EP2347020A2 - Verbundkörper aus kupfer oder einer kupferlegierung mit eingelagertem carbon nanotubes und verfahren zur herstellung eines solchen körpers sowie verwendung des verbundkörpers - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Verbundkörper aus Kupfer oder einer Kupferlegierung mit eingelagerten Carbon Nanotubes, ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Körpers sowie die Verwendung dieses Körpers. Erfindungsgemäß liegt der CNT-Anteil zwischen 0,1 Gew.% und 1,5 Gew.%. Der Verbundkörper ist durch Sintern oder durch Abkühlen einer CNTs in einer zumindest weitgehend homogenen Verteilung enthaltenden Metallschmelze herstellbar. Vorzugsweise wird der Verbundkörper als Bauteil für Elektroanschlüsse oder in Hochtemperaturanlagen oder Hochdruckanlagen verwendet.

Description

Verbundkörper aus Kupfer oder einer Kupferleqierunq mit eingelagertem Carbon Nanotubes und Verfahren zur Herstellung eines solchen Körpers sowie Verwendung des Verbundkörpers

Carbon Nanotubes (CNTs) sind eine Modifikation des Kohlenstoffs, die eine Röhrenstruktur aufweist, wobei die Enden offen oder geschlossen sein können. Geschlossene CNTs kommen als einwandige, sogenannte single-walled Nanotube (SWNT), zweiwandige (double-walled Nanotube DWNT) oder mehrwandige (multi-walled Nanotube MWNT) vor. Bei zwei- oder mehrwandigem Aufbau sind die Kohlenstoff- röhrchen konzentrisch angeordnet.

CNTs zeichnen sich durch eine hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit, hohe Dehnbarkeit sowie hohe Streckgrenzen bei geringer Dichte aus. CNTs besitzen eine hohe thermische Stabilität sowie eine extrem hohe Wärmeleitfähigkeit, die bei defektfreien SWNTs bis zu 6.000 W/mK betragen kann. Die hohen Bindungskräfte der sp²-Bindungen einzelner Kohlenstoffatome in SWNTs führen zu einem hohen Elastizitätsmodul von 542 GPa sowie einer Zugfestigkeit von 65 GPa bei einer Dichte von nur 1 ,4 g/cm³. Abweichungen ergeben sich durch die Abhängigkeit der Eigenschaften vom Durchmesser und der Struktur der CNTs. MWNTs mit einer Dichte von 1 ,8 g/cm³ weisen ein Elastizitätsmodul von 1.260 GPa auf.

Aufgrund der relativ großen Länge im Vergleich zum geringen Durchmesser besitzen CNTs eine Formgestaltung, welche die elektrische Leitfähigkeit begünstigt, da Elektronen nicht an Kanten des Kristallgitters gestreut werden können. CNTs sind entweder leitend oder halbleitend.

In der US 2008/0093577 A1 wird auch bereits ein Verfahren zur Herstellung eines Metall-Carbon-Nanotube-Verbundkörpers vorgeschlagen, bei dem eine Menge von Carbon Nanotubes mit geschmolzenem Metall vermischt und diese Mischung anschließend verfestigt werden soll. Die Metallmatrix besteht aus Zink, Silber, Gold, Eisen, Aluminium, Kupfer, Wolfram, Kobalt, Chrom, Nickel, Platin und Legierungen hiervon. Die Carbon Nanotubes sollen in einer Menge von bis zu 20 Gew.% des Ver- bundkörpers vorliegen. Die Herstellung solcher Verbundwerkstoffe über eine Schmelze scheitert jedoch in der Praxis daran, dass die spezifisch wesentlich leichteren Carbon Nanotubes in der Schmelze aufschwimmen, so dass ein poröser Verbundkörper mit geringer Zugfestigkeit entsteht. Auch während des Mischens der Carbon Nanotubes mit der Schmelze eingesetzte Rührwerke brachten keine zufrieden stellenden Ergebnisse. Alternativ hierzu wird ein Verfahren angegeben, bei dem eine pulvrige Metallmischung mit Carbon Nanotubes vermischt und anschließend gesintert sowie abgekühlt wird. Der pulvermetallurgische Weg mit abschließendem Sintern und Abkühlen lässt zwar eine weitgehend homogene Verteilung der Carbon Nanotubes ohne deren Entmischung zu, jedoch zeigten die verwendeten CNTs mit Kupfer oder Kupferlegierungen, insbesondere Bronzen oder Messing, zum Teil ein schlechtes Benetzungsverhalten aufgrund unterschiedlicher Oberflächenspannungen, zum Teil waren die CNTs bei hohen Sintertemperaturen thermisch instabil, zum Teil traten auch unerwünschte Oxidationsprozesse auf.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Verbundkörper aus Kupfer oder einer Kupferlegierung mit eingelagerten Carbon Nanotubes zu schaffen, der gegenüber dem nach dem Stand der Technik bekannten Verbundwerkstoffen eine verbesserte Härte aufweist, ferner eine optimierte elektrische Leitfähigkeit sowie eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit.

Zudem soll ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Verbundwerkstoffes angegeben und eine Verwendung des Verbundwerkstoffes gefunden werden.

Die vorstehende Aufgabe wird durch einen Verbundkörper nach Anspruch 1 gelöst.

Dieser Verbundkörper besitzt einen CNT-Anteil zwischen 0,1 Gew.% bis 1 ,5 Gew.%, vorzugsweise zwischen 0,1 Gew.% und 1 Gew.%. Die CNTs sind durch Sintern oder Abkühlen einer Schmelze zumindest weitgehend homogen im Verbundkörper verteilt. Ein Abweichen des prozentualen Gehaltes der Carbon Nanotubes zu höheren Werten führt zu deutlich schlechteren mechanischen und schlechteren elektrischen Eigenschaften, insbesondere sinkt die Härte des Verbundkörpers erheblich. Zur Herstellung des Verbundkörpers bieten sich die prinzipiell nach dem Stand der Technik bekannten Wege an, nämlich der pulvermetallurgische Weg mit anschließendem Sintern oder heißisostatisches Pressen oder der schmelzmetallurgische Weg, bei dem eine Metallschmelze aus Kupfer oder einer Kupferlegierung, insbesondere Bronze oder Messing, mit CNT-Gehalten von 0,1 Gew.% bis 1 ,5 Gew.% in einem Induktionstiegelofen erzeugt wird und diese abschließend durch Abkühlung verfestigt wird.

Beim pulvermetallurgischen Weg wird ein Kupfer- oder Kupferlegierungspulver mit einer Korngröße von 0,1 μm bis 100 μm, vorzugsweise 0,5 μm bis 50 μm mit 0,1 Gew.% bis 1,5 Gew.% Carbon Nanotubes, vorzugsweise 0,1 Gew.% bis 1 Gew.% CNTs gemischt, vorgepresst und anschließend bei einem Druck zwischen 5 MPa und 200 MPa, vorzugsweise bei 30 MPa bis 50 MPa, bei Temperaturen zwischen 450° C bis 900 ⁰C, vorzugsweise 750 ⁰C und 800 ⁰C gesintert oder heiß- isostatisch gepresst. Vorzugsweise wird die Sinterbehandlung oder das Heißpressen, zumindest ab einer Temperatur oberhalb von 600⁰C in einer Inertgasatmosphäre durchgeführt.

Alternativ hierzu wird von einem Kupfer oder einer Kupferlegierung ausgegangen, die auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Kupfers oder der Kupferlegierung geschmolzen und zusammen mit den CNTs in einer Menge von 0,1 Gew.% bis 1 ,5 Gew.%, vorzugsweise 0,1 Gew.% bis 1 Gew.% vermengt werden. Die gleichmäßige Verteilung der CNTs in der Schmelze wird durch eine Erwärmung in einem Induktions-Tiegelofen erreicht, in dem die Flüssigkeit in einer aufsteigenden und abfallenden Bewegung geführt wird, bei der es zu einer intensiven Vermengung der CNTs in der Schmelze führt. Eine Entmischung der CNTs und der flüssigen Metalle wird durch ein rasches Abkühlen verhindert. Die vorzugsweise gewählte Abkühlgeschwindigkeit liegt zwischen 10 K/s und 1.000 K/s. Die Abkühlung kann nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung durch bewegte Fluide, flüssige Gase, insbesondere Stickstoff, oder Flüssigbäder erfolgen, die jeweils dafür sorgen, dass die CNTs während des Erstarrens nicht aufschwimmen. Auf schmelzmetallurgischem Weg bieten sich noch folgende erfinderische Alternativen an: Aus Vorgenanntem wird bereits deutlich, dass als Ausgangsmaterial sowohl eine Mischung aus Cu- oder einem Cu-Legierungspulver mit CNTs als auch CNTs mit Cu- oder Cu-Legierungsblöcken gewählt werden können, da in beiden Fällen das Cu oder die Cu-Legierung aufgeschmolzen und die im wesentlichen gleichmäßige Verteilung der CNTs in der Schmelze durch die zirkulierende Badbewegung im Induktionstiegelofen gewährleistet ist.

Nach einer weiteren Ausführungsvarianten ist es auch möglich, zunächst einen Verbundkörper auf pulvermetallurgischem Weg mit abschließendem Sintern herzustellen, der einen hohen Anteil an CNTs aufweist, und diesen Sinterkörper zusammen mit weiteren Cu- oder Cu-Legierungskörpern oder -pulvern in einem Induktionstiegelofen zu erschmelzen.

Die Schmelze mit den CNTs wird abschließend entweder mit der bereits erwähnten raschen Abkühlgeschwindigkeit zum Erstarren gebracht oder bei Raumtemperatur ohne zusätzlich Abkühlungsbeschleunigung abgekühlt. Im letztgenannten Fall bildet sich ein Festkörper aus, der primär erstarrte Bereiche, die CNT-frei sind und Bereiche, in denen CNTs enthalten sind, aufweist. Die primär erstarrten Bereiche sind in die sekundär erstarrten Bereiche eingebettet. Die Erstarrung folgt dem Prinzip der Dendritenausbildung und der hierum erstarrten Restschmelze.

Die erfindungsgemäßen Bauteile lassen sich insbesondere für Elektroanschlüsse im Niedervoltbereich bis hin zu Starkstromanwendungen bis 5.000 Ampere als Lagerbauteil oder als Gleitwerkstoff oder unter Ausnutzung ihrer höheren Temperaturoder Druckbeständigkeit als Bauteil in Hochtemperaturanlagen oder Hochdruckanlagen verwenden.

Weitere Vorteile der Erfindungen ergeben sich anhand der im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispiele. In einer Planetenmühle werden Pulver aus Cu oder Mischungen aus Cu/Sn oder Cu/Zn, zum Teil mit geringen Metallbeimischungen, gemahlen, bis eine mittlere Korngröße von 45 μm, 10 μm oder 3 μm erreicht ist. Die jeweils zu den Chargen hinzugegebenen CNTs hatten einen Durchmesser von 10 nm bis 50 nm und eine Länge von 0,5 μm bis 200 μm. Der prozentuale Anteil der CNTs an der Gesamtmischung betrug in unterschiedlichen Chargen 0,5 Gew.%, 1 Gew.%, 2 Gew.% oder 4 Gew.% (letztere als außerhalb des beanspruchten Bereiches liegende Vergleichsmischung).

In den durchgeführten Versuchen mit unterschiedlichen Pulvergrößen der eingesetzten Metallpulver konnte eine homogenere Verteilung der Komponenten bei feineren Pulvern erkannt werden. Pulver mit einem Korngrößendurchmesser von 10 μm oder 45 μm hatten eine kugelige Form, wohingegen Cu-Pulver mit einer Korngröße von 3 μm eine dendritische Struktur aufweisen. Aufgrund der stark verästelten Form des dendritischen Cu-Pulvers ist bereits nach kurzer Mahldauer eine intensive Verhakung zwischen den Pulver-Dendriten und den CNTs gegeben, die bereits im PuI- ver-CNT-Gemisch für eine homogene Verteilung sorgt, die auch bei einer späteren Sinterung oder einem Heißpressen aufrechterhalten werden kann.

Die gemahlene Mischung aus Cu bzw. den Legierungen und den CNTs wurde in unterschiedlichen Chargen bei Sintertemperaturen zwischen 540° C und 950° C, insbesondere bei 750° C und 800° C bei Drücken zwischen 30 MPa bis 40 MPa heißgepresst und anschließend abgekühlt. Zum Teil wurden die Aufheizung, die Sinterung sowie die Abkühlung unter einer Argon-Schutzgasatmosphäre durchgeführt. Die anschließend an den Verbundkörpern festgestellten Ergebnisse zeigen, dass die Substratkörper mit einem CNT-Anteil von 10% eine völlig unzureichende theoretische Dichte besaßen, die in einem Fall sogar zum Bruch des Sinterkörpers führte. Auch die Porosität bei einem CNT-Gehalt von 2 Gew.% war deutlich größer als bei geringeren CNT-Gehalten. Konkret ließ sich die Dichte bei Verwendung von 0,5 Gew.% und 1 Gew.% CNTs gegenüber solchen Cu- oder Cu-Legierungskörpem ohne CNT deutlich steigern, wohingegen eine Erhöhung des prozentualen Anteils der CNTs auf 2 % zu einer Verschlechterung führte. Da die Sinterung der Metall- CNT-Gemische bei Temperaturen unterhalb der Schmelztemperatur der Metalle durchgeführt wird, lässt sich die während des Mischens der Ausgangsstoffe eingestellte Verteilung beim Sintern (oder Heißpressen) aufrechterhalten.

In einer weiteren Versuchsreihe sind die Brinell-Härten von Sinterkörpern untersucht worden.

Fig. 1 zeigt ein Diagram, in dem die Brinell-Härte in Abhängigkeit der gewichtsprozentualen Anteile der CNTs aufgetragen ist.

Die Härte von Kupfer wird in der Literatur üblicherweise mit 35 HB angegeben. Ein

Sinterkörper, dessen Ausgangsmischung Kupferpulver einer Partikelgröße von

45 μm aufwies und der anschließend gesintert wird, besitzt eine Härte von ca. 58 HB.

Wird der Ausgangsmischung ein Gehalt von 0,5 Gew.% CNT zugegeben, so kann die Härte des fertig gesinterten Körpers auf über 59 HB gesteigert werden. Wie Fig. 1 zu entnehmen ist, besitzen Verbundkörper mit einem Anteil von 1 Gew.% CNT noch eine vergleichsweise hohe Härte von ca. 55 HB. Deutlich schlechtere Werte hatten durch Sintern herstellte Verbundkörper, die einen Gehalt von 2 Gew.% oder 4 Gew.% CNT enthielten.

Erheblich größere Härtesteigerungen lassen sich anscheinend erzielen, wenn Ausgangspulver mit geringerer Korngröße verwendet werden. So wurde die Brinell-Härte einer Cu-Matrix bei Einlagerung von 0,5 Gew.% CNTs von 56,5 HB auf 81 ,3 HB gesteigert. Bei Verwendung einer Ausgangsmischung, die ein Cu-Pulver von 10 μm enthielt, konnte eine Brinell-Härte auf 71,9 HB bei Verwendung von 0,5 Gew.% CNT erzielt werden. Die aufgefundenen Ergebnisse zeigen, dass gegenüber einem durch Sintern hergestellten Cu-Körper bei Verwendung einer Ausgangsmischung, der 0,5 Gew.% CNT beigemengt waren, einheitlich eine Härtesteigerung zu beobachten war. Die Härte nahm bei höheren CNT-Gehalten von 1 Gew.% bis 1 ,5 Gew.% kontinuierlich ab, war jedoch noch zufrieden stellend, wohingegen Verbundkörper mit 2 Gew.% CNTs oder mehr schlechtere Härtewerte besaßen. Einheitlich feststellbar ist auch, dass feinere Cu-Komgrößen in der Ausgangsmi- schung zu höheren Härten des Sinter-Verbundkörpers führten. In allen vorbeschriebenen Versuchen sind gleiche CNTs vom Typ MWNT mit 9,54 ± 2,69 nm Innendurchmesser, 19,21 ± 4,03 nm Außendurchmesser und 0,5 bis 200 μm Länge verwendet worden.

In einer weiteren Versuchsreihe ist die elektrische Leitfähigkeit der Verbundkörper untersucht worden.

Beim Sintern von Cu-Pulvem (oder anderen Metallpulvermischungen oder Legierungen) ist die theoretische Dichte nur annähernd zu erreichen. Aufgrund der im Sinterkörper enthaltenen Restporositäten ergibt sich bei einem aus einem Kupferpulver hergestellten Sinterkörper eine Leitfähigkeit von 58 MS/m, die leicht unter dem Referenzwert von 59,59 MS/m liegt. Die elektrische Leitfähigkeit verschlechtert sich gegenüber reinen Cu-Sinterkörpern mit wachsendem CNT-Gehalt im Cu-CNT-Ver- bundkörper kontinuierlich, wobei die größte Leitfähigkeit bei einem CNT-Gehalt von 1 Gew.% (ca. 50 MS/m) und nur eine geringfügige Verschlechterung bei einem Gehalt von 0,5 Gew.% CNT zu messen war. Die Leitfähigkeit sank jedoch deutlich bei 2 Gew.% CNT im Verbundkörper ab (siehe Fig.2). Die Messergebnisse gemäß Fig. 2 sind mit CNTs vom Typ MWNTs erhalten worden. In MWNTs wird die elektrische Leitfähigkeit im Wesentlichen durch das äußerste Nanoröhrchen getragen, während sie sich durch Interaktionen mit den inneren Coaxial-Nanoröhrchen verschlechtern kann. Es ist zu erwarten, dass durch die Verwendung von SWNTs die elektrische Leitfähigkeit verbessert wird bzw. gegenüber reinen Metallen erhalten bleibt, während die Stromdichte wesentlich erhöht werden kann, ohne den Verbundkörper zu schädigen. SWNTs können Stromdichten von maximal 109 A/cm² aufrechterhalten, was eine um 3 Größenordnungen gegenüber reinem Kupfer gesteigerte Stromdichte ist.

Nach einer weiteren Variante der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, die CNTs im Verbundkörper durch Umformprozesse wie Walzen, Strangpressen oder Ziehen gezielt auszurichten, womit sich die elektrische Leitfähigkeit und die Festigkeit nochmals steigern lassen.

Weitere Untersuchungen sind mit Kupferlegierungen gemacht worden, deren Ergebnisse Figuren 3 bis 6 zu entnehmen sind. In diesen Versuchen sind jeweils die elektrischen Leitfähigkeiten in Abhängigkeit der Ausgangsmetallpulvergröße bei unterschiedlichen CNT-Gehalten sowie in Abhängigkeit des CNT-Gehaltes für unterschiedliche Pulvergrößen dargestellt.

Einheitlich wurde eine Legierung der Zusammensetzung CuSnI 0Ni8Zn3 verwendet, wobei das betreffende Legierungspulver gemahlen und mit CNT der bereits vorbeschriebenen Art vermengt wurde. Wie Fig. 3 zu entnehmen ist, steigt die elektrische Leitfähigkeit eines Verbundkörpers, der einheitlich 0,5 Gew.% CNTs enthält, deutlich an, sofern in der Pulverausgangsmischung die Metallpulvergröße gesteigert wird. Allerdings ist hier bei einer Metallpulvergröße von 3 μm (dendritische Struktur) ein leichtes Absinken gegenüber dem Referenzwert von 5,2 MS/m festzustellen.

Eine einheitliche Steigerung der elektrischen Leitfähigkeit ist festzustellen, sofern die CNT-Gehalte in der Legierung auf 0,1 Gew.% erhöht werden. Sowohl für Metallpulver von 3 μm als auch für Metallpulver von 10 μm sind Leitfähigkeitssteigerungen, bei 10 μm von 5,2 auf 6,2 MS/m festzustellen.

Fig. 5 und 6 zeigen die Abhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit bei unterschiedlichen CNT-Gehalten. Einheitlich und zwar sowohl bei Ausgangspulverteilchengrößen von 3 μm wie auch bei 45 μm ist die größte Leitfähigkeit bei Verwendung von CNT- Gehalten von 0,1 Gew.% zu messen. Eine verbesserte Leitfähigkeit gegenüber dem Referenzwert von 5,2 MS/m ergibt sich bei Pulvergrößen von 45 μm auch noch bei CNT-Gehalten von 0,5 %, wohingegen bei kleineren Teilchengrößen eine leichte Leitfähigkeitsverschlechterung festzustellen ist (siehe Fig. 6).

In einer weiteren Versuchsreihe sind Verbundkörper aus Kupfer und Kupferlegierungen mit eingelagerten Carbon Nanotubes über einen Schmelzprozess gefertigt wor- den. Hierbei gibt es 4 Möglichkeiten, nämlich das Schmelzen von CNT/Cu-Pulvermi- schungen, die Zugabe von CNTs oder CNT/Cu-Pulvermischungen in die flüssige Kupferschmelze oder das Aufschmelzen von gesinterten CNT/Cu-Kompositen. Beim Aufschmelzen von gesinterten CNT/Cu-Verbundkörpem können CNT-Gehalte von 20 Gew.% eingestellt werden, da diese Verbundkörper zusammen mit reinen Metallen in einem Induktionstiegelofen erschmolzen werden, wobei die hinzuzufügende Metall- oder Metalllegierungsmenge so groß gewählt wird, dass sich der gewünschte CNT-Gehalt von maximal 1 ,5 Gew.%, vorzugsweise maximal 1 Gew.%, bezogen auf die Gesamtmenge, ergibt.

In einer ersten Reihe sind Kupferpulver mit einer mittleren Korngröße von weniger als 45 μm mit 1 Gew.% MWNTs (9,54 ± 2,69 nm Innendurchmesser, 19,21 ± 4,03 nm Außendurchmesser und 0,5 μm bis 200 μm Länge) 2 Stunden in einer Kugelmühle dispergiert. Anschließend wurde das gemahlene und gemischte Pulver in einem Graphittiegel je nach Charge 1 bis 2 Stunden bei einer Temperatur von 1.200° C in Schutzgas, nämlich einer Argonatmosphäre, im Ofen erhitzt. Hierbei konnte herausgefunden werden, dass ab einer Temperatur \/on 850° C sich die Metallbereiche vereinigen und oberhalb des Schmelzpunktes von Cu bei 1.083° C eine Separation zwischen der Kupferschmelze und den CNTs eintrat. Soweit noch eine Bindung zwischen Kupferpartikeln und CNT im abgekühlten Festkörper besteht, ist diese auf entsprechende Reaktionen beim Mahlen zurückzuführen. Ähnliche Effekte ergeben sich, sofern CNTs in eine Kupferschmelze eingerührt oder ein gemahlenes CNT/Cu-Pulver in eine Kupferschmelze gemischt wird.

In einer weiteren Versuchsreihe sind Mischungen von Cu/CNT-Pulvern in einem Induktionsofen unter Schutzgas, nämlich Argon, geschmolzen worden. Aufgrund der induzierten Wirbelströme entstehen in der Schmelze große Turbolenzen, die zu einer intensiven Mischung der aufschmelzenden Cu-Teilchen und der CNTs führen. Das Abgießen der Schmelze erfolgte in eine mit flüssigem Stickstoff abgekühlte Form, wo die Schmelze rasch erstarrte. Die auf schmelzmetallurgischem Weg hergestellten Verbundkörper wurden untersucht, wobei festgestellt werden konnte, dass die Separation zwischen dem Metall als Matrixmaterial und dem CNTs bei solchen Verbundkörpern am geringsten war, bei denen von einem Pulver mit einer mittleren Korngröße von 10 μm ausgegangen wurde.

Eine schmelzmetallurgische Herstellung mit anschließender rascher Abkühlung, bei der beispielsweise der die Schmelze enthaltende Tiegel in flüssigen Stickstoff getaucht wird, führt dazu, dass die im Tiegelofen eingestellte relative gleichmäßige Verteilung der CNTs „eingefroren" wird. Solche Körper besitzen eine geringe Restporosität, die für Lagerbauteile derart ausgenutzt werden kann, dass die Poren als „Schmierkammern" (Schmierstoffreservoir) dienen. Die auf schmelzmetallurgischem Weg hergestellten Körper besitzen eine gegenüber reinen Kupfer- oder Kupferlegierungskörpern gesteigerte Härte.

Sollen die Verbundkörper für Anwendungszwecke verwendet werden, bei denen sich eine Porosität störend auswirkt, lässt sich die Restporosität durch Walzen oder Pressen des betreffenden Bauteils reduzieren.

In einer weiteren Versuchsreihe ist die Schmelze an Luft abgekühlt worden, so dass die Erstarrung deutlich langsamer vonstatten ging.

In einem ersten Versuch sind CNTs vom Typ MWNTs in einer Planentenmühle mit Ethanol zwei Stunden gemahlen und nach dem Mahlen anschließend getrocknet worden (bis zur völligen Entfernung des Ethanols). Hierauf ist eine Menge an CNTs in eine Kupferschmelze gegeben worden, die 0,5 Gew.% entsprach. Die Schmelze befand sich in einem Induktionstiegelofen, so dass durch die Badbewegung die CNTs im Wesentlichen homogen verteilt wurden.

Nach ausreichender Durchmischung der CNTs in der Schmelze ist die Schmelze an Luft abgekühlt worden. Anders als bei der raschen Abkühlung bildeten sich unterschiedliche Bereiche aus, die im Folgenden als zwei unterschiedliche Phasen bezeichnet werden. Eine Phase erstarrt früher und besteht aus reinem Kupfer, wohingegen die andere Phase eine mit CNTs durchmengte Kupfermatrix enthält. Die unterschiedlichen Phasen sind Fig. 7 und 8 zu entnehmen, wobei die Cu-Phasen- Bereiche hell erscheinen und die Phase, die CNTs in der Cu-Matrix enthält, dunkel bzw. mit schwarzen Punkten deutlich wird.

Die Härte des derart hergestellten Körpers wurde mit 54,05 HB gemessen, was gegenüber dem Referenzwert eines reinen Cu-Körpers mit 35 HB eine deutliche Steigerung beträgt.

In einem weiteren Versuch sind 0,5 Gew.% MWNTS mit Kupferpulver einer Korngröße von weniger als 45 μm gemahlen. Diese Pulver/CNT-Mischung ist unter 15- minütigem Rühren in eine Kupferschmelze gegeben worden, die anschließend an Luft abgekühlt wurde. Auch bei diesem verfestigten Verbundkörper konnte eine Bri- nellhärte von 47 HB, das heißt eine deutliche Steigerung gegenüber einem reinen Cu-Körper festgestellt werden.

Die mechanischen Eigenschaften der Verbundkörper hängen in erheblichem Maße von der homogenen Verteilung der CNTs und der guten Verbindung der CNTs mit dem Matrixmaterial ab. Für Elektroanschlüsse werden bevorzugt Verbundkörper mit SWNT-Einlagerungen verwendet. Soweit es auf die Härte auf des Verbundwerkstoffes ankommt, sollte der Anteil der CNTs im Verbundkörper auf 1 Gew.% begrenzt werden. Bei der Verwendung von Verbundwerkstoffen als Lagerbauteilen mit höheren CNTs bis zu 1 ,5 Gew.% kann die mit höheren CNT-Gehalten wachsende Porosität dazu genutzt werden, dass die Poren als Schmierstoffreservoire in Lagerbauteilen dienen.

Claims

Ansprüche

1. Verbundkörper aus Kupfer oder einer Kupferlegierung mit eingelagerten Carbon Nanotubes (CNTs), dadurch gekennzeichnet, dass der CNT-Anteil zwischen 0,1 Gew.% bis 1,5 Gew.%, vorzugsweise zwischen 0,1 Gew.% und 1 Gew.% liegt und der Körper durch Sintern oder durch Abkühlen einer CNTs in einer zumindest weitgehend homogenen Verteilung enthaltenden Metallschmelze hergestellt worden ist.

2. Herstellung eines Verbundkörpers aus einer Kupfer- oder Kupferlegierungsmatrix mit eingelagerten homogen verteilten Carbon Nanotubes, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kupfer- oder Kupferlegierungs-Pulver mit einer Korngröße von 0,1 μm bis 100 μm, vorzugsweise 0,1 μm bis 50 μm, mit 0,1 Gew.% bis 1,5 Gew.% Carbon Nanotubes, vorzugsweise 0,1 Gew.% bis 1 Gew.% CNTs gemischt, vor- gepresst und anschließend unter einem Druck von 5 MPa und 200 MPa, vorzugsweise bei 30 MPa bis 50 MPa, bei Temperaturen zwischen 450° C und 900° C, vorzugsweise 750° C und 800° C, gesintert oder heißgepresst wird.

3. Herstellung eines Verbund körpers nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Sintern oder das Heißpressen, zumindest ab einer Temperatur oberhalb von 600⁰C, in einer Inertgasatmosphäre durchgeführt wird.

4. Herstellung eines Verbundkörpers aus einer Kupfer- oder Kupferlegierungsmatrix mit eingelagerten Carbon Nanotubes, dadurch gekennzeichnet, dass

Kupfer oder eine Kupferlegierung durch Erhitzen auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes des Kupfers oder der Kupferlegierung in einem Induktionstiegelofen geschmolzen und zusammen mit den CNTs in einer Menge von 0,1 Gew.% bis 1 ,5 Gew. %, vorzugsweise 0,1 Gew.% bis 1 GΘW.%, die in der Schmelze zumindest im Wesentlichen verteilt werden, abschließend durch Abkühlen verfestigt wird.

5. Herstellung eines Verbundkörpers nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die CNTs in die Cu- oder Cu-Legierungsschmelze gegeben werden.

6. Herstellung eines Verbundkörpers nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass Cu-Pulver oder Cu-Legierungspulver mit CNTs gemischt und die Mischung hiernach in einen Induktionstiegelofen gegeben wird.

7. Herstellung eines Verbundkörpers nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Cu-CNT-Verbundkörper auf pulvermetallurgischem Weg mit abschließendem Sintern hergestellt, anschließend ggf. nach Beimengung weiterer Cu- oder Cu-Legierungspulver oder -körper in einen Induktionstiegelofen zur Aufschmelzung der Metallbestandteile überführt und abschließend abgekühlt wird.

8. Herstellung eines Verbund körpers nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlung bei Raumtemperatur oder mit einer Abkühlgeschwindigkeit zwischen 10 K/s und 1.000 K/s erfolgt.

9. Herstellung eines Verbundkörpers nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Abkühlung durch bewegte Fluide, flüssige Gase, vorzugsweise Stickstoff, oder Flüssigkeitsbäder erfolgt.

10. Herstellung eines Verbundkörpers nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der fertig gesinterte oder heißgepresste Körper abschließend einem Umformprozess wie dem Walzen, Strangpressen oder Ziehen unterzogen wird.

11. Verwendung des Verbundkörpers nach Anspruch 1 als Bauteil für Elektroan- schlüsse im Niedervoltbereich bis hin zu Starkstromanwendungen von 5.000 A.

12. Verwendung des Verbundkörpers nach Anspruch 1 als Lagerbauteil oder als Bauteil in Hochtemperaturanlagen oder in Hochdruckanlagen.