WO2009056544A2 - Verfahren zur herstellung eines verbundwerkstoffs sowie verbundwerkstoff und verbundwerkstoffkörper - Google Patents

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WO2009056544A2
WO2009056544A2 PCT/EP2008/064609 EP2008064609W WO2009056544A2 WO 2009056544 A2 WO2009056544 A2 WO 2009056544A2 EP 2008064609 W EP2008064609 W EP 2008064609W WO 2009056544 A2 WO2009056544 A2 WO 2009056544A2
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metal
layers
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Dirk Lorenzen
Tim Schubert
Erich Neubauer
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Futurecarbon Gmbh
Austrian Research Centers Gmbh
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    • C22C2026/002—Carbon nanotubes

Definitions

  • the present invention initially relates to a method for producing a composite material or a composite material body or a composite body consisting of a carbonaceous material, in particular a
  • Carbon nanomathal, and a metallic material Furthermore, the invention also relates to such a composite material, a composite material body and a composite body consisting of such a composite material.
  • JP 2006001232 A discloses a composite material which is said to have good thermal conductivity and which can be used as a heat sink.
  • the production of this composite is based on the
  • FIGS. 1 a and 1 b Cross-sectional views of FIGS. 1 a and 1 b are illustrated and performed by laminating different layers of different materials.
  • One type of layer is a layer 10 of crystalline carbon material, which may be, for example, carbon nanotubes.
  • the other type of layer consists of metal layers 20, 21, 22.
  • the layers are stacked on top of a stack 51 and then subjected to a "compounding step.”
  • This composite step is known in the art
  • the sintering process lies in the range of the melting temperature of the metals of the metal layers.
  • substantially sintered metal layers 20, 21, 22 are present in the fabricated sintered body 55 Carbon layers 15 whose thickness is significantly lower than that of the original carbon layers 10 by the sintering.
  • a disadvantage of this known solution is that the individual layer structures are not dissolved during the composite step. Rather, the heating causes only a melting of the layers, and thus only a fusion in the edge regions. For this reason, only an anisotropic and also inhomogeneous thermal conductivity can be realized in the known composite material. This means that the degree of thermal conductivity depends on how the fillers in the composite are aligned and in what orientation the composite is to its external frame of reference.
  • US Pat. No. 6,649,265 B1 discloses the infiltration of a carbonaceous body with a matrix metal to provide a carbon-metal composite.
  • a disadvantage of this method is the large diffusion path and the large diffusion time of the matrix metal in the carbonaceous body in the infiltration, which can lead to incomplete infiltration and / or resolution or reaction of the carbon structures in or with the matrix metal, with a local reduction the thermal conductivity is associated in particular in the outer edge regions of the composite material formed.
  • the present invention seeks to provide a method for producing a composite material and a composite material, a composite material body and a composite body, with which the aforementioned disadvantages can be avoided.
  • a solution for a composite material is to be provided which has the best possible and most isotropic thermal conductivity but also other properties such as electrical conductivity or thermal expansion, so that the properties are independent of the direction and the composite behaves as equally as possible in all spatial directions.
  • This object is achieved by the method for producing a composite material or composite material body with the features of the independent claim 1, the composite material with the features of the independent claim 8, the composite material body with the features of the independent claim 15 and the Composite body with the features according to independent claim 16.
  • the present invention provides a composite as well as a composite body, as well as a method of making a composite, wherein the composite has good thermal conductivity between the carbonaceous material and the metallic material. This is supported by the fact that a good wettability exists.
  • the composite now represents an overall composite in which the original, present in the initial state individual layers of the materials are dissolved.
  • the precursor, which has been prepared from at least one starting material, does not remain in its starting structure.
  • the precursor according to the present invention is known in US Pat
  • the intermediate substance can be formed as a unit and can be handled as such and / or be network-like and as such also have a certain dimensional stability.
  • the formerly existing layer sequence is preferably dissolved in the present invention, in contrast to the solution known from the prior art, such that the resulting composite material has an isotropic, but at least approximately an isotropic thermal conductivity.
  • a material interspersed with a network of filler material there is a material interspersed with a network of filler material.
  • a metal-copper material is provided, wherein the metal is preferably copper, or else a copper-containing metal.
  • a fundamental feature of the present invention is formed in particular by the particular configuration of the filler, especially by its modifications.
  • a method for producing a composite or composite body or composite consisting of a carbonaceous material, in particular a carbon nanomaterial, and a metallic material characterized by the steps of: a) forming a layer stack of two or more more layers, wherein at least one of the layers is in the form of a carbonaceous precursor and wherein at least one layer is formed in the form of a metal-containing matrix layer; b) heating the layer stack to a specific process temperature at which the matrix layer is melted; c) complete infiltration of the precursor with molten matrix material; and d) cooling the resulting composite or composite body or composite body.
  • the inventive method a composite material or composite material body or composite body is produced, the first of a carbonaceous material.
  • the invention is not limited to certain materials. However, it is advantageous to use carbon nanomaterials, although the invention is of course not limited to specific carbon nanomaterials. Some advantageous, but non-exclusive examples will be explained in more detail later in the description.
  • the second component of the composite is a metallic material and the invention is not limited to any particular metals.
  • it may be a metal such as Cu, Ag or Au. These are the metals with the highest thermal conductivity in the periodic table of the chemical elements.
  • the invention is not limited to particular metals or metal alloys. Also for this purpose, further advantageous, but not exclusive examples in the further course of the description will be explained in more detail.
  • a composite material body should generally be understood to mean a body having one or two composite layers.
  • a composite body should generally be understood to mean a body with more than two composite layers.
  • Composite material or composite body or composite body of carbon nanomaterial and a Cu alloy can be used.
  • Such a composite material can be used for example as a heat sink material, which has a high thermal conductivity, with adjustable thermal expansion and electrical conductivity.
  • a layer stack of two or more layers is produced. At least one layer in the form of a carbonaceous intermediate substance is formed. At least one other layer is formed in the form of a metal-containing matrix layer. In principle, it is sufficient if two layers are present, one layer of one of the aforementioned types being used in each case.
  • a layer stack is produced with more than two layers. For example, in a three layer stack, two layers of the same type and one layer of the other type are provided. For layer stacks of four or more layers, two or more layers of one type and two or more layers of the other type are preferably provided.
  • the layer stack is made of more than two layers, wherein the layers are stacked alternately in the form of a carbon-containing precursor and in the form of a metal-containing matrix.
  • At least one of the layers is formed as a layer in the form of a carbonaceous precursor.
  • the layer (s) in the form of a carbonaceous precursor may be formed as a contiguous network structure. This is preferably a storable and manageable intermediate stage, in which the individual particles - in particular mechanically - are connected to one another.
  • Such a trained intermediate substance, or a layer of an intermediate substance formed in this way has the advantage that it remains substantially intact in its shape and in its internal relationship during the infiltration, at least temporarily.
  • a metal-infiltrated preform with optionally residual material.
  • the carbonaceous precursor in each layer may be in the form of a continuous plate-like preform.
  • work is carried out with a previously defined carbonaceous precursor. These may be, for example, previously produced paper-like structures and / or felt-like structures and / or non-woven structures and / or-in particular thicker-three-dimensional networks.
  • the precursor may also be in the form of a so-called "bucky paper.”
  • a “bucky paper” is generally a nonwoven fabric made of carbon nanomaterial, such as nanotubes, similar to the papermaking process by filtering off a solution, such as a CNT-containing solution , remains on a filter and can be removed after drying from the filter.
  • the precursor may thus be advantageously designed in the form of a so-called “non-woven” structure.
  • the intermediates may be especially binder-free. Thereby, a composite material can be obtained, in which the multilayer structure is visibly preserved, despite at the same time complete infiltration.
  • the method according to the invention advantageously also has the step that, in an upstream step, the at least one layer in the form of a carbon-containing precursor is first prepared first.
  • the layer (s) is / are produced in the form of a carbon-containing intermediate substance from at least one carbon-containing starting material, in particular from at least one starting material consisting of a carbon nanomaterial.
  • the invention is not limited to specific starting materials. Hereinafter, various advantageous but not exclusive examples of suitable starting materials will be described.
  • the starting material may be carbon nanofibers (CNF: carbon nanofiber). These are usually non-hollow, carbon-based nanofibers made of graphene layers with typical geometric dimensions of 50 to 500 nm in diameter and with a length of 1 to 500 ⁇ m.
  • CNF carbon nanofiber
  • the CNF can be present in various modifications (arrangement of the graphitic planes). Examples include the following modifications:
  • PL Platinum type: The graphene layers are stacked perpendicular to the fiber axis.
  • HB Herringbone type: The graphene layers are angled stacked to the fiber axis, and in cross-section recognizable as herringbone pattern.
  • SC Screw type: This modification is based on the herringbone type, but has an additional twist in helical form.
  • the starting material may be carbon nanotubes (CNTs). These are usually carbon-based nanotubes with typical geometrical dimensions of 1 - 50 nm in diameter and 1 - 100 ⁇ m in length.
  • the CNTs can be in various modifications. Examples include the following modifications:
  • SW Single Walled: The nanotubes consist of a graphite tube.
  • DW Double Walled
  • MW Multiple Walled
  • the starting material may consist of a single one of these materials, or of any combination of materials and modifications. It is only important that the starting material predominantly, preferably exclusively consists of Kohlenstoffnanomatehal. To emphasize this, the starting material is also referred to below as CNX-Y.
  • the term CNX-Y stands as an abbreviation for CNF and / or CNT with a variety of above-mentioned manifestations and modifications.
  • the X stands for the type of Kohlenstoffnanomaterials, so carbon nanofibers (CNF) or carbon nanotubes (CNT), which of course also contain mixtures between CNF and CNT and are included.
  • Y stands for the modification of the carbon nanomaterial, as well as for mixtures of the different forms Y (in the case of CNF: PL, HB, SC and case of CNT: SW, DW, MW).
  • the various starting materials may additionally be provided with a surface modification A and / or coating B.
  • a surface modification A includes, for example, functionalizations such as CH, C-OH, C-OOH, hydrogenation (wet-chemical or via the gas phase), annealing at temperatures greater than 1200 ° C., graphitization at temperatures around 2900 ° C., and treatment with argon , Nitrogen, oxygen or hydrogen plasma or their mixture, or the like to understand.
  • functionalizations such as CH, C-OH, C-OOH, hydrogenation (wet-chemical or via the gas phase), annealing at temperatures greater than 1200 ° C., graphitization at temperatures around 2900 ° C., and treatment with argon , Nitrogen, oxygen or hydrogen plasma or their mixture, or the like to understand.
  • a coating B is to be understood as meaning, for example, the coating with at least one wetting-promoting element (which will be explained in more detail later in the description) or a carbide layer, boride, silicide or nitride layer of the wetting-promoting element.
  • a coating does not have to be present as a covering layer, but should advantageously have a surface coverage of at least 10%, advantageously at least 25%.
  • a layer in the form of an intermediate substance is first prepared.
  • the invention is not limited to certain intermediates.
  • various advantageous but not exclusive examples of suitable intermediates will be described.
  • the precursor for further processing as a unit manageable, in contrast to a pure powder bed layer.
  • the precursor can be "paper-like", for example as a so-called "bucky paper".
  • Such an embodiment is a carbon-containing network of CNX-Y / CNX-Y-AB with loose, possibly slightly twisted, contacts between the individual CNX-Y / CNX-Y-AB with the possibility of preferential alignment of the CNX- Y / CNX-YZ in the xy direction and a thickness of the paper in the order of 50 to 500 microns.
  • the density of the paper is adjustable in the range 0.15 to 0.4 g / cm 3 .
  • the intermediate substance can also be "felt-like."
  • Such an embodiment is a carbon-containing network of CNX-Y / CNX-Y-AB with loose, possibly slightly tangled, contacts between the individual CNX-Y / CNX-Y
  • the thickness z of the felt is typically greater than 0.5 mm and the density of the felt is adjustable in the range of 0.15 to 0.4 g / cm 3 .
  • the precursor may also be formed as a three-dimensional network. This is a carbon-containing network of CNX-Y / CNX-Y-AB with de facto stabilized entanglements between each CNX-Y / CNX-Y-AB.
  • the density of the three-dimensional network is adjustable in the range of 0.05 to 0.4 g / cm 3 .
  • All intermediates CNX-Y can be subsequently provided with a surface modification A as described above and / or a coating B as described above.
  • At least one of the layers is formed as a layer in the form of a metallic matrix material.
  • This may be at least one pure metal or at least one metal alloy.
  • the invention is not limited to certain matrix materials.
  • the method according to the invention can also include the preceding step in that the metallic matrix material or the layer consisting thereof is first produced.
  • a metallic matrix material of pure metal may consist of at least one metal such as Cu, Ni, Co, Ag, Au, Mg, and Al.
  • An alloy of metallic matrix material may consist of at least 80% by weight of the metal.
  • the rest can be of one or more
  • Alloying elements are, for example, elements / compounds which promote the wetting between CNX-Y / CNX-Y-AB and / or the melting point of
  • Matrix metal as well as matrix alloys can be used, for example, as a foil, sheet or plate.
  • the layer stack is first heated to a specific process temperature at which the matrix layer is melted, although the invention is not restricted to specific temperature values Some advantageous, but non-exclusive examples of this will be described in more detail later in the description.
  • the precursor is infiltrated.
  • the infiltration can be carried out by any desired method. In particular, however, a method is used which allows the application of temperature and pressure controlled. This will be explained in more detail later in the description.
  • the precursor is completely infiltrated.
  • the infiltration provides that the melted matrix layer or the melted matrix material of the matrix layer infiltrates into the precursor.
  • Complete infiltration indicates that the precursor is completely infiltrated, which means that all pores of the precursor are filled with molten material.
  • the composite material produced or a composite body produced therefrom will be characterized in that the layers of composite material are each spaced apart from one another by a thin residual layer (non-infiltrated) matrix metal.
  • the complete infiltration of the carbon-containing layer with matrix metal represents a significant difference from the teaching of JP 2006001232 A: If the layer is not completely infiltrated, it remains porous and thus fragile and thermally only insufficiently conductive.
  • the layer thickness range for carbon layer is advantageously in the range of 10 .mu.m to 500 .mu.m, preferably 25 .mu.m to 250 .mu.m, particularly preferably 50 to 150 .mu.m.
  • the solution according to the invention also represents a significant difference to those solutions in which working with a powder bed.
  • the resulting composite Upon completion of the infiltration, the resulting composite is cooled. Subsequently, this can be solidified into a composite material body or composite. Subsequent further treatment with or without application of heat is just as conceivable as shaping by forming (for example extrusion, rolling or the like) and / or subtractive shaping (for example machining, lapping, polishing, etching or the like) and the application of other materials (for example by physical or chemical vapor deposition and / or electrodeposition or the like).
  • the layer structure of the layers of the layer stack can be maintained for a defined period of complete melting.
  • insects advantageously have a network-like structure.
  • a form-fitting structure of the carbonaceous materials may be present in the infiltration, for example in the form of paper, non-woven or the like. While powder materials can "dodge" during infiltration and thus result in powdery and melt-rich subzones, the carbonaceous materials in the present invention are networked in one plane, the melt only penetrating into the already existing pores and interstices that form at best expand it.
  • the infiltration process can be divided into two process parts.
  • a first process part for example, provides that a low pressure prevails or is set in the infiltration, wherein the matrix metal is not pressed out of the area between the carbonaceous intermediate layers. In this way, the matrix metal will remain in place for complete infiltration until it is complete.
  • a second process part for example, provides a high pressure, which prevails or is set after complete infiltration, whereby residual constituents of matrix metal can be removed from the composite material or removed.
  • the basic feature here is the first part of the process, which allows the infiltration of layers without dissolving the layer structure.
  • the aforementioned second process part can in particular be used optionally.
  • heat sinks are particularly suitable for epitaxial contact Halbeiterbauimplantationn, in particular laser diodes, wherein preferably the thermal expansion coefficient of the composite material body at least approximately corresponds to that of the semiconductor device.
  • composite material body in a simple starting layer Cu-precursor Cu are particularly suitable for use as electrical conductor foils / contact plates, for example, for the substrate-side electrical contacting of semiconductor devices, in particular laser diodes.
  • the properties of the composite material can be set particularly well, for example, the CTE (thermal expansion) by shares of CNF-PL and CNF-HB in the intermediate used.
  • Wetting of CNX can, for example, by Cu melting by means of alloying metals, or by pre-coating done.
  • a stacking of precursor CNX-Y and / or CNX-Y-AB and the matrix metal and / or the matrix alloy, or an alternating stacking takes place.
  • This is followed by a process which involves the melting (for example, hot pressing with melting) of the matrix metal or the matrix alloy and infiltration by pressure application of the intermediate substance.
  • the result is a highly heat-conductive material (for example greater than 300 W / m / K in at least one spatial direction) with a defined, low coefficient of thermal expansion (CTE) of, for example, less than 12 ppm / K, preferably 6-8 ppm / K ( at least in one spatial direction).
  • CTE coefficient of thermal expansion
  • the aim of the surface modification A and / or coating B is to allow wetting as fast as possible (but complete) infiltration.
  • the coating B can also have the function, in combination with a matrix alloy, of suppressing excessive reactions between the CNX-Y precursor and the alloying elements in the matrix alloy.
  • the surface modification A or the coating B fulfills the function of enabling a good thermal or mechanical bond between matrix material or matrix alloy and the CNX-Y or CNX-Y-AB.
  • the preparation of the composite material is carried out by arranging matrix and precursor, for example in an alternating manner, followed by the infiltration of the precursor under pressure and temperature.
  • the composite material can be used for example as a heat sink for laser diodes.
  • dissolution of the CNX in the melt of the matrix alloy may occur if the infiltration process lasts too long.
  • the duration of the infiltration process in turn depends on the wettability. In addition to the wettability is the
  • the present invention can also be described by a method for producing a composite material of carbon in a matrix metal or a matrix alloy, comprising the following steps: preparation of the corresponding starting materials CNX-Y, optionally with a surface modification A and / or coating B. ; Preparation of the corresponding precursors of CNX-Y, optionally with a corresponding surface modification A and / or coating B; Production of the composite material by arranging matrix metal or matrix alloy and precursor CNX-Y-AB, for example in an alternating manner, followed by infiltration of the precursor under pressure and temperature; and the cooling of the resulting by infiltration of the precursor structure and its solidification into a composite material body. An additional heat treatment can still for homogenization of the structure or for Training of appropriate interfaces are applied. Likewise, a re-compaction can be carried out by a pressing, stretching or forming process.
  • the at least one layer in the form of a carbonaceous precursor and / or the at least one layer in the form of a metal-containing matrix and / or the carbonaceous starting material in their preparation and / or in the production of the layer stack and / or before heating the layer stack on the Process temperature to be provided with a wetting-promoting material.
  • the wetting-promoting metals can partially react with the carbon. In the composite material reaction products can be present up to 10 percent by volume.
  • the at least one layer in the form of a carbon-containing precursor and / or the at least one layer in the form of a metal-containing matrix may preferably have layer thicknesses in the range from 10 ⁇ m to 500 ⁇ m, preferably from 25 ⁇ m to 250 ⁇ m, particularly preferably from 50 to 150 ⁇ m.
  • the layer stack can be heated at a heating rate of at least 10 K / min, preferably greater than 20 K / min, more preferably greater than 50 K / min.
  • a heating rate of at least 10 K / min preferably greater than 20 K / min, more preferably greater than 50 K / min.
  • the arrangement of matrix metal / alloy and precursor CNX-Y-AB is inserted into a corresponding tool or into a corresponding mold and with a heating rate of at least 10 K / min, preferably more than 20 K / min, particularly preferred is heated above 50 K / min.
  • the layer stack can be heated to a process temperature which corresponds to 1, 2 to 1, 3 times the melting temperature of the material of the metal-containing matrix layer.
  • a process temperature which corresponds to 1, 2 to 1, 3 times the melting temperature of the material of the metal-containing matrix layer.
  • the arrangement of matrix metal / alloy and precursor CNX-Y-AB to a final temperature which corresponds to 1, 02 to 1, 3 times the melting temperature of the matrix metal or the alloy matrix, is heated up.
  • the infiltration of the precursor can take place at least temporarily at a certain pressure which is in the range from 0.1 to 2000 MPa, preferably in the range from 0.1 to 100 MPa, more preferably in the range from 0.1 to 20 MPa.
  • the pressure may be applied from the time the process temperature is reached.
  • it may be provided, for example, that pressure is exerted after reaching the melting temperature or the desired end temperature, which may be in the range 0.1 to 2000 MPa, preferably in the range 0.1 to 100 MPa, more preferably in the range between 0.1 and 20 MPa.
  • the pressure can be exerted from the time the process temperature is reached.
  • the pressure may be applied for a predetermined period of time ranging from 0.1 to 100 minutes, preferably from 0.1 to 30 minutes, more preferably from 0.1 to 10 minutes.
  • the pressure is maintained at the final temperature for a time of 0.1 to 100 minutes, preferably 0.1 to 30 minutes, particularly preferably 0.1 to 10 minutes.
  • the pressure can also be maintained at least temporarily during the cooling process.
  • the cooling of the composite material with a cooling rate of greater than or equal to 5 K / min is performed.
  • the step of infiltrating the precursor may take place under vacuum, or under an inert gas, or under hydrogen or under air.
  • the infiltration process may preferably take place under vacuum.
  • it can also take place under inert gas or hydrogen, and in special cases also under air.
  • Cu alloy foils containing Ti, Cr, and the like may be used as the metallic matrix layer.
  • Mo can be used as the metallic matrix layer. These improve the wettability of carbon-Cu interfaces. This could be sufficient to penetrate the thin precursors with the melt and also to ensure the heat conduction between carbon and copper.
  • Transition layers could be provided with Ti, Cr and / or Mo.
  • another transition layer could be Cu, which is deposited on CNX by Colloidal Microwave Processing (CMP) or other coating processes. In this case, wetting is ensured via the wetting-promoting metals located on the CNX.
  • CMP Colloidal Microwave Processing
  • the intermediates can be varied by partially replacing the CNT-Y moiety with CNF-Y. This influences pore structure and wettability.
  • the thickness of the precursor can be advantageously varied between 50 .mu.m and 250 .mu.m.
  • Surface functionalization can be achieved by using different solvents in the preparation. In this way, influence on the infiltration behavior during hot pressing with the Cu-containing film and also on the wetting behavior can be taken.
  • wet-chemical functionalization In the tendency, nonpolar surface groups on the CNX are conducive to wetting with molten metals. However, directly after conventional production, the surfaces of the CNX are saturated with oxygen-containing (and therefore polar groups).
  • the CNX can be heated to increase the thermal conductivity in the composite material at temperatures of 1000 0 C to 3000 0 C beforehand.
  • the crystalline structure of the graphene layers is perfected, defects are healed, and amorphous residues are transformed. This is the reason for the improved electron and heat conduction.
  • polar surface groups or the chemically bonded superficial oxygen can be minimized.
  • a composite comprising a carbonaceous filler, in particular formed from a carbon nanomaterial halide, interspersed with the carbonaceous filler, and further comprising a metal-containing matrix material consisting of at least one pure metal or at least one Metal alloy is formed, wherein the metal-containing matrix material is completely infiltrated in the filler.
  • the composite material is advantageously produced by means of a method according to the invention as described above, so that with regard to the configuration, composition and mode of operation of the composite material, reference is first made to the above statements on the method according to the invention and reference is made.
  • the composite material initially consists of a carbonaceous filler, wherein the composite material is permeated by the filler.
  • the composite may be interspersed with a network-type carbon-based filler formed from an intermediate paper / felt / SD network of the precursors CNX-Y and / or CNX-Y-AB.
  • the precursor was first prepared from at least one carbonaceous feedstock.
  • a starting material CNX in the form of carbon nanotubes or carbon nanofibers can be used, which may have a diameter between 8 and 50 nm or 50 and 500 nm. Furthermore, they may have a length which is in the range between 1 and 500 microns. In the precursor these can
  • Carbon nanotubes or carbon nanofibers thereby form a loose network (loose or slightly tangled contacts between the points of contact as in Paper or felt), or through the manufacturing process as a continuous three-dimensional network with de facto consolidated entanglements whose pores are infiltrated by the metal matrix.
  • the CNX precursors may be CNTs with the structure SW, DW or MW, and the CNFs may be PL, HB or SC structures.
  • the CNX-Y can be used with surface modifications A and / or coatings B.
  • the surface modification A can be a functionalization by CH, C-OH, C-OOH, a hydrogenation (each wet-chemical or via the gas phase), a bake at temperatures greater than 1200 0 C, a graphitization at temperatures around 2900 0 C, a plasma treatment ( Nitrogen, hydrogen, oxygen, argon or mixtures thereof) or the like.
  • the coating B may include a coating with a wetting-promoting layer (here are the above-mentioned
  • Coatings which prevent a reaction with a matrix alloy for example with the carbides of the wetting-promoting layers, and their high-melting nitrides, suicides and / or borides; Coatings applied by methods such as PVD, CVD, colloidal microwave processing, wet chemical or alternative methods.
  • the coatings do not necessarily have to be present as a complete layer.
  • the intermediate substance produced from the starting materials CNX-Y can subsequently be subjected to a surface modification A and / or coating B, as already described above.
  • the coating is carried out using a CVI process or a wet-chemical process.
  • the precursor CNX-Y-AB can be present as paper with a geometric thickness of 50 to 500 ⁇ m, or as a felt with a thickness greater than 500 ⁇ m, or as a three-dimensional network with a thickness greater than 5 mm.
  • the precursor CNX-Y-AB can be produced with a density in the range 0.05-0.4 g / cm 3 .
  • the primary pore size can be, for example, in the range 10 to 1000 nm.
  • the carbonaceous filler and / or the metal-containing matrix material may comprise a wetting-promoting material.
  • the wetting-promoting metal (s) for the matrix material for example a matrix alloy, may be at least one of the 4th, 5th and 6th subgroups of the Periodic Table of the Chemical Elements, Silicon or Boron.
  • the wetting-promoting metals can advantageously react with the carbon.
  • the reaction products can be up to 10% by volume in the composite. Reaction products of the metal, metal alloy or wetting-promoting elements with the atmosphere used may be present in the composite up to a maximum of 10 vol%.
  • the wetting-promoting material has a refractory metal, silicon and / or boron.
  • the wetting-promoting material for example a metal
  • the wetting-promoting material is designed such that it can react or react with the carbon, and that the reaction products are present in the composite material with up to 10 percent by volume.
  • any reaction products of the metal, metal alloy or wetting-promoting elements with the atmosphere used e.g.
  • the composite material may preferably have a thermal expansion coefficient of at least 12 ppm / K, preferably in the range of 6 to 8 ppm / K, in at least one spatial direction.
  • ppm stands for "parts per million”.
  • the composite material may have a thermal conductivity of greater than or equal to 300 VWmK, preferably greater than or equal to 400 VWmK, particularly preferably greater than or equal to 500 VWmK, in at least one spatial direction.
  • a thermal conductivity of greater than or equal to 300 VWmK, preferably greater than or equal to 400 VWmK, particularly preferably greater than or equal to 500 VWmK, in at least one spatial direction.
  • an isotropic, but at least moderately anisotropic thermal conductivity is present.
  • the composite material may have a density of greater than 80%, preferably greater than 90%, particularly preferably greater than 95%.
  • a composite according to the present invention may for example be based on a matrix metal and / or a matrix alloy, and a carbon-based filler, wherein the filler in the matrix is partially network-like.
  • the filler is advantageously produced via an intermediate CNX-Y-AB.
  • the network-like, carbon-based structure can consist of the starting materials carbon nanofibers CNF and / or carbon nanotubes CNT with different structures Y and / or other carbon-based materials, which subsequently become an intermediate in the form of paper, felt or 3-D material. Network are further processed and then infiltrated with the matrix metal or matrix alloy.
  • the carbon-based filler is at least partially present in the matrix metal or matrix alloy as a network-like structure, preferably in a proportion of 10 to 80 percent by volume, of which between 0 to 5 percent by volume may be in non-fibrous structure (for example, as amorphous carbon ). The remainder is then the matrix metal or the matrix alloy, as well as possibly any reaction products between matrix metal / alloy and the carbon-based filler.
  • the reaction products with the filler are at a maximum with a share of 10 percent by volume before, reaction products with the atmosphere (eg oxides) are present with a maximum of 10 vol%.
  • the CNT or CNF can be present in different structures Y.
  • the CNXs may be provided with surface modifications A and / or coatings B.
  • the matrix metal Cu, Ni, Ag, Au, Mg, Co and Al may be used, and when alloys of these metals are used, they may be composed of at least 80% by weight of the metal.
  • alloying elements are advantageously used alloying elements which either lower the melting point of the metal and / or wetting promote the carbon-based filler (in which they form, for example, a carbide with the surface of CNX-Y / CNX-Y-AB).
  • a composite body is provided, which may be formed in different ways.
  • the composite material is present in a single layer between two metal-containing matrix material-containing residual layers.
  • the residual layers are, in particular, residual layers of an original layer of matrix metal, the majority of which has diffused into the carbonaceous intermediate substance.
  • the composite material is present in two layers, between which a residual layer containing metal-containing matrix material is arranged.
  • the composite body is / is terminated in the alternating sequence of two metal foil layers, which, just like the inner layers, are subject to the process-essential changes in structure and thickness and are present only as residual layers.
  • the layers of composite material can each be spaced apart from one another by a thin residual layer (non-infiltrated) metal-containing matrix material.
  • the composite material body according to the invention are particularly suitable for mounting, electrical contacting and heat dissipation of semiconductor devices, which include high-performance transistors, such as MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) and IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor), high-performance thyristors, such as SCRs (Silicon Controlled Rectifier), GTOs (Gate Turn-Off thyristor) and IGCTs (Integrated Gate-Commutated Thyristor), as well as semiconductor lasers count.
  • MOSFETs Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor
  • IGBTs Insulated Gate Bipolar Transistor
  • high-performance thyristors such as SCRs (Silicon Controlled Rectifier), GTOs (Gate Turn-Off thyristor) and IGCTs (Integrated Gate-Commutated Thyristor)
  • 3a, 3b show a second variant of the first embodiment of a method according to the invention for the production of the composite material according to the invention
  • Fig. 3c shows a first preferred embodiment of the second variant of the first embodiment of an inventive
  • Fig. 3d shows a second preferred embodiment of the second variant of the first embodiment of an inventive method for producing the inventive
  • Composite material; 4a to 4d a first variant of a second embodiment of an inventive method for producing the composite material according to the invention
  • 5a, 5b show a second variant of a second embodiment of a method according to the invention for producing the composite material according to the invention
  • 6a to 6c a first variant of a third embodiment of a method according to the invention for producing the composite material according to the invention
  • Fig. 7a, 7b a second variant of a third embodiment of a method according to the invention for producing the composite material according to the invention.
  • Embodiment 1
  • a 100 ⁇ m thin, paper-like carbonaceous (preferably CNT / CNF based) precursor 100 ⁇ m thin, and a first 50 ⁇ m thin copper foil 21 and a second 50 ⁇ m thin copper foil 22 are provided in a first process step
  • the intermediate substance 10 can be produced, for example, by means of a coating method from the gas phase (chemical vapor deposition) and coated with chromium
  • the intermediate substance 10 is brought between the two copper foils 21 and 22 and with both copper foils brought into contact on opposite sides (Fig. 2b).
  • the thus formed stack 50 is subjected to heat and pressure.
  • the stack is placed in a suitable graphite mold with a cavity, placed a stamp and heated the stack in a hot press under hydrogen at a heating rate of 50 K / min up to a temperature of 1150 0 C.
  • the stack is subjected to a mechanical pressure of 20 MPa, whereby the copper foils 21 and 22 melt and the liquid copper is at least partially taken up by the intermediate substance 10.
  • essentially all free spaces of the intermediate substance 10 are coated with liquid copper.
  • the stack is kept at the maximum temperature for 10 minutes while maintaining mechanical pressure.
  • the cooling takes place at a cooling rate of about 20 K / min.
  • a carbon-copper composite layer 30 of 100 ⁇ m is present in an approximately 120 ⁇ m thin, film-shaped composite body 60 carrying a first 5 ⁇ m thin residual layer 40 of copper on a first side of the composite layer 30 and on a second side of the composite material layer 30 opposite the first side, a second 5 ⁇ m thin residual layer of copper is carried (FIG. 2c).
  • the residual layers result from the requirement to completely add the intermediate substance 10 infiltrate and allow no appreciable residual porosity in the formed composite, which is why working with a surplus of copper.
  • a small amount of copper is found after infiltration in the gap between the graphite mold and the stamp.
  • precursor 10 and copper foils 20 are alternately stacked (FIG. 3a).
  • the outer end of the stack 51 in the stacking direction form a copper foil 21 on a first side of the stack and a copper foil 22 on the second side of the stack opposite the first side.
  • the stack 51 will be comparable to the first variant for infiltrating the intermediate substance 10 with the liquefied one Copper is subjected to the copper foils 20, 21 and 22, while cooling a composite body 61 with composite layers 30 of 100 .mu.m thickness, between which 10 .mu.m thin copper layers 40 unfiltrated copper foil material, is created (Fig. 3b).
  • the two outer sides of the composite body have copper layers 41 and 42 of 50 ⁇ m in thickness, resulting from the fact that the outer copper foils 20 can only infiltrate the intermediate substance 10 in one direction.
  • the pressure on the stack is increased after completion of the infiltration process-preferably uniaxially in the stacking direction, whereby the non-infiltrated liquid residual constituents of the copper layers 20, 21 and 22 emerge laterally from the stack.
  • This material outlet 43 fills the gap between graphite and stamp and solidifies on cooling together with the infiltrated material (FIG. 3c).
  • the matrix metal largely disappears from the interface between the composite layers 30, although the composite layers 30 can still be recognized individually as such.
  • the pressure on the stack is preferably increased uniaxially in the stacking direction via the pressure in the first preferred embodiment after completion of the infiltration process, whereby not only the non-infiltrated liquid Residual components of the copper layers 20 are pushed out of the stack but also the infiltrated intermediates 10 superficially come into contact, preferably even interlock that the infiltrated precursors 10 after cooling and solidification of the infiltrated metal is no longer recognizable as separated composite layers 30 but - as shown in Fig. 3d - form a substantially uniform composite material region 35.
  • a 150 .mu.m thin paper 10 (FIG. 4 a), consisting of carbon nanofibers, is coated on all sides by physical or-less preferred-chemical vapor deposition with an aluminum-silicon alloy, namely until it reaches the respective side Forming on the side edges / surfaces of the paper a closed aluminum layer 23 on the paper (Fig. 4b). Remaining cavities in the paper remain closed to natural environmental conditions.
  • the aluminum-coated paper 52 can be placed in a liquid medium without the liquid medium penetrating into the paper or its cavities.
  • a field-induced - preferably an electrolytic or electrophoretic - deposition of aluminum on the aluminum-coated paper 52 is carried out, namely, until the field-induced deposited aluminum layer 24 of the thus formed composite body 53 has a thickness of 50 microns (Fig. 4c).
  • the laminated body 53 is subjected to heat and pressure.
  • the composite body is placed in a graded with boron nitride graphite mold and heated in a hot press under argon to a temperature of 720 0 C at a heating rate of 20 K / min. After reaching the temperature, a mechanical pressure of 10 MPa is applied within 5 minutes. Thereafter, the sample is cooled at 10 K / min.
  • the paper is infiltrated with the aluminum of the metallizations 23 and 24 is at least partially received by the paper 10 together with the wetting-promoting metals. In this infiltration process essentially all free spaces of the paper 10 are covered with liquid aluminum.
  • a carbon-aluminum composite layer 30 of 150 ⁇ m in thickness is present in an approximately 170 ⁇ m thin, film-shaped composite body 64, in which the composite layer 30 is enclosed on all sides by a shell 44 of non-infiltrated aluminum ( Fig. 4d).
  • Laminated body 53 stacked one above the other to form a stack 54 (Fig. 5a) and then subjected to heat and pressure as in the first variant.
  • the paper is infiltrated, with the aluminum of the metallizations 23 and 24, together with the wetting-promoting metals, being at least partially taken up by the papers 10.
  • this infiltration process essentially all free spaces of the papers 10 are covered with liquid aluminum.
  • the pressure at the end of the complete infiltration of the papers 10 can be increased so that substantially no residual constituents of un-infiltrated aluminum between the infiltrated aluminum layers but these from the pile of
  • a 50 ⁇ m thin silver foil 20 (FIG. 6a) is electrophoretically coated on two opposite sides with carbon nanotubes which adhere to the silver foil on both sides after completion of the coating process as two layers 25 and 25 ⁇ m thick of a carbonaceous intermediate this one layered body 55 form (Fig. 6b).
  • the laminated body 55 is subjected to heat and pressure.
  • the composite body is placed in a graphite mold, placed a punch made of graphite and heated in a hot press at 50 K / min heating rate to 1030 0 C. After reaching the temperature, a mechanical pressure of 5 MPa is applied within 10 minutes. After reaching the maximum temperature, the cooling of the laminated body is carried out at a cooling rate of 10 K / min.
  • the laminated body is infiltrated, wherein the liquid silver of the silver foil 20 is at least partially absorbed by the carbon nanotube layers 11 and 12. In this infiltration process, essentially all free spaces of the layers 11 and 12 are coated with liquid silver.
  • a plurality of layered bodies 55 are stacked on top of one another to form a stack 56 (FIG. 5a), with layers 11 and 12 of two adjacent layered bodies 55 partially engaging one another (FIG. 7a). Subsequently, the stack 56 is subjected to heat and pressure.
  • a mechanical pressure of 20 MPa is applied, whereby the liquid silver of the silver foils 20 at least partially from the carbon nanotube layers 11 and 12 is absorbed. In this infiltration process, essentially all free spaces of the layers 11 and 12 are coated with liquid silver.
  • inner carbon-silver composite layers 30 of about 40 ⁇ m in thickness spaced apart from each other by about 5 ⁇ m thin residual layers 40 of non-infiltrated silver are interposed between two outer carbon-silver composite layers 31 and 32 25 microns thickness in a composite body 67 before.
  • the residual layers of silver in the liquid state can be pressed out of the stack of composite layers 30, 31 and 32, which favors the formation of a uniform composite region in the composite body.
  • Matrix material unilaterally infiltrated layer 10
  • first outer remainder layer of uninfiltrated matrix layer material in one-sided proximity of a composite layer 30 or a composite region 35
  • second outer remainder layer of uninfiltrated matrix layer matehal in a one-sided vicinity of a composite layer 30 or a composite region 35

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs oder Verbundwerkstoffkörpers oder Verbundkörpers, bestehend aus einem kohlenstoffhaltigen Material, insbesondere einem Kohlenstoffnanomaterial, und einem metallischen Material, sowie einen Verbundwerkstoff, einen Verbund Werkstoff körper, einen Verbundkörper. Um einen Verbundwerkstoff zu schaffen, der eine möglichst gute und möglichst isotrope Wärmeleitfähigkeit aufweist, umfasst das Verfahren folgende Schritte: Herstellen eines Schichtstapels aus zwei oder mehr Schichten, wobei wenigstens eine der Schichten in Form eines kohlenstoffhaltigen Zwischenstoffs ausgebildet ist und wobei wenigstens eine Schicht in Form einer metallhaltigen Matrixschicht ausgebildet ist; Aufheizen des Schichtstapels auf eine bestimmte Prozesstemperatur, bei der die Matrixschicht aufgeschmolzen wird; vollständiges Infiltrieren des Zwischenstoffs mit aufgeschmolzenem Matrixmaterial; und Abkühlen des entstandenen Verbundwerkstoffs.

Description

Beschreibung
Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs sowie Verbundwerkstoff und Verbundwerkstoffkxper
Die vorliegende Erfindung betrifft zunächst ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs oder eines Verbund Werkstoff körpers oder eines Verbundkörpers, bestehend aus einem kohlenstoffhaltigen Material, insbesondere einem
Kohlenstoffnanomatehal, und einem metallischen Material. Weiterhin betrifft die Erfindung auch einen solchen Verbundwerkstoff, einen Verbund Werkstoff körper sowie einen Verbundkörper, bestehend aus einem solchen Verbundwerkstoff.
Derartige Verbundwerkstoffe sind bereits in verschiedenen Ausgestaltungen im Stand der Technik bekannt.
Beispielsweise wird in der JP 2006001232 A ein Verbundwerkstoff offenbart, der eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweisen soll, und der als Wärmesenke verwendet werden kann. Die Herstellung dieses Verbundwerkstoffes ist anhand der
Querschnittsansichten von Fig. 1 a und 1 b veranschaulicht und erfolgt, indem verschiedene Schichten unterschiedlicher Materialien laminiert werden. Bei einem Schichttyp handelt es sich um Schichten 10 aus einem kristallinen Kohlenstoffmaterial, bei dem es sich beispielsweise um Kohlenstoff-Nanotubes handeln kann. Der andere Schichttyp besteht aus Metallschichten 20, 21 , 22. Die Schichten werden, wie in Fig. 1 a dargestellt, übereinander zu einem Stapel 51 angeordnet und anschließend einem „Verbundschritt" unterzogen. Bei diesem Verbundschritt handelt es sich nach der bekannten Lehre um einen Sinterprozess, der bei erhöhten Temperaturen durchgeführt wird. Die Sintertemperaturen liegen dabei im Bereich der Schmelztemperatur der Metalle der Metallschichten. Im gefertigten Sinterkörper 55 liegen, wie in Fig. 1 b dargestellt, zwischen im wesentlichen unveränderten Metallschichten 20, 21 , 22 im wesentlichen gesinterte Kohlenstoffschichten 15 vor, deren Dicke durch die Sinterung deutlich unter der der ursprünglichen Kohlenstoffschichten 10 liegt.
Nachteilig bei dieser bekannten Lösung ist allerdings, dass die einzelnen Schichtstrukturen während des Verbundschritts nicht aufgelöst werden. Vielmehr erfolgt durch die Erhitzung nur eine Anschmelzung der Schichten, und damit lediglich eine Verschmelzung in den Randbereichen. Aus diesem Grund lässt sich bei dem bekannten Verbundwerkstoff nur eine anisotrope und zudem inhomogene Wärmeleitfähigkeit realisieren. Das bedeutet, dass der Grad der Wärmeleitfähigkeit davon abhängt, wie die Füllstoffe im Verbundwerkstoff ausgerichtet sind und in welcher Orientierung sich der Verbundwerkstoff zu seinem äußeren Bezugssystem befindet.
Die Patentschrift US 6,649,265 B1 offenbart die Infiltration eines kohlenstoffhaltigen Körpers mit einem Matrixmetall zur Schaffung eines Kohlenstoff-Metall- Verbundwerkstoffes. Nachteilig an diesem Verfahren ist der große Diffusionsweg und die große Diffusionszeit des Matrixmetalls in den kohlenstoffhaltigen Körper bei der Infiltration, die zu einer unvollständigen Infiltration führen kann und/ oder zu einer Auflösung beziehungsweise Reaktion der Kohlenstoffstrukturen im beziehungsweise mit dem Matrixmetall, die mit einer lokalen Verringerung der Wärmeleitfähigkeit insbesondere in den äußeren Randbereichen des gebildeten Verbundwerkstoffbereiches einhergeht.
Ausgehend vom genannten Stand der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs sowie einen Verbundwerkstoff, einen Verbund Werkstoff körper und einen Verbundkörper bereitzustellen, mit dem die zuvor genannten Nachteile vermieden werden können. Insbesondere soll eine Lösung für einen Verbundwerkstoff bereitgestellt werden, der eine möglichst gute und möglichst isotrope Wärmeleitfähigkeit aber auch andere Eigenschaften wie die elektrische Leitfähigkeit oder die thermische Ausdehnung aufweist, so dass die Eigenschaften richtungsunabhängig sind und sich der Verbundwerkstoff in allen Raumrichtungen möglichst gleich verhält. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch das Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs oder Verbund Werkstoff körpers mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 , den Verbundwerkstoff mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 8, den Verbund Werkstoff körper mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 15 sowie den Verbundkörper mit den Merkmalen gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 16. Weitere Merkmale und Details der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung sowie den Zeichnungen. Dabei gelten Merkmale und Details, die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschrieben sind, selbstverständlich auch im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff, dem erfindungsgemäßen Verbund Werkstoff körper und dem erfindungsgemäßen Verbundkörper, so dass das bezüglich des Verfahrens Gesagte vollinhaltlich auch im Zusammenhang mit dem Verbundwerkstoff, dem Verbund Werkstoff körper und dem Verbundkörper gilt, und jeweils umgekehrt.
Die vorliegende Erfindung stellt einen Verbundwerkstoff sowie einen Verbundwerkstoffkörper, ebenso wie ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs bereit, wobei der Verbundwerkstoff eine gute thermische Leitfähigkeit zwischen dem kohlenstoffhaltigen Material und dem metallischen Material aufweist. Dies wird dadurch unterstützt, dass eine gute Benetzbarkeit vorliegt. Der Verbundwerkstoff stellt nunmehr einen Gesamtverbund dar, bei dem die ursprünglich, im Ausgangszustand vorhandenen Einzelschichten der Materialien aufgelöst sind. Der Zwischenstoff, der aus wenigstens einem Ausgangsstoff hergestellt wurde, bleibt in seiner Ausgangsstruktur nicht erhalten. Vielmehr wird er von dem metallischen Matrixmaterial infiltriert, wobei das metallische Matrixmaterial in den Zwischenstoff „aufgesogen" wird. Während im Stand der Technik Lösungen bekannt sind, bei denen eine geschüttete kohlenstoffhaltige Pulverschicht auf ein Substrat aufgebracht wird, ist der Zwischenstoff gemäß der vorliegenden Erfindung in besonderer Weise ausgebildet, wie im weiteren Verlauf noch näher erläutert wird. Insbesondere kann der Zwischenstoff als Einheit ausgebildet und als solche handhabbar sein. Vorteilhaft kann der Zwischenstoff papierartig und/oder vliesartig und/oder netzwerkartig ausgebildet sein und als solcher auch eine gewisse Formstabilität aufweisen. Die ehemals bestehende Schichtenfolge wird bei der vorliegenden Erfindung, im Gegensatz zu der aus dem Stand der Technik bekannten Lösung, vorzugsweise so aufgelöst, dass der resultierende Verbundwerkstoff eine isotrope, zumindest aber eine annähernd isotrope Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Grundlegende Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung stellen sich wie folgt dar: Zunächst liegt nach einer erfolgten Infiltration ein Werkstoff vor, der mit einem Netzwerk aus einem Füllstoffmaterial durchsetzt ist. Vorteilhaft wird ein Metall- Kupfer-Werkstoff bereitgestellt, wobei das Metall vorzugsweise Kupfer, oder aber ein kupferhaltiges Metall ist. Ein grundlegendes Merkmal der vorliegenden Erfindung wird insbesondere auch durch die besondere Ausgestaltung des Füllstoffs gebildet, vor allem auch durch dessen Modifikationen.
Gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs oder Verbundwerkstoffkörpers oder Verbundkörpers, bestehend aus einem kohlenstoffhaltigen Material, insbesondere einem Kohlenstoffnanomaterial, und einem metallischen Material, bereitgestellt, welches durch folgende Schritte gekennzeichnet ist: a) Herstellen eines Schichtstapels aus zwei oder mehr Schichten, wobei wenigstens eine der Schichten in Form eines kohlenstoffhaltigen Zwischenstoffs ausgebildet ist und wobei wenigstens eine Schicht in Form einer metallhaltigen Matrixschicht ausgebildet ist; b) Aufheizen des Schichtstapels auf eine bestimmte Prozesstemperatur, bei der die Matrixschicht aufgeschmolzen wird; c) Vollständiges Infiltrieren des Zwischenstoffs mit aufgeschmolzenem Matrixmaterial; und d) Abkühlen des entstandenen Verbundwerkstoffs oder Verbundwerkstoffkörpers oder Verbundkörpers.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird ein Verbundwerkstoff oder Verbund Werkstoff körper oder Verbundkörper hergestellt, der zunächst aus einem kohlenstoffhaltigen Material besteht. Grundsätzlich ist die Erfindung dabei nicht auf bestimmte Materialien beschränkt. Vorteilhaft handelt es sich jedoch um Kohlenstoffnanomaterialien, wobei die Erfindung natürlich auch nicht auf bestimmte Kohlenstoffnanomaterialien beschränkt ist. Einige vorteilhafte, jedoch nicht ausschließliche Beispiele werden im weiteren Verlauf der Beschreibung näher erläutert.
Bei der zweiten Komponente des Verbundwerkstoffs handelt es sich um ein metallisches Material, wobei die Erfindung nicht auf bestimmte Metalle beschränkt ist. Vorteilhaft kann es sich um ein Metall wie beispielsweise Cu, Ag oder Au handeln. Hierbei handelt es sich um diejenigen Metalle mit der höchsten Wärmeleitfähigkeit im Periodensystem der chemischen Elemente. Jedoch ist die Erfindung nicht auf bestimmte Metalle oder Metalllegierungen beschränkt. Auch hierzu werden weitere vorteilhafte, jedoch nicht ausschließliche Beispiele im weiteren Verlauf der Beschreibung näher erläutert.
Wenn mit dem Verfahren ein Verbundwerkstoffköper oder Verbundkörper hergestellt wird, zeichnet sich dieser vorzugsweise dadurch aus, dass er in der weiter unten im Zusammenhang mit den jeweiligen Erfindungsaspekten im Detail beschriebenen Weise ausgebildet ist. Unter einem Verbund Werkstoff körper soll generell ein Körper mit ein oder zwei Verbundwerkstoffschichten verstanden werden. Unter einem Verbundkörper soll generell ein Körper mit mehr als zwei Verbundwerkstoffschichten verstanden werden.
Vorteilhaft kann das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines
Verbundwerkstoffs oder Verbundwerkstoffkörpers oder Verbund körpers aus Kohlenstoffnanomaterial und einer Cu-Legierung verwendet werden. Ein derartiger Verbundwerkstoff kann beispielsweise als Wärmesenkenmaterial eingesetzt werden, welches eine hohe Wärmeleitfähigkeit, bei einstellbarer Wärmedehnung und elektrischer Leitfähigkeit, aufweist. Zur Durchführung des Verfahrens wird zunächst ein Schichtstapel aus zwei oder mehr Schichten hergestellt. Dabei ist wenigstens eine Schicht in Form eines kohlenstoffhaltigen Zwischenstoffs ausgebildet. Wenigstens eine andere Schicht ist in Form einer metallhaltigen Matrixschicht ausgebildet. Grundsätzlich ist es ausreichend, wenn zwei Schichten vorhanden sind, wobei jeweils eine Schicht von einem der vorgenannten Typen verwendet wird. Vorteilhaft wird jedoch ein Schichtstapel mit mehr als zwei Schichten hergestellt. Bei einem Schichtstapel mit drei Schichten beispielsweise sind zwei Schichten desselben Typs, und eine Schicht des jeweils anderen Typs vorgesehen. Bei Schichtstapeln von vier oder mehr Schichten sind vorzugsweise zwei oder mehr Schichten des einen Typs und zwei oder mehr Schichten des jeweils anderen Typs vorgesehen.
Vorteilhaft kann dabei vorgesehen sein, dass der Schichtstapel aus mehr als zwei Schichten hergestellt wird, wobei die Schichten in Form eines kohlenstoffhaltigen Zwischenstoffs und in Form einer metallhaltigen Matrix alternierend gestapelt werden.
Wenigstens eine der Schichten ist als Schicht in Form eines kohlenstoffhaltigen Zwischenstoffs ausgebildet.
Vorteilhaft kann/können die Schicht(en) in Form eines kohlenstoffhaltigen Zwischenstoffs als zusammenhängende Netzwerkstruktur ausgebildet sein. Dabei handelt es sich vorzugsweise um eine lagerfähige und handhabbare Zwischenstufe, bei der die einzelnen Partikel - insbesondere mechanisch - miteinander verbunden sind.
Ein derart ausgebildeter Zwischenstoff, beziehungsweise eine derart ausgebildete Schicht eines Zwischenstoffs weist den Vorteil auf, dass sie in ihrer Gestalt und in ihrem inneren Zusammenhang während der Infiltration zumindest zeitweilig im wesentlichen erhalten bleibt. Aus einer Vorform und Metall wird dann im Prinzip eine metallinfiltrierte Vorform mit gegebenenfalls Restmaterial. Vorteilhaft kann der kohlenstoffhaltige Zwischenstoff in jeder Schicht in Gestalt einer zusammenhängenden plattenförmigen Vorform vorliegen. Vorteilhaft wird gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem zuvor definiert hergestellten kohlenstoffhaltigen Zwischenstoff gearbeitet. Dabei kann es sich beispielsweise um zuvor hergestellte papierartige Strukturen und/oder filzartige Strukturen und/oder vliesartige Strukturen und/oder - insbesondere dickere - dreidimensionale Netzwerke handeln. Vorteilhaft kann der Zwischenstoff auch in Gestalt von so genanntem „Bucky Paper" ausgebildet sein. Ein „Bucky Paper" ist generell ein aus Kohlenstoffnanomaterial, beispielsweise aus Nanotubes, hergestelltes Vlies, das ähnlich dem Papierherstellungsprozess durch Abfiltrieren einer Lösung, etwa einer CNT-haltigen Lösung, auf einem Filter zurückbleibt und nach Trocknung vom Filter abgezogen werden kann. Der Zwischenstoff kann somit vorteilhaft in Form einer so genannten „Non-Woven"- Struktur ausgebildet sein.
Dabei können die Zwischenstoffe insbesondere binderfrei sein. Dadurch kann ein Verbundwerkstoff erhalten werden, in dem die Mehrlagenstruktur sichtbar erhalten bleibt, und zwar trotz zugleich vollständiger Infiltration.
Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf bestimmte Zwischenstoffe beschränkt. Einige vorteilhafte, jedoch nicht ausschließliche Beispiele werden im weiteren Verlauf der Beschreibung näher erläutert.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist vorteilhaft auch den Schritt auf, dass in einem vorgelagerten Schritt die wenigstens eine Schicht in Form eines kohlenstoffhaltigen Zwischenstoffs zunächst erst hergestellt wird. Hierzu kann beispielsweise vorgesehen sein, dass die Schicht(en) in Form eines kohlenstoffhaltigen Zwischenstoffs aus wenigstens einem kohlenstoffhaltigen Ausgangsstoff, insbesondere aus wenigstens einem aus einem Kohlenstoffnanomaterial bestehenden Ausgangsstoff, hergestellt wird/werden. Dabei ist die Erfindung nicht auf bestimmte Ausgangsstoffe beschränkt. Nachfolgend werden verschiedene vorteilhafte, jedoch nicht ausschließliche Beispiele geeigneter Ausgangsstoffe beschrieben.
Beispielsweise kann es sich bei dem Ausgangsstoff um Kohlenstoffnanofasern (CNF: Carbon Nanofiber) handeln. Hierbei handelt es sich in der Regel um nicht-hohle, aus Graphenschichten aufgebaute Nanofasern auf Kohlenstoffbasis mit typischen geometrischen Abmessungen von 50 bis 500 nm im Durchmesser und mit einer Länge von 1 -500 μm. Die CNF können in verschiedenen Modifikationen (Anordnung der graphitischen Ebenen) vorliegen. Zu nennen sind beispielsweise folgende Modifikationen:
PL (Platelet type): Die Graphenschichten sind senkrecht zur Faserachse gestapelt.
HB (Herringbone type): Die Graphenschichten sind gewinkelt zur Faserachse gestapelt, und im Querschnitt als Fischgrätmuster erkennbar.
SC (Screw type): Diese Modifikation basiert auf dem Herringbone-Typ, weist jedoch eine zusätzliche Verdrillung in Schraubenform auf.
Beispielsweise kann es sich bei dem Ausgangsstoff um Kohlenstoffnanoröhrchen (CNT: Carbon Nanotube) handeln. Hierbei handelt es sich in der Regel um Nanoröhrchen auf Kohlenstoffbasis, die typische geometrische Abmessungen von 1 - 50 nm im Durchmesser und einer Länge von 1 -100 μm aufweisen. Die CNT können in verschiedenen Modifikationen vorliegen. Zu nennen sind beispielsweise folgende Modifikationen:
SW (Single Walled): Die Nanoröhrchen bestehen aus einem Graphitrohr.
DW (Double Walled): Die Nanoröhrchen bestehen aus 2 ineinander geschachtelten Graphitröhrchen MW (Multi Walled): Die Nanoröhrchen bestehen aus mehreren ineinander geschachtelten Graphitröhrchen
Der Ausgangsstoff kann aus einem einzigen dieser Materialien, oder aber aus beliebigen Kombinationen der Materialien und Modifikationen bestehen. Wichtig ist lediglich, dass der Ausgangsstoff überwiegend, bevorzugt ausschließlich aus Kohlenstoffnanomatehal besteht. Um dies zu unterstreichen, wird der Ausgangsstoff im Folgenden auch mit CNX-Y bezeichnet. Die Bezeichnung CNX-Y steht dabei als Abkürzung für CNF und/oder CNT mit den verschiedensten oben genannten Erscheinungsformen und Modifikationen. Dabei steht das X für die Art des Kohlenstoffnanomaterials, also Kohlenstoffnanofasern (CNF) oder Kohlenstoffnanoröhrchen (CNT), wobei natürlich auch Mischungen zwischen CNF und CNT enthalten und mit umfasst sind. Y steht für die Modifikation des Kohlenstoffnanomaterials, sowie natürlich auch für Mischungen aus den verschiedenen Erscheinungsformen Y (im Fall von CNF: PL, HB, SC und Fall von CNT: SW, DW, MW).
Die verschiedenen Ausgangsstoffe können zusätzlich mit einer Oberflächenmodifikation A und/oder Beschichtung B versehen werden.
Unter einer Oberflächenmodifikation A sind beispielsweise Funktionalisierungen wie C-H, C-OH, C-OOH, eine Hydrierung (nasschemisch oder über die Gasphase), ein Ausheizen bei Temperaturen größer 12000C, eine Graphitierung bei Temperaturen um 29000C, eine Behandlung mit Argon-, Stickstoff-, Sauerstoff- oder Wasserstoffplasma beziehungsweise deren Gemenge, oder dergleichen zu verstehen.
Unter einer Beschichtung B ist beispielsweise die Beschichtung mit wenigstens einem benetzungsfördernden Element (was im weiteren Verlauf der Beschreibung noch näher erläutert wird) beziehungsweise einer Karbidschicht, Borid, Silizid oder Nitridschicht des benetzungsfördernden Elements zu verstehen. Eine Beschichtung muss nicht als deckende Schicht vorliegen, sollte aber vorteilhaft eine Flächenbelegung von zumindest 10%, vorteilhaft von zumindest 25% aufweisen.
Auch wenn vorstehend der Begriff „Oberflächenmodifikation" beziehungsweise „Beschichtung" in der Einzahl verwendet wird, so schließt dies natürlich nicht aus, dass es sich dabei auch um mehrere „Oberflächenmodifikationen" beziehungsweise „Beschichtungen" handeln kann, die nacheinander appliziert werden.
Aus dem Ausgangstoff wird zunächst eine Schicht in Form eines Zwischenstoffs hergestellt. Dabei ist die Erfindung nicht auf bestimmte Zwischenstoffe beschränkt. Nachfolgend werden verschiedene vorteilhafte, jedoch nicht ausschließliche Beispiele geeigneter Zwischenstoffe beschrieben.
Bevorzugt ist der Zwischenstoff für die weitere Verarbeitung als Einheit handhabbar, im Gegensatz zu einer reinen Pulverschüttungsschicht. Die hieraus resultierenden Vorteile werden im weiteren Verlauf noch näher erläutert.
Beispielsweise kann der Zwischenstoff „papierartig", beispielsweise als so genanntes „Bucky Paper", ausgebildet sein. Bei einer derartigen Ausgestaltung handelt es sich um ein kohlenstoffhaltiges Netzwerk aus CNX- Y/CNX- Y-AB mit losen, eventuell leicht verschlauften, Kontakten zwischen den einzelnen CNX- Y/CNX- Y-AB mit der Möglichkeit einer bevorzugter Ausrichtung der CNX- Y/CNX- Y-Z in x-y Richtung und einer Dicke des Papiers in der Größenordnung 50 bis 500 μm. Die Dichte des Papiers ist einstellbar im Bereich 0,15 bis 0,4 g/cm3.
Beispielsweise kann der Zwischenstoff auch „filzartig" ausgebildet sein. Bei einer derartigen Ausgestaltung handelt es sich um ein kohlenstoffhaltiges Netzwerk aus CNX- Y/CNX- Y-AB mit losen, eventuell leicht verschlauften, Kontakten zwischen den einzelnen CNX- Y/CNX- Y-AB und mit der Möglichkeit einer bevorzugter Ausrichtung der CNX- Y/CNX- Y-AB in x-y Richtung. Die Dicke z des Filzes liegt typischerweise über 0,5mm. Die Dichte des Filzes ist einstellbar im Bereich 0,15 bis 0,4 g/cm3. Der Zwischenstoff kann auch als dreidimensionales Netzwerk ausgebildet sein. Hierbei handelt es sich um ein kohlenstoffhaltiges Netzwerk aus CNX- Y/CNX- Y-AB mit de facto gefestigten Verschlaufungen zwischen den einzelnen CNX-Y/CNX-Y-AB. Die Dichte des dreidimensionalen Netzwerkes ist einstellbar im Bereich 0,05 bis 0,4 g/cm3.
Alle Zwischenstoffe CNX-Y können nachträglich mit einer wie oben beschriebenen Oberflächenmodifikation A und/oder einer wie oben beschriebenen Beschichtung B versehen werden.
Wenigstens eine der Schichten ist als Schicht in Form eines metallischen Matrixmaterials ausgebildet. Hierbei kann es sich um wenigstens ein Reinmetall oder wenigstens eine Metalllegierung handeln. Selbstverständlich ist die Erfindung nicht auf bestimmte Matrixmaterialien beschränkt. Einige vorteilhafte, jedoch nicht ausschließliche Beispiele werden nachfolgend näher erläutert.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann dabei auch den vorgelagerten Schritt umfassen, dass das metallische Matrixmaterial beziehungsweise die daraus bestehende Schicht zunächst hergestellt wird.
Ein metallisches Matrixmaterial aus Reinmetall kann beispielsweise aus wenigstens einem Metall wie Cu, Ni, Co, Ag, Au, Mg und AI bestehen.
Eine Legierung aus metallischem Matrixmaterial (Matrix L) kann zumindest aus 80 Gewichtsprozent aus dem Metall bestehen. Der Rest kann von einem oder mehren
Legierungselementen und/oder intermediären Phasen gebildet werden. Als
Legierungselemente kommen beispielsweise Elemente/Verbindungen in Frage, die die Benetzung zwischen CNX-Y/CNX-Y-AB fördern und/oder den Schmelzpunkt der
Matrix erniedrigen.
Matrix Metall sowie auch Matrix Legierungen können beispielsweise als Folie, Blech oder Platte zum Einsatz kommen. Nachdem ein geeigneter Schichtenstapel hergestellt worden ist, wird dieser dem „Verbundschritt" unterworfen. Dazu wird der Schichtstapel zunächst auf eine bestimmte Prozesstemperatur aufgeheizt, bei der die Matrixschicht aufgeschmolzen wird. Dabei ist die Erfindung nicht auf bestimmte Temperaturwerte beschränkt. Diese ergeben sich vielmehr je nach verwendetem Material. Einige vorteilhafte, jedoch nicht ausschließliche Beispiele hierzu werden im weiteren Verlauf der Beschreibung näher erläutert.
Nachdem der Schichtstapel auf die Prozesstemperatur aufgeheizt wurde, wird der Zwischenstoff infiltriert. Dabei kann die Infiltration grundsätzlich durch ein beliebiges Verfahren erfolgen. Insbesondere wird jedoch ein Verfahren eingesetzt, welches das Aufbringen von Temperatur und Druck kontrolliert ermöglicht. Dies wird im weiteren Verlauf der Beschreibung noch näher erläutert.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Zwischenstoff vollständig infiltriert wird. Die Infiltration sieht dabei vor, dass die aufgeschmolzene Matrixschicht beziehungsweise das aufgeschmolzene Matrixmaterial der Matrixschicht in den Zwischenstoff hinein infiltriert.
Ein vollständiges Infiltrieren besagt dabei, dass der Zwischenstoff vollständig infiltriert ist, was bedeutet, dass alle Poren des Zwischenstoffs mit aufgeschmolzenem Material gefüllt sind.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass genau soviel Matrixmaterial verwendet wird, dass dieses von der Menge her genau ausreicht, um den Zwischenstoff zu infiltrieren. Natürlich kann auch vorgesehen sein, dass mehr Matrixmaterial vorhanden ist, als für das Infiltrieren des Zwischenstoffs eigentlich erforderlich wäre. In einem solchen Fall wird der hergestellte Verbundwerkstoff beziehungsweise ein aus diesem hergestellter Verbundwerkstoffkörper dadurch gekennzeichnet sein, dass die Schichten Verbundwerkstoff jeweils voneinander durch eine dünne Restschicht (nicht infiltrierten) Matrixmetalls beabstandet sind. Die vollständige Infiltration der kohlenstoffhaltigen Schicht mit Matrixmetall stellt gegenüber der Lehre der JP 2006001232 A einen wesentlichen Unterschied dar: Wird die Schicht nicht vollständig infiltriert, so bleibt sie porig und damit bruchempfindlich und thermisch nur unzureichend leitfähig. Soll sie auf jeden Fall vollständig infiltriert werden, so wird in der Regel immer mit einem Matrixmetallüberschuss gearbeitet, was dann zur Folge hat, dass Matrixmetall nach der Infiltration auf beiden Seiten des gebildeten Verbundwerkstoffes übrig bleibt. In einem Vielschicht-Stapel bedeutet dies, dass zwischen einzelnen Lagen Verbundwerkstoff immer noch (wenn auch sehr dünne) Lagen des ursprünglichen Matrixmaterials übrig bleiben können. Es charakterisiert das erfindungsgemäße Verfahren, dass im gebildeten Verbundwerkstoffkörper diese Mehrlagenstruktur sichtbar bleiben kann.
Die Infiltration eines Stapels aus vielen dünnen Schichten stellt weiterhin einen wesentlichen Unterschied zur Lehre gemäß der US 6,649,265 B1 dar, bei der nur ein Körper infiltriert wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung liegt, wie weiter unten noch näher erläutert wird, der Schichtdickenbereich für Kohlenstoffschicht vorteilhaft im Bereich von 10μm bis 500μm, bevorzugt 25μm bis 250μm, besonders bevorzugt 50 bis 150μm. Somit stellt die erfindungsgemäße Lösung auch einen wesentlichen Unterschied zu solchen Lösungen dar, bei denen mit einer Pulverschüttung gearbeitet wird.
Nach Abschluss der Infiltration wird der entstandene Verbundwerkstoff abgekühlt. Anschließend kann dieser zu einem Verbund Werkstoff körper oder Verbundkörper verfestigt werden. Eine nachfolgende Weiterbehandlung mit oder ohne Wärmebeaufschlagung ist ebenso denkbar wie die Formgebung durch Umformen (beispielsweise Extrudieren, Walzen oder dergleichen) und/ oder subtraktive Formgebung (beispielsweise spanende Bearbeitung, Läppen, Polieren, Ätzen oder dergleichen) und das Auftragen anderer Materialien (beispielsweise durch physikalisches oder chemisches Abscheiden aus der Dampfphase und/ oder elektrolytische Abscheidung oder dergleichen). Vorteilhaft kann die Schichtstruktur der Schichten des Schichtstapels für einen definierten Zeitraum vollständigen Aufschmelzens erhalten bleiben.
Wie weiter oben bereits erläutert wurde, kann die Schicht in Form eines
Zwischenstoffs vorteilhaft eine netzwerkartige Struktur aufweisen. Eine solche formschlüssige Struktur der kohlenstoffhaltigen Materialien kann bei der Infiltration beispielsweise in Form von Papier, Vlies oder dergleichen vorliegen. Während Pulvermaterialien bei der Infiltration „ausweichen" können, und es somit zu pulverreichen und schmelzereichen Unterzonen kommen kann, hängen die kohlenstoffhaltigen Materialien bei der vorliegenden Erfindung in einer Ebene netzwerkartig zusammen. Die Schmelze dringt lediglich in die schon vorhandenen Poren und Zwischenräume ein, die sich dabei allenfalls weiten.
Ein wesentlicher Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens ist durch den Prozess der vollständigen Infiltration gegeben.
Beispielsweise kann der Infiltrationsprozess in zwei Prozessteile eingeteilt werden.
Ein erster Prozessteil sieht beispielsweise vor, dass ein geringer Druck bei der Infiltration herrscht oder eingestellt wird, wobei das Matrixmetall nicht aus dem Bereich zwischen den kohlenstoffhaltigen Zwischenschichten herausgedrückt wird. Auf diese Weise bleibt das Matrixmetall zur vollständigen Infiltration vorrätig, bis diese abgeschlossen ist.
Ein zweiter Prozessteil sieht beispielsweise einen hohen Druck vor, der nach erfolgter vollständiger Infiltration herrscht oder eingestellt wird, wodurch Restbestandteile an Matrixmetall aus dem Verbundwerkstoff entfernt werden beziehungsweise entfernt werden können. Grundlegendes Merkmal dabei ist der erste Prozessteil, der die Infiltration von Schichten ohne Auflösen der Schichtstruktur ermöglicht. Der vorgenannte zweite Prozessteil kann insbesondere optional angewendet werden. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich beispielsweise Zwischenstoffe aus Kohlenstoffnanomatehal und Cu-Folien durch abwechselnde Schichtung und anschließendes Aufschmelzen des Cu unter Druck erzeugen. Daraus entstehende Verbundwerkstoffe beziehungsweise Verbundwerkstoffkörper oder Verbundkörper sind in mehrfacher Ausgangsschichtung Cu- Nfach(Zwischenstoff-Cu-Zwischenstoff)-Cu (N>=1 ) beispielsweise geeignet für die Anwendung als Wärmesenke für Wärmequellen jeglicher Art. Besonders geeignet sind diese Wärmesenken zur epitaxieseitigen Kontaktierung von Halbeiterbauelementen, insbesondere Laserdioden, wobei bevorzugt der thermische Ausdehnungskoeffizient des Verbund Werkstoff körpers dem des Halbleiterbauelementes zumindest näherungsweise entspricht. Darüber hinaus sind Verbund Werkstoff körper in einfacher Ausgangsschichtung Cu-Zwischenstoff-Cu besonders geeignet für die Anwendung als elektrische Leiterfolien/Kontaktbleche, beispielsweise für die substratseitige elektrische Kontaktierung von Halbleiterbauelementen, insbesondere Laserdioden.
Die Eigenschaften des Verbundwerkstoffs können besonders gut eingestellt werden, beispielsweise der CTE (Wärmedehnung) durch Anteile von CNF-PL und CNF-HB im verwendeten Zwischenstoff.
Eine Benetzung von CNX (Sammelbegriff für Carbon Nanotubes = CNT und Carbon Nanofibers = CNF) kann beispielsweise durch Cu-Schmelzen mittels Legierungsmetallen, beziehungsweise durch Vorbeschichtung, erfolgen.
Das erfindungsgemäße Verfahren wird nun zur Verdeutlichung anhand eines Beispiels erläutert. Zunächst erfolgt ein Stapeln von Zwischenstoff CNX-Y und/oder CNX-Y-AB und dem Matrix Metall und/oder der Matrix Legierung, beziehungsweise ein alternierendes Stapeln. Anschließend folgt ein Prozess, der das Aufschmelzen (beispielsweise ein Heißpressen mit Aufschmelzen) des Matrix Metalls beziehungsweise der Matrix Legierung und Infiltration durch Druckaufgabe des Zwischenstoffes beinhaltet. Das Ergebnis ist ein hochwärmeleitfähiger Werkstoff (beispielsweise größer 300 W/m/K zumindest in eine Raumrichtung) mit definiertem, niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE= Coefficient of Thermal Expansion) von beispielsweise kleiner 12 ppm/K, vorzugsweise 6 - 8 ppm/K (zumindest in einer Raumrichtung).
Zur Realisierung können folgende Schritte durchgeführt werden:
Herstellung der entsprechenden Ausgangstoffe, gegebenenfalls mit einer Oberflächenmodifikation A und/oder Beschichtung B;
Herstellung der entsprechenden Zwischenstoffe, gegebenenfalls mit einer entsprechenden Oberflächenmodifikation A und/oder Beschichtung B.
Ziel der Oberflächenmodifikation A und/oder Beschichtung B ist durch Benetzung eine möglichst schnelle (dabei jedoch vollständige) Infiltration zu ermöglichen. Die Beschichtung B kann aber auch in Kombination mit einer Matrix Legierung die Funktion haben, zu starke Reaktionen zwischen dem CNX-Y Zwischenstoff und den Legierungselementen in der Matrix Legierung zu unterbinden. Als dritte Funktion erfüllt die Oberflächenmodifikation A beziehungsweise die Beschichtung B die Funktion, eine gute thermische beziehungsweise mechanische Anbindung zwischen Matrix Material beziehungsweise Matrix Legierung und den CNX-Y beziehungsweise CNX-Y-AB zu ermöglichen.
Die Herstellung des Verbundwerkstoffes erfolgt durch Anordnung von Matrix und Zwischenstoff, beispielsweise in alternierender Weise, gefolgt von der Infiltration des Zwischenstoffes unter Druck und Temperatur. Der Verbundwerkstoff kann beispielsweise als Wärmesenke für Laserdioden eingesetzt werden.
Generell besteht eine schlechte Benetzbarkeit von Kohlenstoffmaterialien mit Kupfer. Das gilt beispielsweise auch für Graphitoberflächen, die Cu-Schmelztropfen abweisen. Das Problem wird durch die große spezifische Oberfläche von CNX noch verstärkt. Durch die schlechte Benetzbarkeit ist ein vollständiges Infiltrieren poröser, kohlenstoffbasierter Strukturen schwierig. Selbst wenn die Infiltration gelingt, ist eine wärmeleitende Kontaktierung der einzeln für sich sehr gut wärmeleitenden Matrix Metalle und CNX nicht gewährleistet.
Abhängig vom Matrix Metall beziehungsweise der Matrix Legierung kann es zum Auflösen der CNX in der Schmelze der Matrix Legierung kommen, wenn der Infiltrationsprozess zu lange andauert. Die Dauer des Infiltrationsprozesses hängt wiederum von der Benetzbarkeit ab. Neben der Benetzbarkeit ist die
Gesamtporosität, die Porengrößenverteilung und die Dicke des zu infiltrierenden Zwischenstoffes entscheidend, wie gut, vollständig und mit wärmeleitenden Kontakten die Matrix-Schmelze die CNX-Struktur durchdringt. Bei guter Benetzbarkeit kann prinzipiell der Lotuseffekt (schlechte Netzung plus Nanostruktur = besonders stark abweisender Effekt) umgekehrt werden in einen die Schmelze in die Poren „einsaugenden" Kapillareffekt. Alle diese Probleme können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und dem erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff nunmehr vermieden werden.
Beispielsweise lässt sich die vorliegende Erfindung auch durch ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes von Kohlenstoff in einem Matrix Metall beziehungsweise einer Matrix Legierung, beschreiben, das folgende Schritte aufweist: Herstellung der entsprechenden Ausgangstoffe CNX-Y, gegebenenfalls mit einer Oberflächenmodifikation A und/oder Beschichtung B; Herstellung der entsprechenden Zwischenstoffe aus CNX-Y, gegebenenfalls mit einer entsprechenden Oberflächenmodifikation A und/oder Beschichtung B; Herstellung des Verbundwerkstoffes durch Anordnung von Matrix Metal oder Matrix Legierung und Zwischenstoff CNX-Y-AB, beispielsweise in alternierender Weise, gefolgt von der Infiltration des Zwischenstoffes unter Druck und Temperatur; sowie die Abkühlung des durch Infiltration des Zwischenstoffes entstandenen Gefüges und seine Verfestigung zu einem Verbund Werkstoff körper. Eine zusätzliche Wärmebehandlung kann noch zur Homogenisierung des Gefüges bzw. zur Ausbildung von entsprechenden Grenzflächen angewendet werden. Ebenso kann eine Nachverdichtung durch einen Press-, Streck- oder Umformprozess erfolgen.
Vorteilhaft kann die wenigstens eine Schicht in Form eines kohlenstoffhaltigen Zwischenstoffs und/oder die wenigstens eine Schicht in Form einer metallhaltigen Matrix und/oder der kohlenstoffhaltige Ausgangsstoff bei ihrer Herstellung und/oder bei der Herstellung des Schichtstapels und/oder vor dem Aufheizen des Schichtstapels auf die Prozesstemperatur mit einem benetzungsfördernden Material versehen werden. Als Benetzungsfördernde Elemente können beispielsweise, jedoch nicht ausschließlich, die Elemente aus der 3., 4., 5. und 6. Nebengruppe sowie der Selten-Erd-Metalle des Periodensystems der chemischen Elemente, Silizium und/ oder Bor verwendet werden, vorzugsweise die Refraktärmetalle (4., 5, und 6. Nebengruppe = Ti, Zr, Hf; V, Nb, Ta; Cr, Mo, W). Die benetzungsfördernden Metalle können mit dem Kohlenstoff teilweise reagieren. Im Verbundwerkstoff können Reaktionsprodukte bis zu 10 Volumenprozent vorliegen.
Vorzugsweise kann/ können die wenigstens eine Schicht in Form eines kohlenstoffhaltigen Zwischenstoffs und/oder die wenigstens eine Schicht in Form einer metallhaltigen Matrix Schichtdicken im Bereich von 10μm bis 500μm, bevorzugt 25μm bis 250μm, besonders bevorzugt 50 bis 150μm aufweisen.
Vorteilhaft kann der Schichtstapel mit einer Heizrate von wenigstens 10 K/min, bevorzugt größer 20 K/min, besonders bevorzugt größer 50 K/min aufgeheizt werden. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Anordnung aus Matrix Metall/Legierung und Zwischenstoff CNX-Y-AB in ein entsprechendes Werkzeug oder in eine entsprechende Form eingelegt und mit einer Heizrate von zumindest 10 K/min, bevorzugt über 20 K/min, besonders bevorzugt über 50 K/min hochgeheizt wird.
In weiterer Ausgestaltung kann der Schichtstapel auf eine Prozesstemperatur aufgeheizt werden, die dem 1 ,02- bis 1 , 3-fachen der Schmelztemperatur des Materials der metallhaltigen Matrixschicht entspricht. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Anordnung aus Matrix Metall/Legierung und Zwischenstoff CNX-Y-AB auf eine Endtemperatur, die 1 ,02 bis 1 ,3 fachen der Schmelztemperatur des Matrix Metalls beziehungsweise der Matrix Legierung entspricht, hochgeheizt wird.
Vorteilhaft kann die Infiltration des Zwischenstoffs zumindest zeitweilig bei einem bestimmten Druck erfolgen, der im Bereich von 0,1 bis 2000 MPa, bevorzugt im Bereich von 0,1 bis 100 MPa, besonders bevorzugt im Bereich von 0,1 bis 20 MPa liegt. Vorzugsweise kann der Druck ab dem Zeitpunkt des Erreichens der Prozesstemperatur ausgeübt werden. Somit kann beispielsweise vorgesehen sein, dass nach Erreichen der Schmelztemperatur beziehungsweise der gewünschten Endtemperatur Druck ausgeübt wird, der im Bereich 0,1 bis 2000 MPa liegen kann, bevorzugt im Bereich 0,1 bis 100 MPa liegt, besonders bevorzugt im Bereich zwischen 0,1 und 20 MPa.
Vorteilhaft kann der Druck ab dem Zeitpunkt des Erreichens der Prozesstemperatur ausgeübt werden.
Vorzugsweise kann der Druck für eine vorgegebene Zeitdauer ausgeübt werden, die im Bereich von 0,1 bis 100 Minuten, bevorzugt von 0,1 bis 30 Minuten, besonders bevorzugt von 0,1 bis 10 Minuten liegt. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass der Druck bei der Endtemperatur für eine Zeit von 0,1 bis 100 Minuten, bevorzugt 0,1 bis 30 Minuten, besonders bevorzugt von 0,1 bis 10 Minuten aufrechterhalten wird. Gegebenenfalls kann der Druck auch noch zumindest zeitweilig während des Abkühlvorgangs aufrechterhalten werden.
In weiterer Ausgestaltung kann die Abkühlung des Verbundwerkstoffs mit einer Abkühlrate von größer/gleich 5 K/min durchgeführt wird. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass nach der Haltezeit bei der Endtemperatur eine Abkühlung mit einer Abkühlrate von zumindest 10 K/min erfolgt. Vorzugsweise kann zumindest der Schritt der Infiltration des Zwischenstoffs unter Vakuum, oder unter einem Inertgas, oder unter Wasserstoff oder unter Luft stattfinden. Beispielsweise kann der Infiltrationsprozess bevorzugt unter Vakuum stattfinden. Abhängig von dem gewählten Matrix Metall oder der Matrix Legierung kann er auch unter Inertgas oder Wasserstoff, und in besonderen Fällen auch unter Luft stattfinden.
Nachfolgend werden verschiedene Details beschrieben, mittels derer die vorliegende Erfindung vorteilhaft weitergebildet werden kann.
Beispielsweise können als metallische Matrixschicht Cu-Legierungs-Folien mit Anteil Ti, Cr u./o. Mo verwendet werden. Diese verbessern die Benetzbarkeit von Kohlenstoff-Cu-Grenzflächen. Dies könnte ausreichen, um die dünnen Zwischenstoffe mit der Schmelze zu durchdringen und auch die Wärmeleitung zwischen Kohlenstoff und Kupfer zu gewährleisten.
Alternativ könnte aus derselben Motivation heraus eine vorherige Beschichtung der CNX mit einer metallischen Schicht erfolgen, die beim Herstellstellprozess in ein Karbid übergeführt werden können. Ebenso ist aber direkte Abscheidung von Metall- Karbiden, Metall-Boriden, Metall-Siliziden und/oder Metall-Nitriden denkbar.
Anschließend erfolgt die Herstellung von Zwischenstoff aus den beschichteten CNX, und Verwenden reiner Cu-Folien als metallisches Matrixmaterial. Übergangsschichten könnten mit Ti, Cr und/oder Mo versehen sein. Eventuell könnte eine weitere Übergangsschicht Cu sein, welches durch Colloidal Microwave Processing (=CMP) oder andere Beschichtungsprozesse auf CNX aufgebracht wird. Hier ist dann die Benetzung über die auf den CNX lokalisierten benetzungsfördernden Metalle gewährleistet.
Alternativ wäre ein Beschichten des aus reinen CNX hergestellten Zwischenstoffs (Methoden alternativ galvanisch / Physical Vapour Deposition = PVD / Chemical Vapour Deposition = CVD) mit Ti, Cr und/oder Mo möglich, sowie einer anschließenden Kombination mit reinen Cu-Folien. Auch ist ein Kombinieren von den oben genannten Beschichtungen der CNX und/oder Zwischenstoffe mit Verwendung von Cu-Legierungsfolien denkbar.
Die Zwischenstoffe können durch teilweises Ersetzen des CNT-Y-Anteils durch CNF- Y variiert. Hierdurch wird Porenstruktur und Benetzbarkeit beeinflusst.
Die Dicke des Zwischenstoffs kann vorteilhaft zwischen 50μm und 250μm variiert werden.
Durch die beiden vorgenannten Punkte wird die genaue Einstellung des CTE (Wärmedehnverhaltens) des Zwischenstoffs, aber auch des Verbundwerkstoffs, ermöglicht.
Eine Anpassung der Porenstruktur des Zwischenstoffs und der
Oberflächenfunktionalisierung kann durch Verwenden unterschiedlicher Lösemittel bei der Herstellung erreicht werden. Hierdurch kann Einfluss auf das Infiltrationsverhalten beim Heißpressen mit der Cu-haltigen Folie und auch auf das Benetzungsverhalten genommen werden. Man spricht von nasschemischer Funktionalisierung. In der Tendenz sind unpolare Oberflächengruppen auf den CNX förderlich für die Benetzung mit Metallschmelzen. Direkt nach üblicher Herstellung sind jedoch die Oberflächen der CNX mit sauerstoffhaltigen (und damit polaren Gruppen) abgesättigt.
Die CNX können zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit im Verbundwerkstoff zuvor bei Temperaturen von 10000C bis 30000C ausgeheizt werden. Dabei wird die kristalline Struktur der Graphenschichten perfektioniert, Fehlstellen heilen aus, amorphe Restanteile wandeln um. Dies ist der Grund für die verbesserte Elektronen- und Wärmeleitung. Zudem können auch polare Oberflächengruppen beziehungsweise der chemisch gebundene oberflächliche Sauerstoff minimiert werden. Durch die Verwendung von binder- und tensidfreiem Zwischenstoff wird eine deutlich bessere Benetzbarkeit und Wärmeleitung erreicht als bei binder- oder tensidhaltigen Systemen.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein Verbundwerkstoff bereitgestellt, aufweisend einen kohlenstoffhaltigen Füllstoff, der insbesondere aus einem Kohlenstoffnanomatehal gebildet ist, wobei der Verbundwerkstoff von dem kohlenstoffhaltigen Füllstoff durchsetzt ist, und weiterhin aufweisend einen metallhaltigen Matrixwerkstoff, der aus wenigstens einem reinen Metall oder wenigstens einer Metalllegierung gebildet ist, wobei der metallhaltige Matrixwerkstoff vollständig im Füllstoff infiltriert ist.
Der Verbundwerkstoff wird vorteilhaft mittels eines wie vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt, so dass bezüglich der Ausgestaltung, Zusammensetzung und Funktionsweise des Verbundwerkstoffs zunächst auf die vorstehenden Ausführungen zum erfindungsgemäßen Verfahren vollinhaltlich Bezug genommen und verwiesen wird.
Der Verbundwerkstoff besteht zunächst aus einem kohlenstoffhaltigen Füllstoff, wobei der Verbundwerkstoff von dem Füllstoff durchsetzt ist. Beispielsweise kann der Verbundwerkstoff durch einen netzwerkartigen, auf Kohlenstoff basierenden Füllstoff durchsetzt sein, der aus einem Zwischenstoff in Form eines Papier/Filz/SD- Netzwerks aus den Ausgangstoffen CNX-Y und/oder CNX-Y-AB entstanden ist.
Der Zwischenstoff wurde zunächst aus wenigstens einem kohlenstoffhaltigen Ausgangsstoff hergestellt. Für den Zwischenstoff kann beispielsweise ein Ausgangsstoff CNX in Form von Kohlenstoffnanoröhren oder Kohlenstoffnanofasern verwendet werden, die einen Durchmesser zwischen 8 und 50 nm beziehungsweise 50 und 500 nm aufweisen können. Weiterhin können diese eine Länge aufweisen, die im Bereich zwischen 1 und 500μm liegt. Im Zwischenstoff können diese
Kohlenstoffnanoröhren oder Kohlenstoffnanofasern dabei ein loses Netzwerk bilden (lose oder leicht verschlaufte Kontakte zwischen den Berührungspunkten wie bei Papier oder Filz), oder durch den Herstellprozess als durchgängiges dreidimensionales Netzwerk mit de facto gefestigten Verschlaufungen vorliegen, dessen Poren von der Metallmatrix infiltriert sind.
Für die Ausgangsstoffe CNX kann beispielsweise folgendes gelten: CNT können mit der Struktur SW, DW oder MW zur Anwendung kommen, und die CNF können in den Strukturen PL, HB oder SC zur Anwendung kommen.
Für die Ausgangsstoffe kann weiterhin gelten, dass die CNX-Y mit Oberflächenmodifikationen A und/oder Beschichtungen B zur Anwendung kommen können.
Die Oberflächenmodifikation A kann dabei eine Funktionalisierung durch C-H, C-OH, C-OOH, eine Hydrierung (jeweils nasschemisch oder über die Gasphase), ein Ausheizen bei Temperaturen größer 12000C, eine Graphitierung bei Temperaturen um 29000C, eine Plasmabehandlung (Stickstoff, Wasserstoff, Sauerstoff, Argon oder deren Mischungen) oder dergleichen beinhalten.
Die Beschichtung B kann dabei beinhalten eine Beschichtung mit einer Benetzungsfördernden Schicht (hierzu kommen die weiter oben angeführten
Elemente in Betracht); Beschichtungen, die eine Reaktion mit einer Matrix Legierung unterbinden, beispielsweise mit den Karbiden der benetzungsfördernden Schichten, sowie deren hochschmelzende Nitride, Suizide und/oder Boride; Beschichtungen, die mit Verfahren wie PVD, CVD, Colloidal Microwave Processing, nasschemischen oder alternativen Verfahren aufgebracht werden. Die Beschichtungen müssen nicht notwendigerweise als vollständige Schicht vorliegen.
Vorteilhaft kann der aus den Ausgangsstoffen CNX-Y hergestellte Zwischenstoff nachträglich einer Oberflächenmodifikation A und/oder Beschichtung B unterworfen werden, wie dies weiter oben bereits beschrieben ist. In diesem Fall erfolgt insbesondere die Beschichtung mit einem CVI Verfahren oder einem nasschemischen Verfahren. Beispielsweise kann der Zwischenstoff CNX-Y-AB als Papier mit einer geometrischen Dicke von 50 bis 500 μm, oder als Filz mit einer Dicke größer 500 μm, oder als dreidimensionales Netzwerk mit einer Dicke größer 5 mm vorliegen.
Beispielsweise kann der Zwischenstoff CNX-Y-AB mit einer Dichte im Bereich 0,05 - 0,4 g/cm3 herstellbar sein. Die Primärporengröße kann beispielsweise im Bereich 10 bis 1000 nm liegen.
Vorteilhaft kann/können der kohlenstoffhaltige Füllstoff und/oder der metallhaltige Matrixwerkstoff ein benetzungsförderndes Material aufweisen. Beispielsweise kann/können das/die benetzungsförderliche Metall(e) für den Matrixwerkstoff, beispielsweise eine Matrixlegierung, wenigstens ein Element aus der 4., 5. und 6. Nebengruppe des Periodensystems der chemischen Elemente, Silizium oder Bor sein. Die benetzungsfördernden Metalle können vorteilhaft mit dem Kohlenstoff reagieren. Die Reaktionsprodukte können bis zu 10 Volumenprozent im Verbundwerkstoff vorliegen. Reaktionsprodukte des Metalls, der Metall Legierung oder der benetzungsfördernden Elemente mit der verwendeten Atmosphäre können bis zu einem maximalen Anteil von 10 vol% im Verbundwerkstoff vorliegen.
Vorteilhaft weist das benetzungsfördernde Material ein Refraktärmetall, Silizium und/oder Bor auf.
Vorteilhaft kann vorgesehen sein, dass das benetzungsfördernde Material, beispielsweise ein Metall, derart ausgebildet ist, dass es mit dem Kohlenstoff reagiert oder reagieren kann, und dass die Reaktionsprodukte mit bis zu 10 Volumenprozent im Verbundwerkstoff vorliegen.
Vorteilhaft können etwaige Reaktionsprodukte des Metalls, der Metall Legierung oder der benetzungsfördernden Elemente mit der verwendeten Atmosphäre (z.B.
Restsauerstoff) bis zu einem maximalen Anteil von 10 vol% im Verbundwerkstoff vorliegen. Vorzugsweise kann der Verbundwerkstoff in zumindest einer Raumrichtung einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten kleiner/gleich 12 ppm/K, vorzugsweise im Bereich von 6 bis 8 ppm/K aufweisen. Die Abkürzung „ppm" steht dabei für „parts per million".
In weiterer Ausgestaltung kann der Verbundwerkstoff in zumindest einer Raumrichtung eine thermische Leitfähigkeit von größer/gleich 300 VWmK, bevorzugt von größer/gleich 400 VWmK, besonders bevorzugt von größer/gleich 500 VWmK aufweisen. Bevorzugt liegt eine isotrope, zumindest aber mäßig anisotrope Wärmeleitfähigkeit vor.
Vorzugsweise kann der Verbundwerkstoff eine Dichte von größer 80%, bevorzugt von größer 90 %, besonders bevorzugt von größer als 95 % aufweisen.
Ein Verbundwerkstoff gemäß der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise auf einem Matrix Metall und/oder einer Matrix Legierung, und einem auf Kohlenstoff basierenden Füllstoff basieren, wobei der Füllstoff in der Matrix teilweise netzwerkartig vorliegt. Der Füllstoff wird vorteilhaft über einen Zwischenstoff CNX-Y- AB hergestellt. Die netzwerkartige, auf Kohlenstoff basierende Struktur kann aus den Ausgangsstoffen Kohlenstoff Nanofasern CNF und/oder Kohlenstoff Nanoröhrchen CNT mit verschiedenen Strukturen Y und/oder weiteren kohlenstoffbasierten Materialien bestehen, die in weiterer Folge zu einem Zwischenstoff in Form von Papier, Filz oder 3-D-Netzwerk weiterverarbeitet werden und anschließend mit dem Matrix Metall oder der Matrix Legierung infiltriert werden. Der auf Kohlenstoff basierende Füllstoff liegt wenigstens teilweise im Matrix Metall beziehungsweise in der Matrix Legierung als netzwerkartige Struktur vor, vorteilhaft mit einem Anteil von 10 bis 80 Volumenprozent, wobei davon zwischen 0 bis 5 Volumenprozent in nicht faserartiger Struktur vorliegen können (zum Beispiel als amorpher Kohlenstoff). Der Rest ist dann das Matrix Metall beziehungsweise die Matrix Legierung, sowie gegebenenfalls etwaige Reaktionsprodukte zwischen Matrix Metall/Legierung und dem Kohlenstoff basierenden Füllstoff. Die Reaktionsprodukte mit dem Füllstoff liegen dabei maximal mit einem Anteil von 10 Volumenprozent vor, Reaktionsprodukte mit der Atmosphäre (z.B. Oxide) liegen mit maximal 10 vol% vor. Die CNT beziehungsweise CNF können in verschiedenen Strukturen Y vorliegen. Die CNX können mit Oberflächenmodifikationen A und/oder Beschichtungen B versehen sein. Als Matrix Metall kann Cu, Ni, Ag, Au, Mg, Co und AI verwendet werden, und bei Anwendung von Legierungen dieser Metalle können diese zumindest aus 80 Gewichtsprozent des Metalls zusammengesetzt sein. Als Legierungselemente kommen vorteilhaft Legierungselemente zur Anwendung, die entweder den Schmelzpunkt des Metalls erniedrigen und/oder benetzungsfördernd mit dem auf Kohlenstoff basierenden Füllstoff agieren (in dem sie beispielsweise ein Karbid mit der Oberfläche des CNX-Y/CNX-Y-AB bilden).
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird ein Verbundwerkstoff körper bereitgestellt, der auf unterschiedliche Weise ausgebildet sein kann.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass der Verbundwerkstoff in einer einzigen Schicht zwischen zwei metallhaltigen Matrixwerkstoff enthaltenden Restschichten vorliegt. Bei den Restschichten handelt es sich insbesondere um Restschichten von einer Ursprungsschicht Matrixmetall, von welcher der überwiegende Teil in den kohlenstoffhaltigen Zwischenstoff diffundiert ist.
Gemäß der vorliegenden Erfindung soll bevorzugt ein Werkstoff mit annähernd isotroper Wärmeleitfähigkeit bereitgestellt werden.
Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass der Verbundwerkstoff in zwei Schichten vorliegt, zwischen denen eine metallhaltigen Matrixwerkstoff enthaltende Restschicht angeordnet ist.
Bezüglich der Ausgestaltung, Zusammensetzung und Funktionsweise des
Verbundwerkstoffkörpers wird zunächst auf die vorstehenden Ausführungen zum erfindungsgemäßen Verfahren und zum erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff vollinhaltlich Bezug genommen und verwiesen.
Gemäß einem vierten Aspekt der Erfindung wird ein Verbundkörper bereitgestellt, enthaltend einen wie vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen
Verbundwerkstoff, wobei der Verbundwerkstoff in drei oder mehr übereinander gestapelten Schichten vorliegt. Bezüglich der Ausgestaltung, Zusammensetzung und Funktionsweise des Verbundkörpers wird zunächst auf die vorstehenden Ausführungen zum erfindungsgemäßen Verfahren und zum erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff vollinhaltlich Bezug genommen und verwiesen.
Vorteilhaft ist vorgesehen, dass der Verbundkörper in der alternierenden Folge von zwei Metallfolienschichten abgeschlossen wird/ist, die aber genau wie die inneren Schichten den prozesswesentlichen Änderungen in Struktur und Dicke unterliegen und nur noch als Restschichten vorliegen.
Vorteilhaft können die Schichten Verbundwerkstoff, wie weiter oben schon erläutert wurde, jeweils voneinander durch eine dünne Restschicht (nicht infiltrierten) metallhaltigen Matrixwerkstoffs beabstandet sein.
Die erfindungsgemäßen Verbund Werkstoff körper eignen sich insbesondere für die Montage, zur elektrischen Kontaktierung und Wärmeableitung von Halbleiterbauelementen, zu denen Hochleistungstransistoren, beispielsweise MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) und IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor), Hochleistungsthyristoren, beispielsweise SCRs (Silicon- Controlled Rectifier), GTOs (Gate Turn-Off thyristor) und IGCTs (Integrated Gate- Commutated Thyristor), sowie Halbleiterlaser zählen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dazu veranschaulichen anhand von Querschnittsdarstellungen Fig. 1 a, 1 b die Herstellung eines Verbund werkstoffkörpers nach dem Stand der Technik; Fig. 2a bis 2c eine erste Variante eines ersten Ausführungsbeispieles für ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffs;
Fig. 3a, 3b eine zweite Variante des ersten Ausführungsbeispieles für ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffs;
Fig. 3c eine erste bevorzugte Weiterbildung der zweiten Variante des ersten Ausführungsbeispieles für ein erfindungsgemäßes
Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen
Verbundwerkstoffs; Fig. 3d eine zweite bevorzugte Weiterbildung der zweiten Variante des ersten Ausführungsbeispieles für ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen
Verbundwerkstoffs; Fig. 4a bis 4d eine erste Variante eines zweiten Ausführungsbeispieles für ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffs; Fig. 5a, 5b eine zweite Variante eines zweiten Ausführungsbeispieles für ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffs; Fig. 6a bis 6c eine erste Variante eines dritten Ausführungsbeispieles für ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffs; und
Fig. 7a, 7b eine zweite Variante eines dritten Ausführungsbeispieles für ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffs. Ausführungsbeispiel 1
Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Verbundwerkstoffes werden in einem ersten Verfahrensschritt ein 100μm dünner, aus Filtration einer Dispersion entstandenen „papierartiger" kohlenstoffhaltiger (bevorzugt CNT- / CNF-basierter) Zwischenstoff 10, sowie eine erste 50μm dünne Kupferfolie 21 und eine zweite 50μm dünne Kupferfolie 22 bereitgestellt (Fig. 2a). Der Zwischenstoff 10 kann dabei beispielsweise mittels eines Beschichtungsverfahren aus der Gasphase (Chemical Vapor Deposition) hergestellt und mit Chrom beschichtet werden. In einem zweiten Verfahrensschritt wird der Zwischenstoff 10 zwischen die beiden Kupferfolien 21 und 22 gebracht und mit beiden Kupferfolien auf einander gegenüberliegenden Seiten in Kontakt gebracht (Fig. 2b).
Anschließend wird der so gebildete Stapel 50 mit Wärme und Druck beaufschlagt. Dazu wird der Stapel in eine geeignete Graphitform mit einer Kavität eingelegt, ein Stempel aufgesetzt und der Stapel in einer Heißpresse unter Wasserstoff bei einer Heizrate von 50 K/min bis auf eine Temperatur von 11500C hoch geheizt. Nach Erreichen dieser Temperatur wird der Stapel mit einem mechanischen Druck von 20 MPa beaufschlagt wobei die Kupferfolien 21 und 22 aufschmelzen und das flüssige Kupfer von dem Zwischenstoff 10 wenigstens teilweise aufgenommen wird. Bei diesem Infiltrationsprozess werden im wesentlichen alle Freiräume des Zwischenstoffs 10 mit flüssigem Kupfer belegt. Der Stapel wird für 10 Minuten bei der Maximaltemperatur gehalten, ebenso bleibt dabei der mechanische Druck aufrecht. Die Abkühlung erfolgt mit einer Kühlrate von etwa 20 K/Min.
Nach dem Abkühlen und Erstarren des flüssigen Kupfers liegt ein Kohlenstoff- Kupfer-Verbundwerkstoff-Schicht 30 von 100μm in einer etwa 120μm dünnen, folienförmigen Verbundwerkstoffkörper 60 vor, der auf einer ersten Seite der Verbundwerkstoff-Schicht 30 eine erste 5 μm dünne Restschicht 40 Kupfer trägt und auf einer zweiten, der ersten Seite gegenüberliegenden, Seite der Verbundwerkstoff- Schicht 30 eine zweite 5 μm dünne Restschicht Kupfer trägt (Fig. 2c). Die Restschichten resultieren aus der Forderung, den Zwischenstoff 10 vollständig zu infiltrieren und keine nennenswerte Restporosität im gebildeten Verbundwerkstoff zuzulassen, weshalb mit einem Materialüberschuss an Kupfer gearbeitet wird. Ein geringer Anteil des Kupfers findet sich nach der Infiltration im Spalt zwischen der Graphitform und dem Stempel.
In einer zweiten Variante dieses Ausführungsbeispiels werden Zwischenstoff 10 und Kupferfolien 20 alternierend gestapelt (Fig. 3a). Den äußeren Abschluss des Stapels 51 in Stapelrichtung bilden auf einer ersten Seite des Stapels eine Kupferfolie 21 und auf der der ersten Seite gegenüberliegenden zweiten Seite des Stapels eine Kupferfolie 22. Der Stapel 51 wird der ersten Variante vergleichbaren Bedingungen zur Infiltration des Zwischenstoffs 10 mit dem verflüssigten Kupfer der Kupferfolien 20, 21 und 22 unterworfen, wobei unter Abkühlung ein Verbundkörper 61 mit Verbundwerkstoff-Schichten 30 von 100μm Dicke, zwischen denen 10μm dünne Kupferschichten 40 nicht infiltrierten Kupferfolienmaterials liegen, geschaffen wird (Fig. 3b). Die beiden äußeren Seiten des Verbundkörpers weisen Kupferschichten 41 und 42 von 50μm Dicke auf, die daraus resultieren, dass die äußeren Kupferfolien 20 nur in eine Richtung den Zwischenstoff 10 infiltrieren können.
In einer ersten bevorzugten Weiterbildung der zweiten Variante des ersten Ausführungsbeispieles wird nach Abschluss des Infiltrationsprozesses der Druck auf den Stapel - vorzugsweise uniaxial in Stapelrichtung - erhöht, wodurch die nicht infiltrierten flüssigen Restbestandteile der Kupferschichten 20, 21 und 22 seitlich aus dem Stapel austreten. Dieser Materialaustritt 43 füllt den Spalt zwischen Graphit und Stempel und erstarrt bei Abkühlung zusammen mit dem infiltrierten Material (Fig. 3c). Bei diesem Herstellungsverfahren verschwindet das Matrixmetall weitgehend aus der Schnittstelle zwischen den Verbundwerkstoff-Schichten 30, wobei die Verbundwerkstoff-Schichten 30 allerdings noch einzeln als solche zu erkennen sind.
In einer zweiten bevorzugten Weiterbildung der zweiten Variante des ersten Ausführungsbeispieles wird nach Abschluss des Infiltrationsprozesses der Druck auf den Stapel vorzugsweise uniaxial in Stapelrichtung über den Druck bei der ersten bevorzugten Weiterbildung erhöht, wodurch nicht nur die nicht infiltrierten flüssigen Restbestandteile der Kupferschichten 20 aus dem Stapel herausgedrückt werden sondern auch die infiltrierten Zwischenstoffe 10 oberflächlich derart in Kontakt kommen, vorzugsweise sogar ineinander greifen, dass die infiltrierten Zwischenstoffe 10 nach Abkühlung und Verfestigung des infiltrierten Metalls nicht mehr als von einander getrennte Verbundwerkstoff-Schichten 30 erkennbar sind, sondern - wie in Fig. 3d dargestellt - einen im wesentlichen einheitlichen Verbundwerkstoffbereich 35 bilden.
Ausführungsbeispiel 2
Ein 150μm dünnes Papier 10 (Fig. 4a), bestehend aus Kohlenstoffnanofasern, wird unter Vakuum allseitig durch physikalische oder - weniger bevorzugt - chemische Abscheidung aus der Dampfphase mit einer Aluminium-Silizium Legierung beschichtet, und zwar solange, bis sich auf der jeweiligen Seite sowie auf den Seitenkanten/ -flächen des Papiers eine geschlossene Aluminiumschicht 23 auf dem Papier ausbildet (Fig. 4b). Verbleibende Hohlräume im Papier bleiben gegenüber natürlichen Umgebungsbedingungen abgeschlossen. Somit kann das Aluminiumbeschichtete Papier 52 in ein flüssiges Medium gebracht werden, ohne dass das flüssige Medium in das Papier beziehungsweise seine Hohlräume eindringt. In diesem flüssigen Medium wird eine feldinduzierte - vorzugsweise eine elektrolytische oder elektrophoretische - Abscheidung von Aluminium auf dem aluminiumbeschichteten Papier 52 durchgeführt, und zwar solange, bis die feldinduziert abgeschiedene Aluminiumschicht 24 des so geformten Schichtkörpers 53 eine Dicke von 50μm besitzt (Fig. 4c).
In einer ersten Variante des zweiten Ausführungsbeispieles wird der Schichtkörper 53 mit Wärme und Druck beaufschlagt. Dazu wird der Schichtkörper in eine mit Bornitrid beschlichtete Graphitform gelegt und in einer Heißpresse unter Argon auf eine Temperatur von 7200C mit einer Heizrate von 20 K/min hochgeheizt. Nach Erreichen der Temperatur wird ein mechanischer Druck von 10 MPa innerhalb von 5 Minuten aufgebracht. Danach wird die Probe mit 10 K/min abgekühlt. Durch diesen Prozess wird das Papier infiltriert, wobei das Aluminium der Metallisierungen 23 und 24 zusammen mit den benetzungsförderlichen Metallen von dem Papier 10 wenigstens teilweise aufgenommen wird. Bei diesem Infiltrationsprozess werden im wesentlichen alle Freiräume des Papiers 10 mit flüssigem Aluminium belegt. Nach dem Abkühlen und Erstarren des flüssigen Aluminiums liegt ein Kohlenstoff- Aluminium-Verbundwerkstoff-Schicht 30 von 150μm Dicke in einer etwa 170μm dünnen, folienförmigen Verbundwerkstoffkörper 64 vor, in dem die Verbundwerkstoff- Schicht 30 allseitig von einer Hülle 44 nicht infiltrierten Aluminiums umschlossen ist (Fig. 4d).
In einer zweiten Variante des zweiten Ausführungsbeispieles werden mehrere
Schichtkörper 53 übereinander unter Ausbildung eines Stapels 54 (Fig. 5a) gestapelt und anschließend mit Wärme und Druck beaufschlagt wie in der ersten Variante ausgeführt. Unter diesen Bedingungen wird das Papier infiltriert, wobei das Aluminium der Metallisierungen 23 und 24 zusammen mit den benetzungsförderlichen Metallen von den Papieren 10 wenigstens teilweise aufgenommen wird. Bei diesem Infiltrationsprozess werden im wesentlichen alle Freiräume der Papiere 10 mit flüssigem Aluminium belegt.
Nach dem Abkühlen und Erstarren des flüssigen Aluminiums liegen mehrere Kohlenstoff-Aluminium-Verbundwerkstoff-Schichten 30 von 150μm Dicke in einem Verbundkörper 65 vor, die voneinander durch Restschichten nicht infiltrierten Aluminiums beabstandet und allseitig von einer Hülle 44 nicht infiltrierten Aluminiums umschlossen sind (Fig. 5b).
Analog der bevorzugten Weiterbildungen der zweiten Variante des vorangegangenen ersten Ausführungsbeispieles kann auch in bevorzugten Weiterbildungen der zweiten Variante des vorliegenden zweiten Ausführungsbeispieles der Druck bei Ende der vollständigen Infiltration der Papiere 10 so erhöht werden, dass im wesentlichen keine Restbestandteile nicht infiltrierten Aluminiums mehr zwischen den infiltrierten Aluminiumschichten vorliegen, sondern diese aus dem Stapel der
Verbundwerkstoffschichten 30 heraus in die den Verbundwerkstoffschichtenstapel beziehungsweise in den Spalt zwischen Graphitform und Stempel gedrückt werden. Ausführungsbeispiel 3
Eine 50 μm dünne Silberfolie 20 (Fig. 6a) wird in einem Bad elektrophoretisch an zwei einander gegenüberliegenden Seiten mit Kohlenstoffnanoröhrchen beschichtet, die nach Beendigung des Beschichtungsprozesses als zwei Schichten 11 und 12 von 25 μm Dicke eines kohlenstoffhaltigen Zwischenstoffes beiderseits an der Silberfolie haften und mit dieser einen Schichtkörper 55 bilden (Fig. 6b).
In einer ersten Variante des dritten Ausführungsbeispieles wird der Schichtkörper 55 mit Wärme und Druck beaufschlagt. Dazu wird der Schichtkörper in eine Graphitform eingelegt, ein Stempel aus Graphit aufgesetzt und in einer Heißpresse bei 50 K/min Heizrate auf 10300C hochgeheizt. Nach Erreichen der Temperatur wird ein mechanischer Druck von 5 MPa innerhalb von 10 Minuten aufgebracht. Nach Erreichen der Maximaltemperatur erfolgt die Abkühlung des Schichtkörpers bei einer Kühlrate von 10 K/min. Durch diesen Prozess wird der Schichtkörper infiltriert, wobei das flüssige Silber der Silberfolie 20 zumindest teilweise von den Kohlenstoffnanoröhrchenschichten 11 und 12 aufgesogen wird. Bei diesem Infiltrationsprozess werden im wesentlichen alle Freiräume der Schichten 11 und 12 mit flüssigem Silber belegt.
Nach dem Abkühlen und Erstarren des flüssigen Silbers liegen zwei voneinander durch eine etwa 5 μm dünne Restschicht 40 nicht infiltrierten Silbers beabstandete Kohlenstoff-Silber-Verbundwerkstoff-Schichten 31 und 32 von etwa 25μm Dicke in einem etwa 55 μm dünnen, folienförmigen Verbundwerkstoffkörper 66 vor (Fig. 6c).
In einer zweiten Variante des dritten Ausführungsbeispieles werden mehrere Schichtkörper 55 übereinander unter Ausbildung eines Stapels 56 (Fig. 5a) gestapelt, wobei Schichten 11 und 12 zweier benachbarter Schichtkörper 55 teilweise ineinander greifen (Fig. 7a). Anschließend wird der Stapel 56 mit Wärme und Druck beaufschlagt. In dieser Variante wird ein mechanischer Druck von 20 MPa angewendet, wodurch das flüssige Silber der Silberfolien 20 zumindest teilweise von den Kohlenstoffnanoröhrchenschichten 11 und 12 aufgesogen wird. Bei diesem Infiltrationsprozess werden im wesentlichen alle Freiräume der Schichten 11 und 12 mit flüssigem Silber belegt.
Nach dem Abkühlen und Erstarren des flüssigen Silbers liegen voneinander durch etwa 5 μm dünne Restschichten 40 nicht infiltrierten Silbers beabstandete innere Kohlenstoff-Silber-Verbundwerkstoff-Schichten 30 von etwa 40 μm Dicke zwischen zwei äußeren Kohlenstoff-Silber-Verbundwerkstoff-Schichten 31 und 32 von etwa 25 μm Dicke in einem Verbundkörper 67 vor.
Auch in dieser Variante des dritten Ausführungsbeispieles können in bevorzugten Weiterbildungen die Restschichten Silber im flüssigen Zustand aus dem Stapel von Verbundwerkstoffschichten 30, 31 und 32 herausgepresst, werden, was die Bildung eines einheitlichen Verbundwerkstoffbereiches im Verbundkörper begünstigt.
Bezugszeichenliste
10 Schicht mit kohlenstoffhaltigem Zwischenstoff, vorgesehen die Positionierung zwischen zwei Schichten 20
11 erste äußere Schicht mit kohlenstoffhaltigem Zwischenstoff in einseitiger Nachbarschaft einer Schicht 20
12 zweite äußere Schicht mit kohlenstoffhaltigem Zwischenstoff in einseitiger Nachbarschaft einer Schicht 20 15 gesinterte kohlenstoffhaltige Schicht
20 metallhaltige Matrixschicht, angeordnet zwischen zwei Schichten 10
21 erste äußere metallhaltige Matrixschicht in einseitiger Nachbarschaft einer Schicht 10
22 zweite äußere metallhaltige Matrixschicht in einseitiger Nachbarschaft einer Schicht 10
23 aus der Dampfphase abgeschiedene Metallisierung
24 feldinduziert in flüssigem Medium abgeschiedene Metallisierung
30 Verbundwerkstoffschicht, hervorgegangen aus einer mit Matrixmaterial beidseitig infiltrierten Schicht 10 31 erste Randverbundwerkstoffschicht, hervorgegangen aus einer mit
Matrixmaterial einseitig infiltrierten Schicht 10 32 zweite Randverbundwerkstoffschicht, hervorgegangen aus einer mit
Matrixmaterial einseitig infiltrierten Schicht 10
35 Verbundwerkstoffbereich, hervorgegangen aus mehreren, einander benachbarten, mit Matrixmaterial infiltrierten Schichten 10
40 Restschicht nicht infiltrierten Matrixschichtmaterials, angeordnet zwischen zwei Verbundwerkstoffschichten 30
41 erste äußere Restschicht nicht infiltrierten Matrixschichtmaterials in einseitiger Nachbarschaft einer Verbundwerkstoffschicht 30 oder eines Verbundwerkstoffbereiches 35 42 zweite äußere Restschicht nicht infiltrierten Matrixschichtmatehals in einseitiger Nachbarschaft einer Verbundwerkstoffschicht 30 oder eines Verbundwerkstoffbereiches 35
43 Materialaustritt, entstanden durch das Herausdrücken nicht infiltrierten Matrixschichtmaterials aus dem Bereich zwischen zwei infiltrierten Schichten
10
44 Hülle nicht infiltrierten Matrixschichtmatehals, die Verbundwerkstoffschicht/ Verbundwerkstoffschichten 30 oder Verbundwerkstoffbereich 35 allseitig umschließend 50 Stapel aus Schicht 10 zwischen zwei Schichten 21 und 22
51 Stapel aus mehreren abwechselnd angeordneten Schichten 10 und 20 beziehungsweise 21 und 22
52 Schichtkörper aus Schicht 10 und auf dieser aufgedampften Metallisierung 23 53 Schichtkörper aus Verbundwerkstoffkörper 52 und feldinduziert in flüssigem Medium auf diesem abgeschiedenem Metallisierung 24
54 Stapel aus mehreren Schichtkörpern 53
55 Schichtkörper aus Schicht 20 und auf dieser abgeschiedenen kohlenstoffhaltigen Schichten 11 und 12 56 Stapel aus mehreren Schichtkörpern 55
59 Sinterkörper, bestehend aus Schichten 15 und 20
60 Verbund Werkstoff körper, hergestellt aus Stapel 50
61 Verbundkörper, hergestellt aus Stapel 51
62 Verbundkörper, hergestellt aus Stapel 51 63 Verbundkörper, hergestellt aus Stapel 51
64 Verbund Werkstoff körper, hergestellt aus Schichtkörper 53
65 Verbundkörper, hergestellt aus Stapel 54
66 Verbund Werkstoff körper, hergestellt aus Schichtkörper 55
67 Verbundkörper, hergestellt aus Stapel 56

Claims

Patentanspϋche
1. Verfahren zur Herstellung eines Verbundwerkstoffs oder Verbund Werkstoff körpers oder Verbundkörpers, bestehend aus einem kohlenstoffhaltigen Material, insbesondere einem Kohlenstoffnanomatehal, und einem metallischen Material, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Herstellen eines Schichtstapels aus zwei oder mehr Schichten, wobei wenigstens eine der Schichten in Form eines kohlenstoffhaltigen Zwischenstoffs ausgebildet ist und wobei wenigstens eine Schicht in Form einer metallhaltigen Matrixschicht ausgebildet ist; b) Aufheizen des Schichtstapels auf eine bestimmte Prozesstemperatur, bei der die Matrixschicht aufgeschmolzen wird; c) Vollständiges Infiltrieren des Zwischenstoffs mit aufgeschmolzenem Matrixmaterial; und d) Abkühlen des entstandenen Verbundwerkstoffs oder Verbundwerkstoffkörpers oder Verbundkörpers.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtstapel aus mehr als zwei Schichten hergestellt wird, wobei die Schichten in Form eines kohlenstoffhaltigen Zwischenstoffs und in Form einer metallhaltigen Matrix alternierend gestapelt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht(en) in Form eines kohlenstoffhaltigen Zwischenstoffs aus wenigstens einem kohlenstoffhaltigen Ausgangsstoff, insbesondere aus wenigstens einem aus einem Kohlenstoffnanomaterial bestehenden Ausgangsstoff, hergestellt wird/werden.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht(en) in Form eines kohlenstoffhaltigen Zwischen Stoffs als zusammenhängende Netzwerkstruktur ausgebildet ist/sind.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Schicht in Form eines kohlenstoffhaltigen Zwischenstoffs und/oder die wenigstens eine Schicht in Form einer metallhaltigen Matrix und/oder der kohlenstoffhaltige Ausgangsstoff bei ihrer Herstellung und/oder bei der Herstellung des Schichtstapels und/oder vor dem Aufheizen des Schichtstapels auf die Prozesstemperatur mit einem benetzungsfördernden Material versehen werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Schicht in Form eines kohlenstoffhaltigen Zwischenstoffs und/oder die wenigstens eine Schicht in Form einer metallhaltigen Matrix eine Schichtdicke im Bereich von 10μm bis 500μm, bevorzugt 25μm bis 250μm, besonders bevorzugt 50μm bis 150μm aufweist/aufweisen.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichtstruktur der Schichten des Schichtenstapels für einen definierten Zeitraum vollständigen Aufschmelzens erhalten bleibt.
8. Verbundwerkstoff, aufweisend einen kohlenstoffhaltigen Füllstoff, der insbesondere aus einem Kohlenstoffnanomatehal gebildet ist, wobei der Verbundwerkstoff von dem kohlenstoffhaltigen Füllstoff durchsetzt ist, und weiterhin aufweisend einen metallhaltigen Matrixwerkstoff, der aus wenigstens einem reinen Metall oder wenigstens einer Metalllegierung gebildet ist, wobei der metallhaltige Matrixwerkstoff vollständig im Füllstoff infiltriert ist.
9. Verbundwerkstoff nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der kohlenstoffhaltige Füllstoff und/oder der metallhaltige Matrixwerkstoff ein benetzungsförderndes Material aufweist/aufweisen.
10.Verbundwerkstoff nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das benetzungsfördernde Material derart ausgebildet ist, dass es mit dem Kohlenstoff reagiert oder reagieren kann und dass die Reaktionsprodukte mit bis zu 10 Volumenprozent im Verbundwerkstoff vorliegen.
11.Verbundwerkstoff nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das benetzungsfördernde Material ein Refraktärmetall, Silizium und/ oder Bor aufweist.
12. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 8 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass dieser in zumindest einer Raumrichtung einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten kleiner/gleich 12 ppm/K, vorzugsweise im Bereich von 6 bis 8 ppm/K aufweist.
13. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass dieser in zumindest einer Raumrichtung eine thermische Leitfähigkeit von größer/gleich 300 VWmK, bevorzugt von größer/gleich 400 VWmK, besonders bevorzugt von größer/gleich 500 VWmK aufweist.
14. Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbundwerkstoff eine Dichte von größer 80%, bevorzugt von größer 90%, besonders bevorzugt von größer als 95% aufweist.
15. Verbund Werkstoff körper, enthaltend einen Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 8 bis 14, wobei der Verbundwerkstoff in einer einzigen Schicht zwischen zwei metallhaltigen Matrixwerkstoff enthaltenden Restschichten vorliegt, oder wobei der Verbundwerkstoff in zwei Schichten vorliegt zwischen denen eine metallhaltigen Matrixwerkstoff enthaltende Restschicht angeordnet ist.
16. Verbund körper, enthaltend einen Verbundwerkstoff nach einem der Ansprüche 8 bis 14, wobei der Verbundwerkstoff in drei oder mehr übereinander gestapelten Schichten vorliegt.
17. Verbundkörper, nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Schichten Verbundwerkstoff jeweils voneinander durch eine metallhaltigen Matrixwerkstoff enthaltende dünne Restschicht beabstandet sind.
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Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011047743A1 (de) 2009-10-19 2011-04-28 Ks Kolbenschmidt Gmbh Verbundwerkstoffe aus metallen mit darin dispensierten carbon-nanotubes (cnts)
DE102010062224A1 (de) * 2010-11-30 2012-05-31 Endress + Hauser Conducta Gesellschaft für Mess- und Regeltechnik GmbH + Co. KG Messvorrichtung zur Bestimmung einer Konzentration einer vorgegebenen Ionenart in einer Messflüssigkeit
CN103568390A (zh) * 2012-07-26 2014-02-12 苏州沛德导热材料有限公司 一种石墨复合金属材料
CN109406581A (zh) * 2018-12-28 2019-03-01 苏州甫电子科技有限公司 石墨烯复合气体敏感材料、气敏传感器及其制作方法
CN116854475A (zh) * 2023-07-18 2023-10-10 博慧检测技术(厦门)有限公司 一种金属涂层石墨管的制备方法

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102009025165A1 (de) * 2009-06-12 2011-01-05 Günther Heisskanaltechnik Gmbh Spritzgießvorrichtung, Spritzgießdüse und Verteiler
DE102009025164A1 (de) * 2009-06-12 2010-12-30 Günther Heisskanaltechnik Gmbh Heizvorrichtung
EP2511393A1 (de) * 2011-04-11 2012-10-17 Siemens Aktiengesellschaft Matrix mit Nanotubes
DE102011079471B4 (de) 2011-07-20 2024-05-29 Trumpf Laser Gmbh Verfahren zur Bildung eines Kohlenstoff-Metall-Verbundwerkstoffs

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2234206B1 (de) * 1972-07-12 1973-05-30 Mahle Gmbh, 7000 Stuttgart Verfahren zur herstellung eines werkstueckes aus leichtmetall mit fein verteilten einlagerungen
JPS60169534A (ja) * 1984-02-10 1985-09-03 Hitachi Ltd 非鉄金属入りＣｕ箔付Ｃｕ−Ｃ繊維複合材料
DE4318193A1 (de) * 1992-06-05 1993-12-09 Tokai Carbon Kk Verbundmaterial und Verfahren zu dessen Herstellung
FR2758146A1 (fr) * 1997-01-09 1998-07-10 Aerospatiale Materiau composite a renfort carbone dans une matrice mixte carbone-metal et son procede de fabrication
GB2382082A (en) * 2001-11-16 2003-05-21 Ngk Insulators Ltd Composite Material and Method for Producing the Same
JP2006144030A (ja) * 2004-11-16 2006-06-08 Bridgestone Corp 高熱伝導複合材料とその製造方法
EP1770773A2 (de) * 2005-09-09 2007-04-04 Ngk Insulators, Ltd. Wärmeverteilmodul und seine Herstellung

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
AT406837B (de) * 1994-02-10 2000-09-25 Electrovac Verfahren und vorrichtung zur herstellung von metall-matrix-verbundwerkstoffen
EP1055650B1 (de) 1998-11-11 2014-10-29 Totankako Co., Ltd. Kohlenstoffhaltige metall-komposit-materialien, herstellungsverfahren und verwendung
JP2006002240A (ja) * 2004-06-21 2006-01-05 Hitachi Metals Ltd 高熱伝導・低熱膨脹複合体およびその製造方法
JP4711165B2 (ja) 2004-06-21 2011-06-29 日立金属株式会社 高熱伝導・低熱膨脹複合体およびその製造方法

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE2234206B1 (de) * 1972-07-12 1973-05-30 Mahle Gmbh, 7000 Stuttgart Verfahren zur herstellung eines werkstueckes aus leichtmetall mit fein verteilten einlagerungen
JPS60169534A (ja) * 1984-02-10 1985-09-03 Hitachi Ltd 非鉄金属入りＣｕ箔付Ｃｕ−Ｃ繊維複合材料
DE4318193A1 (de) * 1992-06-05 1993-12-09 Tokai Carbon Kk Verbundmaterial und Verfahren zu dessen Herstellung
FR2758146A1 (fr) * 1997-01-09 1998-07-10 Aerospatiale Materiau composite a renfort carbone dans une matrice mixte carbone-metal et son procede de fabrication
GB2382082A (en) * 2001-11-16 2003-05-21 Ngk Insulators Ltd Composite Material and Method for Producing the Same
JP2006144030A (ja) * 2004-11-16 2006-06-08 Bridgestone Corp 高熱伝導複合材料とその製造方法
EP1770773A2 (de) * 2005-09-09 2007-04-04 Ngk Insulators, Ltd. Wärmeverteilmodul und seine Herstellung

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2011047743A1 (de) 2009-10-19 2011-04-28 Ks Kolbenschmidt Gmbh Verbundwerkstoffe aus metallen mit darin dispensierten carbon-nanotubes (cnts)
DE102010062224A1 (de) * 2010-11-30 2012-05-31 Endress + Hauser Conducta Gesellschaft für Mess- und Regeltechnik GmbH + Co. KG Messvorrichtung zur Bestimmung einer Konzentration einer vorgegebenen Ionenart in einer Messflüssigkeit
CN103568390A (zh) * 2012-07-26 2014-02-12 苏州沛德导热材料有限公司 一种石墨复合金属材料
CN109406581A (zh) * 2018-12-28 2019-03-01 苏州甫电子科技有限公司 石墨烯复合气体敏感材料、气敏传感器及其制作方法
CN109406581B (zh) * 2018-12-28 2024-03-01 苏州甫一电子科技有限公司 石墨烯复合气体敏感材料、气敏传感器及其制作方法
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