WO2010045905A1 - Verfahren zum herstellen einer kohlenstoff-nanoröhren, fullerene und/oder graphene enthaltenden beschichtung - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Kohlenstoff-Nanoröhren, Fullerene und/oder Graphene enthaltenden Beschichtung auf einem Substrat, umfassend das Aufbringen von Kohlenstoff-Nanoröhren, Fullerene und/oder Graphene auf eine zinnhaltige Beschichtung und Einbringen der Kohlenstoff-Nanoröhren, Fullerene und/oder Graphene in die Beschichtung durch mechanische und/oder thermische Behandlung. Die Erfindung betrifft ferner das durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellte beschichtete Substrat sowie die Verwendung des beschichteten Substrats als elektromechanisches Bauteil oder Stanzgitter.
Description
Verfahren zum Herstellen einer Kohlenstoff-Nanoröhren, Fullerene und/oder Graphene enthaltenden Beschichtunq
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Kohlenstoff- Nanoröhren, Fullerene und/oder Graphene enthaltenden Beschichtung auf einem Substrat, umfassend das Aufbringen von Kohlenstoff-Nanoröhren, Fullerene und/oder Graphene auf eine zinnhaltige Beschichtung und Einbringen der Kohlenstoff-Nanoröhren, Fullerene und/oder Graphene in die Beschichtung durch mechanische oder thermische Behandlung. Die Erfindung betrifft ferner das durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellte beschichtete Substrat sowie die Verwendung des beschichteten Substrats als elektromechanisches Bauteil.
Kohlenstoff-Nanoröhren (CNTs) wurden von Sumio lijama im Jahre 1991 entdeckt (siehe S. lijama, Nature, 1991 , 354, 56). lijama fand im Ruß eines Fullerengenerators unter bestimmten Reaktionsbedingungen röhrenartige Gebilde von nur wenigen 10 nm Durchmesser, aber bis zu einigen Mikrometern Länge. Die von ihm gefundenen Verbindungen bestanden aus mehreren konzentrischen Graphitröhren, welche die Bezeichnung mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhren (multi-wall carbon nanotubes, MWCNTs) bekamen. Kurz darauf wurden von lijama und Ichihashi einwandige CNTs von etwa nur 1
nm Durchmesser gefunden, welche entsprechend als single-wall carbon nanotubes (SWCNTs) bezeichnet wurden (s. S. lijama, T. Ichihashi, Nature, 1993, 363, 6430).
Zu den herausragenden Eigenschaften der CNTs zählen z.B. ihre mechanische Zugfestigkeit und Steifheit von etwa 40 GPa bzw. 1 TPa (20- bzw. 5-mal höher als die von Stahl).
Bei den CNTs existieren sowohl leitende als auch halbleitende Materialien. Die Kohlenstoff-Nanoröhren gehören zu der Familie der Fullerene und besitzen einen Durchmesser von 1 nm bis einigen 100 nm. Kohlenstoff-Nanoröhren sind mikroskopisch kleine röhrenförmige Gebilde (molekulare Nanoröhren) aus Kohlenstoff. Ihre Wände bestehen wie die der Fullerene oder wie die Ebenen des Graphits nur aus Kohlenstoff, wobei die Kohlenstoffatome eine wabenartige Struktur mit sechs Ecken und jeweils drei Bindungspartnern einnehmen (vorgegeben durch die SP2-Hybridisierung). Der Durchmesser der Röhren liegt meist im Bereich von 1 bis 50 nm, wobei aber auch Röhren mit nur 0,4 nm Durchmesser hergestellt wurden. Längen von mehreren Millimetern für einzelne Röhren und bis zu 20 cm für Röhrenbündel wurden bereits erreicht.
Die Synthese der Kohlenstoff-Nanoröhren erfolgt gewöhnlich durch Abscheidung von Kohlenstoff aus der Gasphase oder einem Plasma. Für die Elektronikindustrie sind vor allem die Strombelastbarkeit und die Wärmeleitfähigkeit interessant. Die Strombelastbarkeit liegt schätzungsweise 1000-mal höher als bei Kupferdrähten, die Wärmeleitfähigkeit ist bei Raumtemperatur mit 6000 W/m * K beinahe doppelt so hoch wie die von Diamant, dem besten natürliche vorkommenden Wärmeleiter.
Im Stand der Technik ist bekannt, dass Nanoröhren mit herkömmlichem Kunststoff gemischt werden. Dadurch werden die mechanischen Eigenschaften der Kunststoffe stark verbessert. Außerdem ist es möglich, elektrisch leitende Kunststoffe herzustellen, beispielsweise wurden Nanoröhren bereits zur Leitfähigmachung von Antistatikfolien verwendet.
Wie oben bereits ausgeführt gehören die Kohlenstoff-Nanoröhren zur Gruppe der Fullerene. Als Fullerene werden sphärische Moleküle aus Kohlenstoffatomen mit hoher Symmetrie bezeichnet, welche die dritte Element- Modifikation des Kohlenstoffs (neben Diamant und Graphit) darstellen. Die Herstellung der Fullerene erfolgt gewöhnlich durch verdampfen von Graphit unter reduziertem Druck und unter einer Schutgasatmosphäre (z.B. Argon) mit einer Widerstandsheizung oder im Lichtbogen. Als Nebenprodukt entstehen häufig die bereits oben besprochenen Kohlenstoff-Nanoröhren. Fullerene haben halbleitende bis supraleitende Eigenschaften.
Als Graphene bezeichnet man monoatomare Lagen von sp2-hybridisierten Kohlenstoffatomen. Graphene zeigen eine sehr gute elektrische und thermische Leitfähigkeit entlang ihrer Ebene. Die Darstellung von Graphen erfolgt durch Aufspalten von Graphit in seine Basalebenen. Dabei wird zunächst Sauerstoff interkaliert. Der Sauerstoff reagiert partiell mit dem Kohlenstoff und führt zu einer gegenseitigen Abstoßung der Schichten. Anschließend werden die Graphene suspendiert und je nach Verwendungszweck zum Beispiel in Polymere eingebettet.
Eine weitere Möglichkeit der Darstellung einzelner Graphen-Lagen ist das Erhitzen hexagonaler Siliziumcarbid-Oberflächen auf Temperaturen oberhalb 1400 0C. Aufgrund des höheren Dampfdruckes des Siliciums evaporieren die Silicium-Atome schneller als die Kohlenstoff-Atome. Auf der Oberfläche bilden sich dann dünne Schichten einkristallinen Graphits, die aus wenigen Graphen- Monolagen bestehen.
Zinn oder Zinnlegierungen werden gewöhnlich zur Verlötung von elektrischen Kontakten verwendet, beispielsweise um Kupferdrähte miteinander zu verbinden. Ebenso werden Zinn oder Zinnlegierungen häufig auf Steckverbindungen aufgebracht, um den Reibwert zu verbessern, vor Korrosion zu schützen und ebenfalls zur Verbesserung der Leitfähigkeit beizutragen. Problematisch bei Zinn oder Zinnlegierungen ist insbesondere die Weichheit des Metalls bzw. der Legierung, so dass insbesondere bei häufigem Lösen und
Verbinden von Steckverbindern und bei Vibrationen die zinnhaltige Beschichtung abgenutzt wird und somit die Vorteile der zinnhaltigen Beschichtung verloren gehen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand somit in der Bereitstellung einer Beschichtung aus einem zinnhaltigen Material, das eine geringere Neigung zur Abnutzung und/oder ein verbessertes Reibkorrosionsverhalten bei gleichbleibenden oder verbesserten Eigenschaften betreffend den Reibwert, die Leitfähigkeit und dergleichen gewährleistet.
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zum Herstellen einer Kohlenstoff- Nanoröhren, Fullerene und/oder Graphene enthaltenden Beschichtung, umfassend das Aufbringen von Kohlenstoff-Nanoröhren, Fullerene und/oder Graphene auf eine zinnhaltige Beschichtung und Einbringen der Kohlenstoff- Nanoröhren, Fullerene und/oder Graphene in die Beschichtung durch mechanische oder thermische Behandlung.
Das Substrat, auf dem sich die zinnhaltige Beschichtung befindet, ist bevorzugt ein Metall, besonders bevorzugt Kupfer und dessen Legierungen. Zwischen der zinnhaltigen Beschichtung und dem Substrat kann vorteilhafterweise auch nochwenigstens eine weitere Zwischenschicht aufgebracht sein.
Als zinnhaltige Beschichtung auf dem Substrat wird bevorzugt Zinn oder eine Zinnlegierung verwendet. Auf/In die Zinnlegierung werden die Kohlenstoff- Nanoröhren, Fullerene und/oder Graphene aufgebracht bzw. eingebracht, wobei das Beschichtungsmetall bei der Aufbringung bzw. Einbringung der Kohlenstoff-Nanoröhren, Fullerene und/oder Graphene fest, flüssig oder teigig vorliegen kann.
Wie oben bereits ausgeführt, sind die Kohlenstoff-Nanoröhren, Fullerene und/oder Graphene in die zinnhaltige Beschichtung eingebracht, wobei dies durch mechanische oder thermische Behandlung erfolgen kann. Die mechanische Behandlung umfasst dabei das Ausüben von mechanischem Druck auf die Kohlenstoff-Nanoröhren, Fullerene und/oder Graphene.
Vorzugsweise geschieht dies, indem auf die Kohlenstoff-Nanoröhren, Fullerene und/oder Graphene mittels einer Walze, eines Stempels, mechanischen Bürsten, durch Aufsprühen oder durch Einblasen der mechanische Druck ausgeübt wird. Im Sinne dieser Erfindung soll auch das Aufsprühen und Einblasen als Ausüben von mechanischem Druck verstanden werden.
Die zinnhaltige Beschichtung kann bei der Aufbringung der Kohlenstoff- Nanoröhren, Fullerene und/oder Graphene fest vorliegen (also in festem Aggregatzustand) und das Einbringen der Kohlenstoff-Nanoröhren, Fullerene und/oder Graphene in die Beschichtung kann durch Ausüben von mechanischem Druck auf die Kohlenstoff-Nanoröhren, Fullerene und/oder Graphene mittels einer Walze, eines Stempels oder mechanischen Bürsten erfolgen.
Ebenso kann die Beschichtung bei der Aufbringung der Kohlenstoff- Nanoröhren, Fullerene und/oder Graphene flüssig oder teigig vorliegen, wobei das Einbringen der Kohlenstoff-Nanoröhren, Fullerene und/oder Graphene in die Beschichtung/das Beschichtungsmetall durch Ausüben von mechanischem Druck auf die Kohlenstoff-Nanoröhren, Fullerene und/oder Graphene mittels einer Walze, eines Stempels, mechanischen Bürsten, durch Aufsprühen oder durch Einblasen erfolgt. Falls die Beschichtung flüssig vorliegt, kann beim Einbringen der Kohlenstoff-Nanoröhren, Fullerene und/oder Graphene die Schmelztemperatur der Beschichtung unterschritten werden, so dass die Kohlenstoff-Nanoröhren, Fullerene und/oder Graphene in der Schicht fixiert werden.
Wie oben bereits ausgeführt, kann das Einbringen der Kohlenstoff-Nanoröhren, Fullerene und/oder Graphene in die Beschichtung auch thermisch erfolgen. Die thermische Behandlung umfasst dabei das Erhitzen der Beschichtung auf eine Temperatur unterhalb oder oberhalb des Schmelzpunktes der Beschichtung. Erhitzen auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes der Beschichtung führt hier zu einem teigigen Zustand und ein Erhitzen auf eine Temperatur
oberhalb des Schmelzpunktes der Beschichtung führt folglich zu einem flüssigen Zustand der Beschichtung.
In einer Ausführungsform ist die Beschichtung bei der Aufbringung der Kohlenstoff-Nanoröhren, Fullerene und/oder Graphene fest und wird dann auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes der Beschichtung erhitzt. Dadurch schmelzen die Kohlenstoff-Nanoröhren, Fullerene und/oder Graphene in das Beschichtungsmaterial ein und können durch Abkühlen des Beschichtungsmaterials unterhalb des Schmelzpunktes fixiert werden.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liegt die Beschichtung bei der Aufbringung der Kohlenstoff-Nanoröhren, Fullerene und/oder Graphene flüssig vor und wird dann auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes der Beschichtung gebracht, wodurch die in die flüssige Beschichtung eingedrungenen Kohlenstoff-Nanoröhren, Fullerene und/oder Graphene fixiert werden.
In einer weiteren Ausführungsform liegt die Beschichtung bei der Aufbringung der Kohlenstoff-Nanoröhren, Fullerene und/oder Graphene fest vor und wird dann auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes der Beschichtung erhitzt. Dieser Vorgang ist mit einem Tempern gleichzusetzen, wobei durch den dadurch erreichten teigigen Zustand der Beschichtung die Kohlenstoff- Nanoröhren, Fullerene und/oder Graphene langsam in das Beschichtungsmaterial hineinwandern.
In allen Ausführungsformen ist bevorzugt, dass das Aufbringen der Kohlenstoff- Nanoröhren, Fullerene und/oder Graphene auf die Beschichtung und/oder das Einbringen der Kohlenstoff-Nanoröhren, Fullerene und/oder Graphene in die Beschichtung unter einer Normalatmosphäre oder unter Schutzgas erfolgt. Unter Normalatmosphäre im Sinne dieser Erfindung wird die normale Umgebungsluft verstanden. Als Schutzgas kann jedes im Stand der Technik bekannte Gas verwendet werden, das eine sauerstofffreie Atmosphäre bereitstellt. Bekanntermaßen können beispielsweise Stickstoff oder Argon eingesetzt werden.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren können als Kohlenstoff-Nanoröhren einwandige oder mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhren als Pulver oder dispergiert in einer Suspension eingesetzt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform können die Kohlenstoff- Nanoröhren, Fullerene und/oder Graphene vor der Aufbringung auf die Beschichtung mit einer Ummantelung aus Metall versehen werden. Die Aufbringung der Ummantelung kann mittels mechanischer Verknetung mit einem Metall durchgeführt werden. Für die mechanische Verknetung kann beispielsweise eine Kugelmühle oder ein Extruder verwendet werden. Die Aufbringung der Ummantelung auf die Kohlenstoff-Nanoröhren, Fullerene und/oder Graphene kann ferner auf chemischem Wege erfolgen, beispielsweise durch Aufbringung einer Metallsalz-Lösung, welche anschließend reduziert wird oder durch Aufbringung eines Metalloxids, welches anschließend reduziert wird.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform ist, die Kohlenstoff-Nanoröhren, Fullerene und/oder Graphene in einer Sn(-Legierungs)-Schmelze mittels Ultraschall dispergiert dem Metallband zuzuführen und in einer Welle mit anschließendem mechanischen Abstreifen aufzubringen.
Im Sinne dieser Erfindung ist es ferner bevorzugt, wenn die Kohlenstoff- Nanoröhren, Fullerene und/oder Graphene miteinander ein Komposit bilden, also miteinander verbunden sind. Besonders bevorzugt ist dabei ein Graphen auf einer Kohlenstoff-Nanoröhre an deren axialen Ende orthogonal angeordnet. Dadurch kann eine elektrische und thermische Leitfähigkeit in horizontaler und vertikaler Richtung erreicht werden. Auch die mechanische Belastbarkeit steigt in horizontaler und vertikaler Richtung.
Gegenstand der Erfindung ist auch ein beschichtetes Substrat, das nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wurde. Bevorzugt ist das Substrat Kupfer oder eine kupferhaltige Legierung bzw. umfasst Kupfer oder eine kupferhaltige Legierung bzw. AI oder eine AI-Legierung bzw. Fe oder eine Fe-
Legierung. Es kann ferner vorteilhaft sein, dass zwischen der zinnhaltigen Beschichtung und dem Substrat Zwischenschichten aufgebracht werden.
Das erfindungsgemäße beschichtete Substrat eignet sehr gut als elektromechanisches Bauteil oder Stanzgitter, beispielsweise als Schaltelement, Steckverbindung und dergleichen.
Claims
1. Verfahren zum Herstellen einer Kohlenstoff-Nanoröhren, Fullerene und/oder Graphene enthaltenden Beschichtung auf einem Substrat, umfassend das Aufbringen von Kohlenstoff-Nanoröhren, Fullerene und/oder Graphene auf eine zinnhaltige Beschichtung und Einbringen der Kohlenstoff-Nanoröhren, Fullerene und/oder Graphene in die Beschichtung durch mechanische und/oder thermische Behandlung.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass als zinnhaltige Beschichtung Zinn oder eine Zinnlegierung verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung bei der Aufbringung der Kohlenstoff-Nanoröhren, Fullerene und/oder Graphene fest, flüssig oder teigig vorliegt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Behandlung das Ausüben von mechanischem Druck auf die Kohlenstoff-Nanoröhren, Fullerene und/oder Graphene umfasst.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausüben von mechanischem Druck auf die Kohlenstoff-Nanoröhren, Fullerene und/oder Graphene mittels einer Walze, eines Stempels, mechanischen Bürsten, durch Aufsprühen oder durch Einblasen erfolgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung bei der Aufbringung der Kohlenstoff-Nanoröhren, Fullerene und/oder Graphene fest vorliegt und das Einbringen der Kohlenstoff-Nanoröhren, Fullerene und/oder Graphene in die Beschichtung durch Ausüben von mechanischem Druck auf die Kohlenstoff-Nanoröhren, Fullerene und/oder Graphene mittels einer Walze, eines Stempels oder mechanischen Bürsten erfolgt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung bei der Aufbringung der Kohlenstoff-Nanoröhren, Fullerene und/oder Graphene flüssig oder teigig vorliegt und das Einbringen der Kohlenstoff-Nanoröhren, Fullerene und/oder Graphene in die Beschichtung durch Ausüben von mechanischem Druck auf die Kohlenstoff-Nanoröhren, Fullerene und/oder Graphene mittels einer Walze, eines Stempels, mechanischen Bürsten, durch Aufsprühen oder durch Einblasen erfolgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Behandlung das Erhitzen der Beschichtung auf eine Temperatur unterhalb oder oberhalb des Schmelzpunktes der Beschichtung umfasst.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung bei der Aufbringung der Kohlenstoff-Nanoröhren, Fullerene und/oder Graphene fest vorliegt und dann auf eine Temperatur oberhalb des Schmelzpunktes der Beschichtung erhitzt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung bei der Aufbringung der Kohlenstoff-Nanoröhren, Fullerene und/oder Graphene flüssig vorliegt und dann auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes der Beschichtung gebracht wird.
11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung bei der Aufbringung der Kohlenstoff-Nanoröhren, Fullerene und/oder Graphene fest vorliegt und dann auf eine Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes der Beschichtung erhitzt wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das Aufbringen der Kohlenstoff-Nanoröhren, Fullerene und/oder Graphene auf die Beschichtung und/oder das Einbringen der Kohlenstoff-Nanoröhren, Fullerene und/oder Graphene in die Beschichtung unter einer Normalatmosphäre oder unter Schutzgas erfolgt.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Kohlenstoff-Nanoröhren einwandige oder mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhren eingesetzt werden.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoff-Nanoröhren, Fullerene und/oder Graphene vor der Aufbringung auf die Beschichtung mit einer Ummantelung aus Metall versehen werden.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Ummantelung mittels mechanischer Verknetung der Kohlenstoff- Nanoröhren, Fullerene und/oder Graphene mit dem Metall oder auf chemischem Weg erfolgt.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoff-Nanoröhren, Fullerene und/oder Graphene vor der Aufbringung auf das Metallband in einer Zinn enthaltenden Metallschmelze mit Ultraschall dispergiert werden und in einer Welle mit anschließendem mechanischen Abstreifen zur Einstellung einer definierten Schichtdicke aufgebracht werden.
17. Beschichtetes Substrat, hergestellt nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16.
18. Beschichtetes Substrat, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat aus Kupfer oder einer kupferhaltigen Legierung, Aluminium oder einer aluminiumhaltigen Legierung oder Eisen oder einer eisenhaltigen Legierung besteht.
19. Beschichtetes Substrat nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat ferner wenigstens eine Zwischenschicht umfasst, wobei die Zwischenschicht zwischen dem Substrat und der zinnhaltigen Beschichtung angeordnet ist.
20. Verwendung des beschichteten Substrats nach einem der Ansprüche 17 bis 19 oder hergestellt nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16 als elektromechanisches Bauteil oder Stanzgitter.
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