DE102013009835A1

DE102013009835A1 - Zusammenstellung für die Ausbildung eines reaktiven Schichtsystems oder Multischichtsystems sowie deren Verwendung

Info

Publication number: DE102013009835A1
Application number: DE201310009835
Authority: DE
Inventors: Ines Dani; Aljoscha Roch; Lukas Stepien
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2013-06-07
Filing date: 2013-06-07
Publication date: 2014-12-11
Also published as: WO2014195368A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Zusammenstellung mit mindestens einer Suspension für die Ausbildung eines reaktiven Schichtsystems oder Multischichtsystems sowie deren Verwendung. Dabei sind Partikel mindestens zweier unterschiedlicher Metalle Bestandteil der Zusammenstellung. Die Metalle sind so ausgewählt, dass bei einem Energieeintrag eine exotherme Reaktion zwischen den unterschiedlichen Metallen erfolgt, wobei die Metalle in mindestens einer Suspension enthalten oder auf einen Binder, der auf eine Oberfläche eines Bauteils aufbringbar ist, auftragbar sind, so dass nach der Ausbildung eines reaktiven Schichtsystems die Metalle in einer Schicht oder alternierend in den Schichten eines reaktiven Multischichtsystems angeordnet sind

Description

Die Erfindung betrifft eine Zusammenstellung für die Ausbildung eines reaktiven Schichtsystems oder Multischichtsystems sowie deren Verwendung. Dabei ist die Zusammenstellung bevorzugt mit mindestens einer Suspension gebildet.
Insbesondere für eine lokal gezielte Erwärmung, wie sie beispielsweise bei stoffschlüssigen Fügeverfahren erforderlich sein kann, werden reaktive Multischichtsysteme eingesetzt. Diese bestehen aus alternierend angeordneten Schichten, die aus bzw. mit jeweils einem unterschiedlichen Metall und mit sehr kleinen Schichtdicken gebildet sind. Durch einen externen Energieeintrag kann bei Bedarf eine exotherme Reaktion der entsprechend ausgewählten Metalle ausgelöst werden, was zu einer Erwärmung im bzw. um den Bereich des reaktiven Multischichtsystems führt, die beispielsweise zum Löten, Schweißen oder dem Aushärten genutzt werden kann.
Bisher ist es üblich, solche reaktiven Multischichtsysteme durch an sich bekannte Vakuumbeschichtungsverfahren auszubilden. Zur Erhöhung der Flexibilität beim Einsatz werden Folien hergestellt, die dann vor Ort für einen Fügeprozess genutzt werden können. Dies ist beispielsweise in DE 10 2010 060 937 A1 beschrieben.
Dabei liegt es auf der Hand, dass diese Form der Herstellung sehr aufwändig und mit erhöhten Kosten verbunden ist. Außerdem sind bei Lagerung und Transport bestimmte Sicherheitsbedingungen einzuhalten. Probleme bereitet es auch, indem Folien dieser reaktiven Mehrschichtsysteme in die gewünschte Geometrie gebracht oder in dieser Geometrie hergestellt werden müssen, was die Flexibilität aber wieder einschränkt.
Schwierigkeiten bestehen außerdem beim Einsatz von reaktiven Multischichtsystemen an Bauteilen oder Komponenten, die dreidimensional konturierte Oberflächen aufweisen, die wenn überhaupt nur sehr schwer beschichtet oder mit den Folien belegt werden können.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten anzugeben mit denen eine lokal gezielte Erwärmung durch reaktive Schichtsysteme, die mit exotherm reagierenden Metallen gebildet sind, kostengünstiger, einfacher und mit erhöhter Flexibilität erreichbar ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Zusammenstellung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Der Anspruch 8 gibt Verwendungen dieser Zusammenstellung an. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
Die erfindungsgemäße Zusammenstellung mit Partikeln mindestens zweier unterschiedlicher Metalle gebildet, die in mindestens einer Suspension enthalten sind oder die Metalle sind in Verbindung mit einem Binder Bestandteil der Zusammenstellung. Dabei kann ein Binder auf eine Oberfläche eines Bauteils aufgebracht werden und auf den aufgebrachten Binder können dann die Metallpartikel aufgetragen werden, was bevorzugt durch Sprühen erfolgen kann. Als Binder kann dabei beispielsweise ein geeignetes Adhäsiv oder Gel eingesetzt werden.
Eine oder mehrere Suspension(en) enthalten Partikel zweier unterschiedlicher Metalle in einer Flüssigkeit.
Die Metalle, die bei der erfindungsgemäßen Zusammenstellung eingesetzt werden, sind so ausgewählt, dass bei einem Energieeintrag eine exotherme Reaktion zwischen den unterschiedlichen Metallen nach der Ausbildung eines reaktiven Schichtsystems in einer Schicht oder alternierend in den Schichten eines reaktiven Multischichtsystems angeordnet sind, erfolgt.
Es können auch Metallpartikel eingesetzt werden, die mit zwei unterschiedlichen Metallen nach einem gemeinsamen Mahlvorgang, der bevorzugt in einer Kugelmühle durchgeführt wird, gebildet sind.
Die metallischen Partikel sollten eine Partikelgröße kleiner 5 μm, bevorzugt kleiner 1 μm aufweisen.
In einer Suspension, sofern eine Suspension eingesetzt wird und die Partikel nicht direkt aufgetragen/aufgesprüht werden, sollten neben den metallischen Partikeln und der Flüssigkeit, die bevorzugt kein Wasser ist oder kein Wasser enthält, ein Dispergiermittel, ein Dispergierhilfsmittel und/oder ein Bindemittel enthalten sein. Der Verzicht auf Wasser hat den Vorteil, dass eine Oxidation der Metalle vermieden werden kann. Als Flüssigkeit können beispielsweise Alkohole, wie Ethanol, Methanol, Isopropanol u. a. eingesetzt werden. Als Dispergier- oder Dispergierhilfsmittel können Tenside oder andere oberflächenaktive chemische Verbindungen eingesetzt werden, die eine Agglomeration der Metallpartikel vermeiden und eine homogene Verteilung der Metallpartikel mit verbessertem Benetzungsverhalten in der Flüssigkeit ermöglichen.
Als Bindemittel können langkettige Polymere, z. B. Ethylcellulose, Methylcellulose, Nitrocellulose, Kolophonium, Polyacrylsäure u. a. eingesetzt werden. Der Anteil und die Auswahl sollten so getroffen werden, dass für die Suspension bei der jeweiligen Temperatur, bei der ein Auftrag der jeweiligen Suspension auf ein Bauteil oder eine Komponente erfolgt, eine Viskosität erreicht werden kann, die eine gute Verarbeitbarkeit gewährleistet.
Bei der erfindungsgemäßen Zusammenstellung kann eine Suspension, bei der in der Flüssigkeit zwei geeignete Metalle in Partikelform enthalten sind, eingesetzt werden. Es können aber auch zwei Suspensionen A und B genutzt werden, um ein reaktives Multischichtsystem auszubilden, bei dem Schichten in alternierender Anordnung übereinander mit den beiden Suspensionen A und B, in denen jeweils ein unterschiedliches Metall enthalten ist, eingesetzt werden. Es kann aber auch ein flüssiges und/oder ein in einer Suspension enthaltenes Lot Bestandteil der Zusammenstellung sein. Das Lot kann auf eine Oberfläche eines ausgebildeten reaktiven Schichtsystems oder Multischichtsystems aufgebracht werden und mittels der bei der exothermen Reaktion hervorgerufenen Erwärmung temporär zur Ausbildung einer stoffschlüssigen Lotverbindung aufgeschmolzen werden.
Insbesondere wenn die erfindungsgemäße Zusammenstellung mit zwei Suspensionen A und B und/oder einem Lot als Komponenten der Zusammenstellung eingesetzt werden, kann man diese in englischer Sprache auch als „set” bezeichnen.
Bei der Erfindung besteht aber auch die Möglichkeit, bei einer Zusammenstellung mehr als zwei unterschiedliche Suspensionen A und B einzusetzen. Diese können dann lokal an verschiedenen Orten oder innerhalb eines reaktiven Multischichtsystems auch übereinander Schichten ausbilden. Im erstgenannten Fall können dabei lokal gezielt bestimmte Temperaturen bei der exothermen Reaktion erreicht werden, die in Bereichen der beschichteten Bauteilfläche höher oder niedriger sein können. Dies kann einmal durch Auswahl der jeweiligen Metalle, worauf nachfolgend noch zurück zu kommen sein wird, und/oder die jeweils enthaltenen Metallanteile beeinflusst werden. Die günstigsten Verhältnisse für einen effektiven Umsatz bei der exothermen Reaktion lassen sich bei Einhaltung der optimalen stöchiometrischen Anteile der enthaltenen Metalle erreichen.
Mit den reaktiven Schichtsystemen bzw. den reaktiven Multischichtsystemen können Temperaturen bis zu 3000°C erreicht werden. Der Vorteil des ausgenutzten Effektes für eine Erwärmung liegt dabei auch in der kurzen Zeit für die Erwärmung und Abkühlung und zusätzlich der lokal begrenzt möglichen Erwärmung an einem oder mehreren Bauteil(en), die auch definiert erfolgen kann.
Bei der Erfindung können unterschiedliche Metallpaare eingesetzt werden, deren exotherme Reaktion ausgenutzt werden kann. Dies sind beispielsweise Gruppe I -Ni/Ti, Ti/Al, Y/Ag, Zr/Al, Y/Cu- Gruppe II – Ni/Al, Ni/Zr, Ru/Al, Pd/Sn, Pd/Zn, Co/Al, – Gruppe III – Ti/Si, Zr/Si, Pt/Al und Ni/Si. Bei den Paaren der Gruppe I handelt es sich um niederenergetische, die eine geringere Erwärmung und Temperatur erreichen. Die Gruppe II betrifft mittelenergetische und die Gruppe III höherenergetische Paarungen, mit denen Temperaturen auch oberhalb 450°C erreicht werden können, die beispielsweise beim Hartlöten genutzt werden können. Es können auch Ti/CuO, Al/CuO, Al/Fe₂O₃ eingesetzt werden.
Wie bereits angesprochen, kann auch ein flüssiges und/oder ein in einer Suspension enthaltenes Lot Bestandteil der Zusammenstellung sein, das Lot kann auf eine Oberfläche eines ausgebildeten reaktiven Schichtsystems oder Multischichtsystems aufgebracht und infolge der exothermen Reaktion für eine Ausbildung einer stoffschlüssigen Lotverbindung temporär aufgeschmolzen werden. Als Flüssiglot ist beispielsweise eine eutektische Zinnlegierung, wie z. B. Sn63Pb37 bekannt. Es kann aber auch eine Glasfritte für ein Glaslot eingesetzt werden. Die Glasfritte kann dabei in einer Suspension enthalten und so verarbeitet werden.
Der Energieeintrag zum Auslösen der exothermen Reaktion kann durch Bestrahlung, z. B. mittels Laserstrahl, auf elektrischem Weg, z. B. durch Funkenabriss oder auch mechanisch, z. B. durch eine ausgeübte Kraftwirkung, erreicht werden.
Eine bei der Erfindung einsetzbare Suspension sollte bevorzugt eine pastöse Konsistenz aufweisen, welche eine Viskosität im Bereich 1 mPa·s bis 10000 mPa·s, bevorzugt aber eine Viskosität im Bereich 10 mPa·s bis 1000 mPa·s, bei der Verarbeitungstemperatur der jeweiligen Suspension, liegt. Dabei kann der Auftrag einer Suspension in einfacher Form manuell, bevorzugt jedoch mit einem Druckverfahren erfolgen. Es kann dabei gezielt eine jeweilige Schichtdicke eingestellt werden. Außerdem können jeweils gewünschte Geometrien einer mit einer Suspension ausgebildeten Schicht eines reaktiven Schichtsystems oder reaktiven Multischichtsystems ausgebildet werden. Es können zweidimensionale aber auch dreidimensionale Geometrien ausgebildet werden. Es besteht aber auch die Möglichkeit lokal gezielt Bereiche mit unterschiedlicher Schichtdicke oder unterschiedlicher Anzahl an Schichten eines reaktiven Multischichtsystems auszubilden, wodurch entsprechend lokal differenziert unterschiedliche Temperaturen erreicht werden können. Dies ist aber auch durch den Einsatz unterschiedlicher Metalle und/oder Metallanteile in lokal begrenzten Bereichen eines reaktiven Schichtsystems bzw. reaktiven Multischichtsystems möglich. Ebenso kann eine ausgewählte lokal begrenzte Oberfläche mit einem Lot oder einer ein Lot enthaltenden Suspension beschichtet werden. Neben beispielsweise Siebdruckverfahren kann ein Auftrag auch mittels Dispenserdruck, Inkjet-Druck oder Aerosoljet-Druck erfolgen, was die Flexibilität bei der geometrischen Gestaltung von Schichten auch auf konturierten Oberflächen verbessert. Im einfachsten Fall kann aber auch ein Auftrag aus einer Tube oder einem ähnlichen Behältnis erfolgen.
Bei den Schichten sollten Schichtdicken im Bereich 20 nm bis 3000 μm eingehalten werden. Dabei kann bei einem mit einer Schicht, in der Partikel zweier Metalle enthalten sind, gebildetes Schichtsystem diese Schicht eine Schichtdicke im Bereich 0,5 μm bis 3000 μm aufweisen. Bei mehreren Schichten eines reaktiven Multischichtsystems sollten Schichtdicken kleiner 200 μm eingehalten sein.
Wie bereits angesprochen, können mit der Erfindung Nachteile des Standes der Technik in ihrer Wirkung reduziert oder sogar vermieden werden. So kann eine lokal definiert begrenzte, auch punktförmige Erwärmung erreicht werden. Die Herstellung kann in kürzerer Zeit und mit reduzierten Kosten erfolgen. Es können dreidimensional gestaltete Oberflächen mit reaktiven Schichtsystemen oder reaktiven Mehrschichtsystemen einfach versehen und dort eine Fügung mit einem anderen Bauteil oder einer Komponente vorgenommen werden. Es können auch stoffschlüssige Verbindungen an Rohren oder elektrischen Kontakten ausgebildet werden.
Mit der Erfindung können neben den bereits erwähnten Lötverbindungen, z. B. auch Schweißverbindungen hergestellt werden. Dies kann auch unter Verzicht auf Zusatzwerkstoff erreicht werden, indem der Grundwerkstoff von zu fügenden Teilen ausreichend erwärmt und ggf. zusätzlich eine Druckkraft im Fügebereich ausgeübt wird. Es ist so auch eine stoffschlüssige Verbindung von Polymeren möglich.
Durch ein Fügen, das mit der Erfindung erreicht werden kann, können auch Bauteile, die aus mehreren Bauteilen oder Komponenten durch Fügen erhalten werden können, hergestellt werden.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Beispielen näher erläutert werden.
Beispiel 1
Es werden Al-Nanopartikel und Ni-Nanopartikel (Durchmesser < 40 nm) in einem Gemisch aus Ethylenglykol und Isopropanol, bei einem atomaren Verhältnis von 1:1, zu einer Suspension verarbeitet. Der Feststoffanteil der Suspension wird dabei auf 20 Masse-% eingestellt. Die Vermischung und Zerstörung der Agglomerate erfolgt dabei mit Hilfe einer Ultraschallsonotrode. Die hergestellte Suspension wird mit einem Aerosoldrucker der Firma Optomec auf die zu fügenden Bauteile aus Messing jeweils auf eine Oberfläche, auf der jeweils einer 10 μm dicken Lotschicht aus AuSn aufgetragen ist, direkt aufgedruckt. Die Druckparameter werden dabei so gewählt, dass die Schichtdicke nach dem Trocknen der reaktiven Suspension etwa 10 μm beträgt. Die so bedruckten Bauteile werden anschließend bei 150°C für 10 Minuten erwärmt, um verbleibende Lösemittelreste aus der Suspension zu entfernen. Die Bauteile werden mit den Oberflächen auf denen das reaktive Schichtsystem ausgebildet worden ist, aneinander gelegt und zusammengepresst.
Die Zündung der reaktiven Schicht wird dabei durch Anlegen einer elektrischen Spannung herbeigeführt. Durch die so initiierte exotherme Reaktion wird das Lot aufgeschmolzen und nach dem Erstarren eine stoffschlüssige Lötverbindung hergestellt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010060937 A1 [0003]

Claims

Zusammenstellung für die Ausbildung eines reaktiven Schichtsystems oder Multischichtsystems, bei dem Partikel mindestens zweier unterschiedlicher Metalle, die Metalle so ausgewählt sind, dass bei einem Energieeintrag eine exotherme Reaktion zwischen den unterschiedlichen Metallen erfolgt, wobei die Metalle in mindestens einer Suspension enthalten oder auf einen Binder, der auf eine Oberfläche eines Bauteils aufbringbar ist, auftragbar sind, so dass nach der Ausbildung eines reaktiven Schichtsystems die Metalle in einer Schicht oder alternierend in den Schichten eines reaktiven Multischichtsystems angeordnet sind.
Zusammenstellung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die metallischen Partikel eine Partikelgröße kleiner 5 μm aufweisen.
Zusammenstellung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Suspension neben den metallischen Partikeln und der Flüssigkeit, die bevorzugt kein Wasser ist oder kein Wasser enthält, ein Dispergiermittel, ein Dispergierhilfsmittel und/oder ein Bindemittel enthalten ist/sind.
Zusammenstellung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Metalle, die in der/den Suspension(en) enthalten sind, ausgewählt sind aus jeweils den Paaren Ni/Ti, Ti/Al, Y/Ag, Zr/Al, Y/Cu, Ni/Al, Ni/Zr, Ru/Al, Pd/Sn, Pd/Zn, Co/Al, Ti/Si, Zr/Si, Pt/Al und Ni/Si, Ti/CuO, Al/CuO, Al/Fe₂O₃ _,.
Zusammenstellung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein flüssiges und/oder ein in einer Suspension enthaltenes Lot Bestandteil der Zusammenstellung ist, das auf eine Oberfläche eines ausgebildeten reaktiven Schichtsystems oder Multischichtsystems aufbringbar ist.
Zusammenstellung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Suspension eine Konsistenz aufweist, wobei bevorzugt eine Viskosität im Bereich 1 mPa·s bis 10000 mPa·s bei der Verarbeitungstemperatur der jeweiligen Suspension eingehalten ist.
Verwendung einer Zusammenstellung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zum stoffschlüssigen Verbinden von Bauteilen oder Komponenten.
Verwendung einer Zusammenstellung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Ausbildung eines reaktiven Schichtsystems oder eines reaktiven Multischichtsystems durch ein Druckverfahren, wobei Schichtdicken im Bereich 20 nm bis 3000 μm ausgebildet werden.
Verwendung einer Zusammenstellung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Ausbildung eines reaktiven Schichtsystems oder eines reaktiven Multischichtsystems in zweidimensionaler Gestaltung, wobei bevorzugt Bereiche mit unterschiedlicher Schichtdicke und/oder Bereiche mit unterschiedlichen Metallen und/oder Metallanteilen und/oder lediglich Teilbereiche eines reaktiven Schichtsystems oder reaktiven Multischichtsystems mit einem Lot beschichtet werden.