DE102013209587A1

DE102013209587A1 - Verfahren zum Herstellen eines metallschaumhaltigen Elements

Info

Publication number: DE102013209587A1
Application number: DE201310209587
Authority: DE
Inventors: Andreas Bethge; Ralph Reiche; Daniel Reznik
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2013-05-23
Filing date: 2013-05-23
Publication date: 2014-11-27
Also published as: WO2014187628A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich u. a. auf ein Verfahren zum Herstellen eines metallschaumhaltigen Elements (200–205). Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Materialmischung (10), die beispielsweise Kupfer und zumindest auch Kupfer(II)-oxidmischkristalle enthält, auf eine Prozesstemperatur (Tp) erhitzt wird, die mindestens so groß wie die Zersetzungstemperatur (Tz) des Kupfer(II)-oxids und kleiner als die Schmelztemperatur (Ts) des Kupfers ist. Zumindest ein Teil der Kupfer(II)-oxidmischkristalle wird bei der Prozesstemperatur (Tp) in Kupfer und Sauerstoffatome zersetzt und bildet Gasblasen, durch die die Materialmischung (10) unter Bildung von Poren (100) aufgeschäumt wird. Die Prozesstemperatur (Tp) liegt vorzugsweise zwischen 1026°C und 1065°C. Bevorzugt erfolgt das Erhitzen im Temperaturbereich zwischen 375°C und 1026°C unter Hervorrufen eines Siedeverzugs; dadurch wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass ein besonders großer Anteil des Kupfer(II)-oxids den Temperaturbereich zwischen 1026°C und 1065°C erreicht und nicht vorab in Kupfer(I)-oxid umgewandelt wird. Der Siedeverzug lässt sich besonders einfach dadurch erreichen, dass die Erhöhung der Temperatur beim Erhitzen der Materialmischung (10) im Temperaturbereich zwischen 375°C und 1026°C mindestens 100K/min beträgt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Herstellen eines metallschaumhaltigen Elements.
Aus der Literaturstelle "Fabrication of Lotus-type Porous Metals and their Physical Properties" (H. Nakajima, T. Ikeda und S.K. Hyun, Advanced Engineering Materials 2004, 6, No. 6, pp. 377–384) ist ein Verfahren zum Herstellen eines metallschaumhaltigen Elements bekannt, bei dem ein Metall in einer Überdruckatmosphäre zum Schmelzen gebracht wird. Aufgrund der Überdruckatmosphäre kann ein außen vorhandenes Prozessgas die Metallschmelze bis zur maximalen Prozessgassättigung aufladen. Bei der Erstarrung des Metalls verschiebt sich das Sättigungsverhältnis des Prozessgases im Metall mit fallender Temperatur zu geringeren maximalen Löslichkeiten, so dass das Prozessgas aus dem Metall austritt und lokal Poren bildet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Herstellen metallschaumhaltiger Elemente anzugeben, das sich mit weniger Aufwand als das vorbekannte Verfahren durchführen lässt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in Unteransprüchen angegeben.
Danach ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine Materialmischung, die zumindest ein Metall und Mischkristalle, die aus Metallatomen des Metalls und Fremdatomen bestehen und sich bei einer unterhalb der Schmelztemperatur des Metalls liegenden Zersetzungstemperatur thermisch zersetzen, auf eine Prozesstemperatur erhitzt wird, die mindestens so groß wie die Zersetzungstemperatur der Mischkristalle und kleiner als die Schmelztemperatur des Metalls ist, zumindest ein Teil der Mischkristalle bei der Prozesstemperatur in Metall- und Fremdatome zersetzt wird und die Temperatur der Materialmischung anschließend auf eine Temperatur unterhalb der Zersetzungstemperatur reduziert wird.
Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, dass zur Durchführung des Verfahrens kein Überdruck und somit keine Überdruckkammer benötigt wird, um das aufzuschäumende Metall mit einem Prozessgas aufzuladen. Das Aufschäumen lässt sich allein durch eine Temperaturerhöhung erreichen.
Zur Porenbildung bzw. zur Bildung von Gasblasen, die die Poren bilden, wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Mischkristalle aus Metallatomen des Metalls sowie aus Gas bildenden Komponenten bestehen. Als Gas bildende Komponenten kommen beispielsweise Sauerstoff, Kohlenstoff, Stickstoff oder Wasserstoff in Betracht; mit anderen Worten können als Mischkristalle beispielsweise Metalloxide, Metallnitride, Metallcarbide oder Metallhydride eingesetzt werden. Als besonders vorteilhaft wird es jedoch angesehen, wenn die Materialmischung mit Mischkristallen gebildet wird, die aus Metallatomen des Metalls sowie Sauerstoffatomen bestehen, und zumindest ein Teil der Mischkristalle im Rahmen einer Redoxreaktion zersetzt wird.
Besonders einfach und damit vorteilhaft lässt sich als metallschaumhaltiges Element ein kupferschaumhaltiges Element bilden, indem eine Materialmischung, die Kupfer und Mischkristalle aus Kupfer(II)-oxid enthält, erhitzt wird.
Vorzugsweise wird als metallschaumhaltiges Element ein kupferschaumhaltiges Element gebildet, indem eine untereutektische Materialmischung, die Kupfer und Sauerstoff erhält, erhitzt wird.
Mit Blick auf die Zersetzung des Kupfer(II)-Oxids wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Materialmischung auf eine Temperatur zwischen 1026°C und 1065°C erhitzt wird.
Um zu verhindern, dass das in der Materialmischung vorhandene Kupfer(II)-Oxid während des Erhitzens ganz oder zum Teil in Kupfer(I)-Oxid umgewandelt wird und somit für eine Zersetzung bzw. für ein Aufschäumen des Kupfers nicht mehr zur Verfügung steht, wird es als vorteilhaft angesehen, wenn das Erhitzen im Temperaturbereich zwischen 375°C und 1026°C unter Hervorrufen eines Siedeverzugs erfolgt und zumindest ein Teil des vor dem Erhitzen in der Materialmischung befindlichen Kupfer(II)-oxids den Temperaturbereich zwischen 1026°C und 1065°C erreicht.
Ein solcher Siedeverzug lässt sich besonders einfach und damit vorteilhaft dadurch erreichen, dass die Erhöhung der Temperatur beim Erhitzen der Materialmischung im Temperaturbereich zwischen 375°C und 1026°C mindestens 100K/min beträgt.
Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn die Erhöhung der Temperatur beim Erhitzen der Materialmischung in dem Temperaturbereich zwischen 375°C und 1026°C mit einem zeitlichen Temperaturgradienten zwischen 100K/min und 1000K/min, insbesondere mit einem zeitlichen Temperaturgradienten zwischen 300K/min und 600K/min erfolgt.
Das oben beschriebene Verfahren zum Aufschäumen von Kupfer kann in entsprechender Weise auch bei anderen Metallen durchgeführt werden, beispielsweise bei Mangan, bei Kobalt, bei Silber, bei Vanadium oder Molybdän. Aus diesem Grunde wird es als vorteilhaft angesehen, wenn

– eine Materialmischung, die zumindest auch Mangan und Mn₂O₃ enthält, auf eine Temperatur zwischen 940°C und 1519°C erhitzt und das Mn₂O₃ in Mangan und Sauerstoff unter Bildung von Sauerstoffgasblasen zersetzt wird, oder
– eine Materialmischung, die zumindest auch Kobalt und Co₂O₃ enthält, auf eine Temperatur zwischen 895°C und 1495°C erhitzt wird und das Co₂O₃ in Kobalt und Sauerstoff unter Bildung von Sauerstoffgasblasen zersetzt wird, oder
– eine Materialmischung, die zumindest auch Silber und Ag₂O enthält, auf eine Temperatur zwischen 230°C und 961°C erhitzt wird und das Ag₂O in Silber und Sauerstoff unter Bildung von Sauerstoffgasblasen zersetzt wird, oder
– eine Materialmischung, die zumindest auch Vanadium und V₂O₅ enthält, auf eine Temperatur zwischen 1750°C und 1910°C erhitzt wird und das V₂O₅ in Vanadium und Sauerstoff unter Bildung von Sauerstoffgasblasen zersetzt wird, oder
– eine Materialmischung, die zumindest auch Molybdän und MoO₂ enthält, auf eine Temperatur zwischen 1100°C und 2623°C erhitzt wird und das MoO₂ in Molybdän und Sauerstoff unter Bildung von Sauerstoffgasblasen zersetzt wird.

Um zu vermeiden, dass andere Reaktionen als die beschriebenen Zersetzungsreaktionen zum Aufschäumen des Metalls auftreten und den Anteil des zersetzungsfähigen Materials vorab reduzieren, wird es als vorteilhaft angesehen, wenn – wie bereits erwähnt – die Erhöhung der Temperatur beim Erhitzen bis zum Erreichen der Zersetzungstemperatur mindestens 100K/min beträgt.
Zur Bildung anisotroper Poren bzw. zum Bilden anisotroper Gasblasen wird es als vorteilhaft angesehen, wenn auf die Anordnung der Mischkristalle innerhalb der Materialmischung sowie auf die Formgestaltung der Mischkristalle vor dem Erhitzen gezielt Einfluss genommen wird. Eine solche Einflussnahme kann besonders einfach und damit vorteilhaft dadurch erfolgen, dass die Materialmischung vor dem Erhitzen mechanisch bearbeitet wird, insbesondere gewalzt, gepresst, geschmiedet oder gehämmert wird.
Um eine vorgegebene Zusammensetzung der Materialmischung besonders genau erreichen zu können, wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Materialmischung durch Sintern von Metallpartikeln und Mischkristallpartikeln gebildet wird.
Mit Blick auf die Erzeugung von Poren nur innerhalb des metallschaumhaltigen Elements wird es als vorteilhaft angesehen, wenn beim Erhitzen der Materialmischung im Inneren der Materialmischung lokal eine höhere Temperatur als an zumindest einem Abschnitt der Oberfläche der Materialmischung eingestellt wird, indem die Materialmischung an diesem zumindest einen Abschnitt der Oberfläche gekühlt wird.
Soll hingegen eine gleichmäßige Verteilung von Poren bzw. Gasblasen im aufgeschäumten metallschaumhaltigen Element hervorgerufen werden, so wird es als vorteilhaft angesehen, wenn beim Erhitzen der Materialmischung eine gleichmäßige Wärmeverteilung innerhalb der Materialmischung eingestellt wird, indem die Oberfläche der Materialmischung zumindest lokal thermisch isoliert wird.
Die Erfindung bezieht sich außerdem auf ein Verfahren zum Herstellen einer Wärmeübertragungseinrichtung. Erfindungsgemäß ist diesbezüglich vorgesehen, dass ein geschlossenporiges metallschaumhaltiges Element mit schlauchförmigen Poren gemäß einem der oben beschriebenen Verfahren hergestellt wird und mit dem metallschaumhaltigen Element ein Verdampfungswärme führendes Wärmerohr der Wärmeübertragungseinrichtung gebildet wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert; dabei zeigen beispielhaft
1 und 2 ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zum Herstellen eines geschlossenporigen metallschaumhaltigen Elements mit im Kerninneren des Elements angeordneten anisotropen Gasblasen bzw. Poren,
3 ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zum Herstellen eines offenporigen metallschaumhaltigen Elements, bei dem anisotrope Poren ausschließlich im Außenbereich des Elements angeordnet sind,
4 und 5 ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zum Herstellen eines offenporigen metallschaumhaltigen Elements, bei dem anisotrope Poren sowohl im Inneren als auch im Außenbereich des Elements angeordnet sind,
6 und 7 ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren zum Herstellen eines metallschaumhaltigen Elements, bei dem im Kernbereich des Elements isotrope Poren vorhanden sind,
8 ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren, bei dem isotrope Poren sowohl im Innenbereich als auch im Außenbereich des metallschaumhaltigen Elements gebildet werden, und
9 ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren, bei dem isotrope Poren ausschließlich im Außenbereich hergestellt werden.
In den Figuren werden der Übersicht halber für identische oder vergleichbare Komponenten stets dieselben Bezugszeichen verwendet.
Die 1 zeigt als Ausgangsmaterial eine Materialmischung 10, die ein Metall 20 sowie Mischkristalle 30 enthält. Die Mischkristalle 30 bestehen aus Metallatomen des Metalls 20 sowie aus Fremdatomen, die eine Gas bildende Eigenschaft aufweisen. Als Fremdatome kommen beispielsweise Sauerstoff, Stickstoff, Kohlenstoff oder Wasserstoff in Betracht. Mit anderen Worten kann es sich bei den Mischkristallen 30 beispielsweise also um Metallnitride, Metallcarbide, Metalloxide oder Metallhydroxide handeln.
Als Metall 20 kommt zur Bildung der Materialmischung 10 beispielsweise Kupfer, Mangan, Kobalt, Silber, Vanadium oder Molybdän in Betracht.
Nachfolgend wird beispielhaft davon ausgegangen, dass es sich bei der Materialmischung 10 um sauerstoffreiches Kupfer handelt: Das Metall 20 ist also Kupfer und bei den Mischkristallen 30 handelt es sich um Kupfer(II)-Oxid. Die Materialmischung 10 kann darüber hinaus Kupfer(I)-Oxid aufweisen, das – wie weiter unten erläutert wird – jedoch für den Prozess keine Rolle spielt. Als Ausgangsmaterial kann beispielsweise "Cu-ETP1"-Kupfer nach EN 1977 mit einem max. Sauerstoffgehalt 0,040(Gew.%) verwendet werden; der Anteil des Kupfer(I)-Oxids am gesamten Kupferoxid liegt bei einem solchen Material bei circa 32% und der Anteil des Kupfer(II)-Oxids bei circa 68% (vgl. Ulmanns Enzyklopädie der technischen Chemie, 4. Auflage, Band 15, ISBN 3-527-20015-0, Seite 560, Punkt 2.2).
Die nachfolgenden detaillierten Ausführungen und Erläuterungen sind deshalb aber nicht auf das Kupfer/Kupferoxid-Materialsystem beschränkt zu verstehen, sondern können in identischer oder zumindest analoger Weise auf die anderen genannten Materialsysteme übertragen werden, selbstverständlich unter Berücksichtigung an das Material angepasster Verfahrensparameter, wie beispielsweise einer geeigneten Prozesstemperatur.
Wie sich der Darstellung in 1 entnehmen lässt, sind die Mischkristalle 30 innerhalb der Materialmischung 10 in Schichten bzw. Ebenen verteilt und weisen jeweils eine anisotrope bzw. längliche Form auf. Eine entsprechende Formgestaltung der Mischkristalle 30 sowie eine entsprechende Anordnung der Mischkristalle 30 lässt sich in besonders einfacher Weise durch eine mechanische Bearbeitung der Materialmischung 10 erreichen, beispielsweise durch Walzen, Pressen, Schmieden oder Hämmern. Eine solche mechanische Materialbearbeitung ist für Kupfer zur Verbesserung der mechanischen Eigenschaften an sich bekannt, so dass auf die entsprechenden mechanischen Bearbeitungstechniken von Kupfer verwiesen sei.
Die 1 zeigt darüber hinaus, dass die Materialmischung 10 an der Oberfläche 11 mit Kühlelementen 40 versehen worden ist, die die Oberfläche 11 thermisch kühlen.
Die Materialmischung 10 gemäß 1 wird zu Herstellung von Poren bzw. Gasblasen nun im Inneren erhitzt, indem beispielsweise ein elektrischer Stromfluss I durch die Materialmischung 10 hindurch hervorgerufen wird. Dies kann beispielsweise induktiv oder durch Anlegen einer entsprechenden elektrischen Spannung an die Materialmischung 10 erreicht werden. Bei dem Stromfluss I kann es sich beispielsweise um einen Gleichstrom handeln, der sich gleichmäßig im Inneren der Metallmischung 10 verteilt, wie dies beispielhaft in der 2 dargestellt ist.
Trotz der Gleichverteilung des Stromflusses I kommt es bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 dennoch zu einer lokal abhängigen Wärmeverteilung innerhalb der Materialmischung 10, nämlich aufgrund der äußeren Kühlung der Oberfläche 11 durch die Kühlelemente 40. Wegen des äußeren Kühlens der Oberfläche 11 wird eine Temperaturverteilung T über dem Ort X hervorgerufen, wie sie in der 2 links mittels eines Diagramms gezeigt ist. Es lässt sich erkennen, dass der Mittenbereich der Materialmischung 10 durch den Stromfluss I auf eine Prozesstemperatur Tp erhitzt wird, die zwischen der Zersetzungstemperatur Tz der Mischkristalle 30 und der Schmelztemperatur Ts des Metalls 20 liegt.
Aufgrund der Erwärmung der Mischkristalle 30 auf die Prozesstemperatur Tp bzw. aufgrund des Erwärmens auf eine Temperatur, die oberhalb der Zersetzungstemperatur Tz liegt, kommt es zu einem Zersetzen der Mischkristalle 30 und zur Bildung von Gasblasen bzw. Poren 100 im Mittenbereich der Materialmischung 10. Der Außenbereich der Materialmischung 10 wird aufgrund der Kühlwirkung der Kühlelemente 40 nicht soweit erhitzt, dass er die Zersetzungstemperatur Tz erreichen würde, so dass im Außenbereich die Mischkristalle 30 unzersetzt erhalten bleiben.
Nach dem Abkühlen der Materialmischung 10 ist die Herstellung eines metallschaumhaltigen Elements 200 vollendet. Das metallschaumhaltige Element 200 weist aufgrund der anisotropen Form der Mischkristalle 30 im Ausgangsmaterial anisotrope, schlauchförmige Poren 100, die vorzugsweise miteinander in Verbindung stehen, im Mittenbereich auf; der Oberflächenbereich des metallschaumhaltigen Elements 200 ist porenfrei bzw. geschlossen. Die Kühlelemente 40 können nachfolgend von der Oberfläche 11 entfernt werden.
Geschlossenporige metallschaumhaltige Elemente, die – wie das Element 200 gemäß 2 – innen miteinander verbundene schlauchförmige Poren 100 aufweisen und außen geschlossen sind, können beispielsweise als sogenannte Wärmerohre eingesetzt werden, bei denen ein Wärmetransport durch Verdampfungswärme erfolgt. Mit anderen Worten kann das Verfahren gemäß den 1 und 2 auch zum Herstellen von Wärmerohren eingesetzt werden. Die Wärmerohre können beispielsweise zum Kühlen von Mikroprozessoren oder Computern eingesetzt werden.
Wie bereits erwähnt, wird bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den 1 und 2 davon ausgegangen, dass es sich bei dem Metall 20 um Kupfer und bei den Mischkristallen 30 um Kupfer(II)-Oxid handelt. Kupfer(II)-Oxid weist eine Zersetzungstemperatur von 1026°C auf. Die Schmelztemperatur von Kupfer liegt je nach dem Sauerstoffgehalt in der Materialmischung 10 in einem Bereich zwischen 1065°C und 1083°C. Eine optimale Prozesstemperatur Tp zum Zersetzen der Mischkristalle 30 liegt somit in einem Temperaturbereich zwischen 1026°C und 1065°C. Um eine optimale Zersetzung der Mischkristalle 30 und eine optimale Porenbildung zu ermöglichen, wird die Temperatur während der Zersetzungsphase vorzugsweise in diesem Temperaturbereich zwischen 1026°C und 1065°C für eine gewisse Zeitspanne, vorzugsweise zwischen 15 und 20 Minuten, gehalten.
Um eine optimale Effizienz bei der Porenbildung zu erreichen, wird das Erhitzen der Materialmischung 10 möglichst schnell durchgeführt, um den Temperaturbereich zwischen 375°C und 1026°C möglichst schnell zu durchfahren. Kupfer(II)-Oxid weist nämlich die Eigenschaft auf, sich oberhalb einer Temperatur von 375°C in Kupfer(I)-Oxid umzuwandeln. Wird somit der Temperaturbereich zwischen 375°C und 1026°C zu langsam durchfahren, so wird sich der Anteil an Mischkristallen 30 aus Kupfer(II)-Oxid in der Materialmischung 10 während des Erwärmens drastisch reduzieren oder sogar auf Null sinken, so dass nachfolgend keine Porenbildung mehr erfolgen wird; denn Kupfer(I)-Oxid zersetzt sich erst bei einer Temperatur von 1800°C, die weit oberhalb der Schmelztemperatur Ts von 1083°C von Kupfer liegt. Eine Porenbildung mit Kupfer(I)-Oxid ist also nicht möglich.
Mit anderen Worten sollte das Erwärmen der Materialmischung 10 gemäß 1 in dem Bereich, in dem es zu einer Gasblasenbildung und damit Porenbildung bzw. zu einer Zersetzung des Kupfer(II)-Oxids kommen soll, möglichst schnell erfolgen, um eine vorherige Umwandlung in Kupfer(I)-Oxid so gering wie möglich zu halten. Um dies zu erreichen, sollte es beim Erwärmen der Materialmischung 10 zu einem Überhitzen der Mischkristalle 30 bzw. zu einem Siedeverzug dergestalt kommen, dass die Kupfer(II)-Oxide die Zersetzungstemperatur Tz erreichen, bevor sie sich in Kupfer(I)-Oxid umwandeln können.
Um den angesprochenen Siedeverzug beim Erwärmen des Kupfer(II)-Oxids zu erzielen, wird der Temperaturgradient beim Aufheizen der Materialmischung 10 bzw. beim Aufheizen des Innenbereichs der Materialmischung 10 (vgl. 2) möglichst größer als 100 K/min gewählt. Als besonders geeignet wird ein Temperaturgradient zwischen 300 K/min und 600 K/min angesehen. Ein solcher Temperaturgradient ermöglicht einerseits einen ausreichenden Siedeverzug bzw. einen ausreichenden Anteil an Kupfer(II)-Oxidmischkristallen innerhalb der Materialmischung 10 bei Erreichen der Zersetzungstemperatur Tz, andererseits bleibt noch eine ausreichende prozesstechnische Kontrollierbarkeit des Prozessablaufs möglich, um die Prozesstemperatur Tp kontrolliert im Bereich oberhalb der Zersetzungstemperatur Tz und unterhalb der Schmelztemperatur Ts des Kupfers halten zu können.
Um den angesprochenen minimalen Temperaturgradienten von 100 K/min zu erreichen, wird vorzugsweise ein sehr hoher Stromfluss I in der Materialmischung 10 hervorgerufen. Stromdichten im Bereich zwischen 5000 A/cm² und 15000 A/cm² werden hier als vorteilhaft angesehen.
Die 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel dafür, wie sich ein offenporiges metallschaumhaltiges Element 201 herstellen lässt, in dessen Inneren keine Poren vorhanden sind. Um ein derartiges metallschaumhaltiges Element 201 herzustellen, wird vorzugsweise der Außenbereich der Materialmischung 10 gezielt erwärmt. Eine solche Erwärmung kann beispielsweise durch eine äußere Erhitzung bzw. einen äußeren Wärmefluss W erfolgen, der durch die Oberfläche 11 in die Materialmischung 10 eintritt.
Zusätzlich oder alternativ kann eine Erwärmung durch einen Stromfluss I erfolgen, der ausschließlich im Außenbereich der Materialmischung 10 fließt. Ein solcher Stromfluss I kann beispielsweise auf einem Wechselstrom Iw basieren, dessen Frequenz derart gewählt ist, dass aufgrund des Skineffekts der Strom Iw nur bzw. vorwiegend im Bereich der Oberfläche der Materialmischung 10 fließt.
Aufgrund der beschriebenen Erwärmung ausschließlich im oberflächennahen Bereich der Materialmischung 10 kommt es zu einer Temperaturverteilung T über dem Ort X, wie sie in der 3 auf der linken Seite gezeigt ist. Die Temperatur wird im Bereich der Oberfläche 11 der Materialmischung 10 zwecks Porenbildung auf eine Prozesstemperatur Tp gebracht, die oberhalb der Zersetzungstemperatur Tz der Mischkristalle 30 und unterhalb der Schmelztemperatur Ts des Metalls 20 liegt.
Durch das Erwärmen des Außenbereichs der Materialmischung 10 kommt es dort zu einem Zersetzen der Mischkristalle 30, wohingegen die Mischkristalle 30 im Inneren der Materialmischung 10 unzersetzt bleiben. Es kommt somit zu einer Bildung von Poren 100 ausschließlich im Oberflächenbereich der Materialmischung 10 und zur Bildung eines offenporigen metallschaumhaltigen Elements 201, dessen Innenbereich porenfrei ist.
Die Poren 100 sind bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 anisotrop, weil auch die Mischkristalle 30 in der Materialmischung 10 anisotrop sind; diesbezüglich gelten die Ausführungen im Zusammenhang mit der 1 und 2 hier analog.
Im Zusammenhang mit den 4 und 5 wird nun beispielhaft ein Verfahren erläutert, mit dem sich ein metallschaumhaltiges Element 202 herstellen lässt, bei dem anisotrope Poren 100 sowohl im Innenbereich der Materialmischung 10 als auch im Außenbereich der Materialmischung 10 vorhanden sind. Hierzu wird die Materialmischung 10 im Bereich der Oberfläche 11 mit Isolierelementen 50 versehen, die eine thermische Isolation der Materialmischung 10 bewirken. Anschließend wird die Materialmischung 10 erwärmt, beispielsweise durch einen Stromfluss I, der durch die Materialmischung 10 hindurchfließt, oder auf andere Weise. Beispielsweise kann die Materialmischung 10 auch induktiv oder durch Mikrowellen, Laserlicht oder Wärmestrahlen erhitzt werden.
Aufgrund der Wirkung der Isolierelemente 50 kommt es bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den 4 und 5 zu einer gleichmäßigen Wärmeverteilung innerhalb der Materialmischung 10, so dass sich eine Prozesstemperatur Tp, die größer als die Zersetzungstemperatur Tz der Mischkristalle 30 und kleiner als die Schmelztemperatur Ts des Metalls 20 ist, im gesamten Bereich der Materialmischung 10 erreichen lässt. Demgemäß werden sich alle Mischkristalle 30 zersetzen und Poren 100 bilden, wie dies in der 5 gezeigt ist. Es wird somit ein metallschaumhaltiges Element 202 gebildet, das offenporig ist und anisotrope bzw. schlauchförmige Poren 100 sowohl im Außenbereich als auch im Innenbereich der Materialmischung 10 aufweist.
Anhand der 6 und 7 wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren erläutert, bei dem isotrope Gasblasen bzw. isotrope Poren 100 gebildet werden. Hierzu wird zunächst eine sauerstoffreiche Materialmischung 10 hergestellt, die ein Metall 20, beispielsweise in Form von Kupfer, sowie Mischkristalle 30, hier zumindest auch in Form von Kuper(II)-Oxid, enthält.
Im Unterschied zu den Ausführungsbeispielen gemäß den 1 bis 5 ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 6 keine mechanische Nachbearbeitung der Materialmischung 10 erfolgt, so dass die nur schematisch dargestellten Mischkristalle 30 innerhalb der Materialmischung 10 ohne Vorzugsrichtung stochastisch verteilt sind. Auch wurde auf die Formgestaltung der Mischkristalle 30 selbst kein Einfluss genommen, so dass diese zumindest im Mittel näherungsweise isotrop ausgebildet sind.
Eine Materialmischung 10, wie sie in der 6 schematisch gezeigt ist, kann im einfachsten Fall beispielsweise durch mechanisch unbearbeitetes sauerstoffreiches Kupfermaterial gebildet sein, in dem sich Kupfer(II)-Oxid gleichmäßig verteilt ausgebildet hat. Alternativ kann die in der 6 gezeigte Materialmischung 10 auch gezielt durch Sintern von Kupferpartikeln und Kupfer(II)-oxidpartikeln hergestellt werden.
Zur Bildung isotroper Poren 100 im Innenbereich der Materialmischung 10 wird der Innenbereich lokal erwärmt, wie dies beispielhaft im Zusammenhang mit den 1 und 2 erläutert wurde. Durch die lokale Erwärmung des Innenbereichs der Materialmischung 10 wird dort eine Prozesstemperatur Tp erreicht, die größer als die Zersetzungstemperatur Tz der Mischkristalle 30 und kleiner als die Schmelztemperatur Ts des Metalls 20 ist, so dass es zu einem Zersetzen der Mischkristalle 30 und zur Bildung von Poren 100 kommt.
In der beschriebenen Weise lässt sich ein metallschaumhaltiges Element 203 bilden, das geschlossenporig ist und im Inneren Poren 100 aufweist, die kugelförmig bzw. isotrop sind.
Die 8 zeigt beispielhaft ein Verfahren, mit dem sich ein metallschaumhaltiges Element 204 herstellen lässt, das offenporig ist und sowohl im Außenbereich als auch im Innenbereich bzw. durchgängig isotrope Poren 100 aufweist.
Ausgehend von der Materialmischung 10, wie sie im Zusammenhang mit der 6 erläutert wurde, wird die Oberfläche 11 der Materialmischung 10 mit Isolierelementen 50 versehen, die die Materialmischung 10 nach außen isolieren. Anschließend wird die Materialmischung 10 erwärmt, beispielsweise durch einen Stromfluss I oder auf andere Weise, wobei es aufgrund der isolierenden Wirkung der Isolierelemente 50 zu einer gleichmäßigen Erwärmung der gesamten Materialmischung 10 kommt, wie dies auf der linken Seite der 8 durch ein Temperaturdiagramm dargestellt ist.
Sobald eine Prozesstemperatur Tp erreicht wird, die größer als die Zersetzungstemperatur Tz der Mischkristalle 30 und kleiner als die Schmelztemperatur Ts des Metalls 20 ist, kommt es zu einer Bildung isotroper Poren 100, die gleich verteilt in der Materialmischung 10 angeordnet sind.
Die 9 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein Verfahren, mit dem sich ein offenporiges metallschaumhaltiges Element bilden lässt, dessen Innenbereich porenfrei ist. Hierzu wird – wie dies oben im Zusammenhang mit der 3 erläutert wurde – lediglich der Außenbereich bzw. der Bereich der Oberfläche 11 der Materialmischung 10 lokal erwärmt, so dass es nur dort zu einer Zersetzung der Mischkristalle 30 und zur Bildung von Poren 100 kommen kann. Das resultierende metallschaumhaltige Element mit kugelförmigen bzw. isotropen Poren 100 nur im Außenbereich ist in der 9 mit dem Bezugszeichen 205 gekennzeichnet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

"Fabrication of Lotus-type Porous Metals and their Physical Properties" (H. Nakajima, T. Ikeda und S.K. Hyun, Advanced Engineering Materials 2004, 6, No. 6, pp. 377–384) [0002]
EN 1977 [0031]
Ulmanns Enzyklopädie der technischen Chemie, 4. Auflage, Band 15, ISBN 3-527-20015-0, Seite 560, Punkt 2.2 [0031]

Claims

Verfahren zum Herstellen eines metallschaumhaltigen Elements (200–205), dadurch gekennzeichnet, dass – eine Materialmischung (10), die zumindest ein Metall (20) und Mischkristalle (30), die aus Metallatomen des Metalls (20) und Fremdatomen bestehen und sich bei einer unterhalb der Schmelztemperatur (Ts) des Metalls (20) liegenden Zersetzungstemperatur (Tz) thermisch zersetzen, auf eine Prozesstemperatur (Tp) erhitzt wird, die mindestens so groß wie die Zersetzungstemperatur (Tz) der Mischkristalle (30) und kleiner als die Schmelztemperatur (Ts) des Metalls (20) ist, – zumindest ein Teil der Mischkristalle (30) bei der Prozesstemperatur (Tp) in Metall- und Fremdatome zersetzt wird und – die Temperatur der Materialmischung (10) anschließend auf eine Temperatur unterhalb der Zersetzungstemperatur (Tz) reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die Materialmischung (10) mit Mischkristallen (30) gebildet wird, die aus Metallatomen des Metalls (20) sowie Sauerstoffatomen bestehen, und – zumindest ein Teil der Mischkristalle (30) im Rahmen einer Redoxreaktion zersetzt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als metallschaumhaltiges Element (200–205) ein kupferschaumhaltiges Element gebildet wird, indem eine Materialmischung (10), die Kupfer und Mischkristalle (30) aus Kupfer(II)-oxid enthält, erhitzt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als metallschaumhaltiges Element (200–205) ein kupferschaumhaltiges Element gebildet wird, indem eine untereutektische Materialmischung (10), die Kupfer und Sauerstoff erhält, erhitzt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche 3–4, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialmischung (10) auf eine Temperatur zwischen 1026°C und 1065°C erhitzt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche 3–5, dadurch gekennzeichnet, dass das Erhitzen im Temperaturbereich zwischen 375°C und 1026°C unter Hervorrufen eines Siedeverzugs erfolgt und zumindest ein Teil des vor dem Erhitzen in der Materialmischung(10) befindlichen Kupfer(II)-oxids den Temperaturbereich zwischen 1026°C und 1065°C erreicht.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche 3–6, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhöhung der Temperatur beim Erhitzen der Materialmischung (10) im Temperaturbereich zwischen 375°C und 1026°C mindestens 100K/min beträgt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche 3–7, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhöhung der Temperatur beim Erhitzen der Materialmischung (10) in dem Temperaturbereich zwischen 375°C und 1026°C mit einem zeitlichen Temperaturgradienten zwischen 100K/min und 1000K/min, insbesondere mit einem zeitlichen Temperaturgradienten zwischen 300K/min und 600K/min erfolgt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche 1–3, dadurch gekennzeichnet, dass – eine Materialmischung (10), die zumindest auch Mangan und Mn₂O₃ enthält, auf eine Temperatur zwischen 940°C und 1519°C erhitzt und das Mn₂O₃ in Mangan und Sauerstoff unter Bildung von Sauerstoffgasblasen zersetzt wird, oder – eine Materialmischung (10), die zumindest auch Kobalt und Co₂O₃ enthält, auf eine Temperatur zwischen 895°C und 1495°C erhitzt wird und das Co₂O₃ in Kobalt und Sauerstoff unter Bildung von Sauerstoffgasblasen zersetzt wird, oder – eine Materialmischung (10), die zumindest auch Silber und Ag₂O enthält, auf eine Temperatur zwischen 230°C und 961°C erhitzt wird und das Ag₂O in Silber und Sauerstoff unter Bildung von Sauerstoffgasblasen zersetzt wird, oder – eine Materialmischung (10), die zumindest auch Vanadium und V₂O₅ enthält, auf eine Temperatur zwischen 1750°C und 1910°C erhitzt wird und das V₂O₅ in Vanadium und Sauerstoff unter Bildung von Sauerstoffgasblasen zersetzt wird, oder – eine Materialmischung (10), die zumindest auch Molybdän und MoO₂ enthält, auf eine Temperatur zwischen 1100°C und 2623°C erhitzt wird und das MoO₂ in Molybdän und Sauerstoff unter Bildung von Sauerstoffgasblasen zersetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Erhöhung der Temperatur beim Erhitzen bis zum Erreichen der Zersetzungstemperatur (Tz) mindestens 100K/min beträgt.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialmischung (10) vor dem Erhitzen mechanisch bearbeitet wird, insbesondere gewalzt, gepresst, geschmiedet oder gehämmert wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialmischung (10) gebildet wird, indem Metallpartikel und Mischkristallpartikel gesintert werden.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Erhitzen der Materialmischung (10) im Inneren der Materialmischung (10) lokal eine höhere Temperatur als an zumindest einem Abschnitt der Oberfläche (11) der Materialmischung (10) eingestellt wird, indem die Materialmischung (10) an diesem zumindest einen Abschnitt der Oberfläche (11) gekühlt wird.
Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Erhitzen der Materialmischung (10) eine gleichmäßige Wärmeverteilung innerhalb der Materialmischung (10) eingestellt wird, indem die Oberfläche (11) der Materialmischung (10) zumindest lokal thermisch isoliert wird.
Verfahren zum Herstellen einer Wärmeübertragungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass – ein geschlossenporiges metallschaumhaltiges Element (200, 203) mit schlauchförmigen Poren (100) gemäß einem Verfahren nach einem der voranstehenden Ansprüche hergestellt wird und – mit dem metallschaumhaltigen Element (200, 203) ein Verdampfungswärme führendes Wärmerohr der Wärmeübertragungseinrichtung gebildet wird.