metall M ist bzw. sind, kann ein Benetzungsmittel vor dem Verbinden (z. B. vor dem Übergießen) auf die freiliegenden Flächen der Nanodrähte 22 und/oder der Struktur 18' aufgebracht werden. Als das Benetzungsmittel kann ein beliebiges Material ausgewählt werden, das der Oberfläche, auf die das Metall M aufgebracht werden soll, auf geeignete Weise Benetzungseigenschaften verleiht und das keine Korrosion oder andere ähnliche Probleme bei dem Reagieren mit der Oberfläche erzeugt.
Gemäß einem Beispiel kann ein Metalloxid auf die freigelegten Oberflächen der Nanodrähte 22 und/oder der Struktur 18 aufgebracht werden (beispielsweise mittels chemischer Gasphasenabscheidung, physikalischer Gasphasenabscheidung, Elektroabscheidung, Sputtering, Beschichtung mittels Sol-Gel-Chemie und/oder dergleichen), welches Oxid mit dem Oxid der Struktur 18' und/oder dem Metall oder dem Metalloxid der Nanodrähte 22 reagiert, um ein Reaktionsprodukt zu erzeugen, das eine Eigenschaft zum Benetzen des Magnesiummetalls M aufweist, das auf die ansonsten nicht selbstbenetzende Oberfläche bzw. die nicht selbstbenetzenden Oberflächen aufgetragen wird. Beispiele des Metalloxids, das aufgebracht werden kann, umfassen Oxide von Mangan, Natrium, Silizium, Zinn, Cadmium und Zink. Gemäß einem anderen Beispiel kann ein anderes Metall auf die freigelegten Oberflächen aufgebracht werden, um diesen benetzende Eigenschaften zu verleihen. Das andere Metall, das verwendet wird, um der Oberfläche bzw. den Oberflächen benetzende Eigenschaften zu verleihen, kann auch zu der Verbindungsfestigkeit der mechanischen Verzahnung beitragen, die während des Verfahrens gebildet wird. Das andere Metall kann von einem beliebigen Metall ausgewählt werden, das in dem geschmolzenen Metall M lösbar ist, von welchem Beispiele Aluminium, Mangan, Zink, Natrium, Silizium, Zinn, Cadmium, Molybdän und/oder Legierungen von diesen umfassen. Es wird angenommen, dass Eisen und/oder Nickel in bestimmten Anwendungen ebenso funktionieren.
Bei einigen Auftragungsprozessen hängt die Menge des Benetzungsmittels, das auf die freigelegten Oberflächen des Substrats 18' und/oder der Drähte 22 aufgebracht. werden kann, zumindest teilweise von der Viskosität des Fluids (d. h. der SO-Gel-Lösung) und der Menge des Festkörpers (d. h. des Benetzungsmittels in dem Sol-Gel) in der Lösung ab. Gemäß einem Beispiel ist das Benetzungsmittel, das auf die Struktur 18' aufgetragen wird, ungefähr 1 nm bis ungefähr 50 nm dick.
Es versteht sich, dass das Benetzungsmittel auch vor der Bildung der Nanodrähte 22 auf die Struktur aufgetragen werden kann. In diesen Fällen wird das Benetzungsmittel den Nanoporen 16 ausgesetzt. In den Fällen, in denen eine Sol-Gel-Chemie oder ein anderer Typ des Lösungsprozesses verwendet wird, um das Benetzungsmittel in Nanoporen 16 einzubringen, wird angenommen, dass die Lösung derart selbstbenetzend ist, dass die Lösung in die Poren 16 strömen kann. In diesem Fall kann die Menge von Festkörpern in der Sol-Gel-Lösung verwendet werden, um die Beschichtungsdicke zu ermitteln.
Weiter auf 1F Bezug nehmend, kann das Metall M mittels eines Übergießprozesses aufgetragen werden. Das Übergießen umfasst allgemein, dass das Metall M (z. B. Magnesium) in einem geschmolzenen Zustand über das Aluminiumsubstrat 12 eingeleitet wird (beispielsweise mittels Gießen, Sprühen oder Injizieren). Wie vorstehend erwähnt wurde, dringt das geschmolzene Magnesium in die Nanobürste 24 ein, indem es um die Nanodrähte 22 herumfließt. Gemäß einem Beispiel wird festes Magnesium in den geschmolzenen Zustand geschmolzen, indem das Magnesium über seine Schmelztemperatur erwärmt wird. Anschließend wird ein Gießwerkzeug 20 verwendet (wie beispielsweise ein Keramik- oder Metallschmelztiegel oder eine Gießpfanne, wie es in 1F gezeigt ist), um das geschmolzene Magnesiummetall M über das Aluminium 12 zu gießen, das sich im Inneren des Gießformwerkzeugs oder der Gussform befindet. In einigen Fällen kann das geschmolzene Metall M eingeleitet werden, indem das Substrat 12 in einem Hohlraum (z. B. in einer Form) angeordnet wird und indem das Metall M anschließend in den Hohlraum injiziert wird. Gemäß einem noch anderen Beispiel kann ein gegen die Schwerkraft wirkender Formgussprozess bei Unterdruck verwendet werden, bei dem sich die Form oberhalb eines Bades des geschmolzenen Metalls M befindet und bei dem das Metall M mittels einer mechanischen Pumpe oder unter Anwendung eines Gasdrucks auf das Bad eingeleitet wird, um das Metall M nach oben in die Form zu drücken. Das geschmolzene Magnesium M strömt über die Nanobürste 24 und bildet auch die Schicht 14 über der Nanobürste 14, wie vorstehend erwähnt wurde. Gemäß einem Beispiel wird der Übergießprozess als abgeschlossen angesehen, wenn die Schicht 14 mit einer gewünschten Dicke über der Nanobürste 24 gebildet und verfestigt ist.
Nun auf 1G Bezug nehmend, wird das Teil 10 durch die Verfestigung der Schicht 14 (einschließlich des Metalls M zwischen den Nanodrähten 22 der Nanobürste 24) des Magnesiums gebildet, das mit dem Substrat 12 beispielsweise mittels des vorstehend beschriebenen Übergießverfahrens verbunden wird. Gemäß einem Beispiel umfasst die Verfestigung der Schicht 14 ein passives Abkühlen des Metalls M, das dem geschmolzenen Metall ermöglicht, abzukühlen und zu verfestigen. Das passive Abkühlen des Metalls M kann beispielsweise mittels eines Wärmeverlustes durch natürliche Abstrahlung, Konvektion und/oder Wärmeleitung ausgeführt werden. Gemäß einem Beispiel können diese Verfahren des Wärmeverlustes ausgeführt werden, indem das Teil 10 der Raumtemperatur ausgesetzt wird (z. B. einer Temperatur, die von ungefähr 20°C bis ungefähr 30°C reicht). Es wird auch in Betracht gezogen, dass die Verfestigung auch ausgeführt werden kann, indem das Teil 10 in einem Kühler oder in einer anderen Einrichtung angeordnet wird, um das Teil 10 kälteren Temperaturen auszusetzen, die in einigen Fällen die Zeitspanne verkürzen können, die zur vollständigen Verfestigung des Metalls erforderlich ist. Gemäß einem noch anderen Beispiel kann das Teil 10 im Inneren des Gießformwerkzeugs oder der Gussform abgekühlt werden, indem die Temperatur des Formwerkzeugs oder der Form verringert wird. Gemäß einem noch anderen Beispiel kann das Teil 10 auf zumindest 100°C aufgeheizt werden (oder sogar bis ungefähr 300°C) oberhalb der Raumtemperatur (d. h. oberhalb von ungefähr 20°C bis ungefähr 30°C). Die Temperatur, bis zu der das Teil 10 aufgeheizt wird, ist weiterhin geringer als die Verfestigungstemperatur des Metalls M, und daher kühlt das Metall M ab, wenn Wärme in das Substrat 12 und in das Formwerkzeug/die Form geleitet wird. Das Formwerkzeug/die Form können unter Verwendung von Ol oder Wasser abgekühlt werden, das durch das Formwerkzeug hindurchtritt.
Andere Verfahren zum Bilden einer porösen Substratoberfläche, von der die Nanobürsten 24 gebildet werden können, werden hier ebenso in Betracht gezogen, und sie werden derart angesehen, dass sie innerhalb des Umfangs der vorliegenden Offenbarung liegen. Es versteht sich, dass andere Verfahren verwendet werden können, um die Oxidstruktur 18 zu bilden. Beispiele anderer Verfahren zum Bilden der Oxidstruktur 18 umfassen, dass das Oxid auf die Oberfläche S des Substrats 12 aufgebracht wird oder dass ein Metall aufgebracht und dieses anschließend oxidiert wird. Geeignete Aufbringungstechniken umfassen die chemische Gasphasenabscheidung, die physikalische Gasphasenabscheidung, das thermische Spritzen und einen Eintauchprozess. Der Eintauchprozess kann beispielsweise umfassen, dass das Substrat 12 in ein geschmolzenes Metall eingetaucht wird, um eine dünne Metallschicht auf der Oberfläche S zu erzeugen, und dass das Metall anschließend oxidiert wird. Die Poren 16 können anschließend in dem aufgebrachten Material gebildet werden, beispielsweise mittels Elektroerosion, mittels eines Prozesses, der einen Laser verwendet, und/oder durch Kugelstrahlen. Gemäß einem Beispiel werden die Poren 16 anschließend mittels Elektroerosion unter Verwendung einer geeigneten Elektrode in dem Oxid gebildet (um die Oxidstruktur 18 zu bilden). Gemäß einem noch anderen Beispiel kann Elektroplattieren verwendet werden, um ein Material aufzubringen, und während des Aufbringens können sich die Poren 16 bilden. Wenn beispielsweise das Elektroplattieren als eine Möglichkeit zum Erzeugen einer porösen Oberfläche verwendet wird, kann die Porosität der Oberfläche unter Verwendung einer Musterbildung und/oder eines Maskierungsprozesses (wie beispielsweise der Lithographie), unter Verwendung des Sputterings von nicht leitenden Materialien usw. gesteuert werden.
Es versteht sich auch, dass die Poren 16 in anderen Nicht-Oxidmaterialien, wie beispielsweise Metallen, gebildet werden können. Es kann ein Metallsubstrat ausgewählt werden, und anschließend können die Poren 16 unter Verwendung der vorstehend beschriebenen Techniken in der Oberfläche gebildet werden.
Die Beispiele des Verfahrens wurden vorstehend zum Bilden eines Kraftfahrzeugteils beschrieben. Wie vorstehend erwähnt wurde, können die Beispiele des Verfahrens ebenso zum Bilden von Nicht-Kraftfahrzeugteilen verwendet werden, wie beispielsweise für Flugzeug-, Werkzeug-, Hauskomponenten (z. B. Rohre) und/oder dergleichen.
Es versteht sich, dass die hierin vorgesehenen Bereiche den angegebenen Bereich und einen beliebigen Wert oder Unterbereich innerhalb des angegebenen Bereichs umfassen. Beispielsweise sollte eine Dicke, die von ungefähr 2 μm bis ungefähr 250 μm reicht, derart interpretiert werden, dass sie nicht nur die explizit angegebenen Betragsgrenzen von ungefähr 2 μm bis ungefähr 250 μm umfasst, sondern dass sie auch einzelne Beträge wie beispielsweise 10 μm, 50 μm, 220 μm usw., und Unterbereiche, wie beispielsweise 50 μm bis 200 μm usw., umfasst. Wenn darüber hinaus ”ungefähr” verwendet wird, um einen Wert zu beschreiben, bedeutet dies, dass kleinere Abweichungen (bis zu +/–20%) von dem angegebenen Wert inbegriffen sind.
Es versteht sich ferner, dass, wie hierin verwendet, die Singularformen der Artikel ”ein, eine” und ”der, die, das” Bezugnahmen auf die Mehrzahl umfassen, wenn der Inhalt nicht klar etwas anderes angibt.
Obgleich verschiedene Beispiele im Detail beschrieben wurden, ist es für Fachleute offensichtlich, dass die offenbarten Beispiele modifiziert werden können. Daher soll die vorstehende Beschreibung nicht als einschränkend angesehen werden.

Claims

Verfahren zum Verbinden eines Metalls mit einem Substrat, umfassend, dass: eine Nanobürste an einer Oberfläche des Substrats gebildet wird, wobei die Nanobürste eine Vielzahl von Nanodrähten umfasst, die sich über die Substratoberfläche hinaus erstrecken; das Metall in einem geschmolzenen Zustand auf die Substratoberfläche eingeleitet wird, wobei das Metall die Vielzahl von Nanodrähten umgibt; und das Metall, das die Vielzahl von Nanodrähten umgibt, durch Abkühlen verfestigt wird, wobei während des Verfestigens zumindest eine mechanische Verzahnung zwischen dem Metall und dem Substrat gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Bilden der Nanobürste umfasst, dass: eine Vielzahl von Nanoporen in einer Oberfläche des Substrats gebildet werden; ein Material in die Vielzahl von Nanoporen eingebracht wird; ein Nanodraht in jeder von der Vielzahl von Nanoporen aus dem eingebrachten Material wachsen gelassen wird; und ein Abschnitt der Substratoberfläche entfernt wird, um den darin gewachsenen Nanodraht freizulegen.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Bilden der Vielzahl von Nanoporen ausgeführt wird, indem eine Struktur, welche die Vielzahl von Nanoporen umfasst, mittels einer Anodisierung von der Substratoberfläche wachsen gelassen wird, und wobei das Material, das in die Vielzahl von Nanoporen eingebracht wird, von einem solchen ausgewählt wird, welches das Metall benetzt.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei das Material von einem beliebigen von Kohlenstoff, Nickel, Silizium, Mangan, Zinn, Titan, Zink, Manganoxiden, Siliziumoxiden, Zinnoxiden, Natriumoxiden und Zinkoxiden ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das übergegossene Metall Magnesium ist und das Substrat von Aluminium, Titan, Kupfer, Stahl und Legierungen von diesen ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Verfahren dann, wenn das Substrat von Titan, Kupfer, Stahl und Legierungen von diesen ausgewählt wird, umfasst, dass die Oberfläche des Substrats aluminisiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren vor dem Bilden der Nanobürste ferner umfasst, dass die Substratoberfläche mit einem Muster versehen wird.
Teil, das umfasst: ein Substrat, das eine Oberfläche mit einer Nanobürste aufweist, die auf dieser gebildet ist, wobei die Nanobürste eine Vielzahl von Nanodrähten umfasst, die sich über die Substratoberfläche hinaus erstrecken; und ein übergegossenes Metall, das mit der Substratoberfläche mittels zumindest einer mechanischen Verzahnung verbunden ist, die zwischen verfestigten Abschnitten des übergegossenen Metalls und der Vielzahl von Nanodrähten der Nanobürste gebildet ist.
Teil nach Anspruch 8, wobei das übergegossene Metall Magnesium ist und das Substrat von Aluminium, Titan, Kupfer, Stahl und Legierungen von diesen ausgewählt ist; und wobei dann, wenn, das Substrat von Titan, Kupfer, Stahl und Legierungen von diesen ausgewählt ist, die Oberfläche des Substrats aluminisiert ist.
Teil nach Anspruch 8, wobei die Nanobürste eine Oxidschicht umfasst, die von dem Substrat gewachsen ist, wobei die Oxidschicht eine Vielzahl von Nanoporen aufweist, die in dieser definiert sind, und wobei ein einzelner Nanodraht in jeder von der Vielzahl von Nanoporen wachsen gelassen wird, wobei jeder einzelne Nanodraht einen effektiven Durchmesser aufweist, der von ungefähr 15 nm bis ungefähr 75 nm reicht.