WO2012101215A1

WO2012101215A1 - Thermisch und elektrisch hochleitfähiges aluminiumband

Info

Publication number: WO2012101215A1
Application number: PCT/EP2012/051232
Authority: WO
Inventors: Volker Denkmann; Ulrich Hampel; Andreas Siemen; Kathrin Eckhard; Willi Schenkel; Oliver SEIFFERTH
Original assignee: Hydro Aluminium Rolled Products Gmbh
Priority date: 2011-01-28
Filing date: 2012-01-26
Publication date: 2012-08-02
Also published as: EP2668311A1; US20130309513A1; EP2668311B1; DE102011000395A1; CA2825158A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Band oder eine Folie bestehend aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, welches bzw. welche eine äußere Oxidschicht aufweist. Die Aufgabe ein Band oder eine Folie bestehend aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung zur Verfügung zu stellen, welches bzw. welche unabhängig von der Ausbildung einer Aluminiumoxidschicht eine gleichbleibend hohe thermische und/oder elektrische Leitfähigkeit aufweist, wird dadurch gelöst, dass ein- oder beidseitig auf dem Band oder der Folie thermisch und/ oder elektrisch hochleitfähige Funktionspartikel angeordnet sind, welche die Oxidschicht des Bandes oder der Folie zumindest teilweise durchdringen.

Description

Thermisch und elektrisch hochleitfähiges Aluminiumband

Die Erfindung betrifft ein Band oder eine Folie bestehend aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, welches bzw. welche eine äußere Oxidschicht aufweist. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines

erfindungsgemäßen Bandes oder einer erfindungsgemäßen Folie sowie dessen Verwendung.

Aluminium oder Aluminiumlegierungen werden häufig für elektrisch und/oder thermisch leitfähige Bauteile verwendet. Beispiele hierfür sind Solarabsorber, welche im Bereich der Solarthermie, also zur Gewinnung von Wärme aus

Sonnenstrahlen, eingesetzt werden. Batterieelektroden,

Leiterplatten, aber auch stromführende Kabel und deren

Stecker und Kontakte werden ebenfalls häufig aus Aluminium hergestellt, da Aluminium oder Aluminiumlegierungen besonders niedrige elektrische Widerstände aufweisen. Allerdings bildet sich auf einem Band aus Aluminium oder einer

Aluminiumlegierung innerhalb kurzer Zeit an Luft eine

Aluminiumoxidschicht, welche üblicherweise eine Dicke von 2 bis 4 nm aufweist. Diese Aluminiumoxidschicht ist einerseits gewünscht, um das Aluminium oder die Aluminiumlegierung vor weiterer Korrosion zu schützen. Andererseits weist diese Aluminiumoxidschicht deutlich schlechtere thermische und elektrische Leitfähigkeiten auf, sodass insbesondere an

Kontaktstellen zwischen zwei verschiedenen Bauteilen Probleme hinsichtlich der Wärme- oder Stromübertragung ergeben. Um diese Probleme beispielsweise bei elektrischen Kontakten zu lösen, hat man versucht, Bänder oder Folien aus

Aluminiumlegierungen mit hochleitfähigen Beschichtungen zu versehen. Dies hat jedoch nicht zu dem gewünschten Ergebnis geführt, da aufgrund der Aluminiumoxidschicht zwischen der hochleitfähigen Beschichtung und dem Kern des Aluminiumbandes der Aluminiumbandkern nicht so stark wie möglich zur

Leitfähigkeit beitragen kann. Die elektrische Leitfähigkeit, aber auch die thermische Leitfähigkeit ist deshalb

verbesserungswürdig .

Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die

Aufgabe zugrunde ein Band oder eine Folie bestehend aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung zur Verfügung zu stellen, welches bzw. welche unabhängig von der Ausbildung einer Aluminiumoxidschicht eine gleichbleibend hohe

thermische und/oder elektrische Leitfähigkeit aufweist.

Darüber hinaus soll ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Bandes oder einer erfindungsgemäßen Folie sowie vorteilhafte Verwendungen des erfindungsgemäßen Bandes und der erfindungsgemäßen Folie vorgeschlagen werden.

Gemäß einer ersten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die oben aufgezeigte Aufgabe dadurch gelöst, dass ein- oder beidseitig auf dem Band oder der Folie thermisch und/oder elektrisch hochleitfähige Funktionspartikel angeordnet sind, welche die Oxidschicht des Bandes oder der Folie zumindest teilweise durchdringen.

Die auf der Oberfläche des erfindungsgemäßen Bandes oder der erfindungsgemäßen Folie angeordneten thermisch und/oder elektrisch hochleitfähigen Funktionspartikel ermöglichen aufgrund ihrer Durchdringung durch die Aluminiumoxidschicht, dass das erfindungsgemäße Band oder die erfindungsgemäße Folie unabhängig von der Ausbildung der Aluminiumoxidschicht auf dessen Oberfläche gleichbleibende thermisch und/oder elektrisch hochleitfähige Eigenschaften besitzt. Die

thermisch und/oder elektrisch hochleitfähigen

Funktionspartikel leiten die Wärme oder elektrischen Strom unmittelbar durch die Oxidschicht des Bandes oder der Folie aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung in den aus

Aluminium oder der Aluminiumlegierung bestehenden Kern des Bandes oder der Folie. Die Aluminiumoxidschicht, welche sich an Luft auf dem Band oder der Folie bestehend aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung bildet, beeinträchtigt die thermische und/oder elektrische Leitfähigkeit des

erfindungsgemäßen Bandes bzw. der erfindungsgemäßen Folie nicht mehr.

Gemäß einer ersten Ausgestaltung sind als Funktionspartikel elektrisch und/oder thermisch hochleitfähige Nanoröhrchen, nanoskalierte Karbonröhrchen und/oder Karbonfasern

vorgesehen. Die genannten Nanopartikel sind hochleitfähig und können die Aluminiumoxidschicht durchdringen, sodass diese den elektrischen Strom beispielsweise von der Oberfläche in das aus der Aluminiumlegierung oder dem Aluminium bestehenden Inneren des Bandes oder der Folie weiterleiten können. Der Strom- und/oder ärmefluss findet dann unter Mitwirkung des gesamten erfindungsgemäßen Bandes bzw. der gesamten

erfindungsgemäßen Folie statt. Nanoskalierte Karbonröhrchen und Karbonfasern sind darüber hinaus auch thermisch extrem stabil, sodass die üblichen Prozessschritte zur Verarbeitung der erfindungsgemäßen Bänder oder Folien kein Problem

darstellen. Bauteile, welche besonders gute elektrisch und/oder thermisch leitfähige Eigenschaften aufweisen, können dadurch bereit gestellt werden, dass ein Blech aus einem erfindungsgemäßen Band hergestellt wird. Das Blech wird üblicherweise durch Umformschritte oder durch weitere Verfahrensschritte zu einem spezifischen Bauteil umgeformt, welches unabhängig von der Ausbildung einer Aluminiumoxidschicht auf der Oberfläche des Aluminiums oder der Aluminiumlegierung hervorragende

elektrische und/oder thermische Leitfähigkeiten aufweist.

Gemäß einer zweiten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die oben aufgezeigte Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung eines Bandes oder einer Folie dadurch gelöst, dass die thermisch und/oder elektrisch hochleitfähigen

Funktionspartikel mechanisch in die Oberfläche des Bandes oder der Folie eingebracht werden. Unter mechanisch

einbringen wird erfindungsgemäß verstanden, dass die

thermisch und/oder elektrisch hochleitfähigen

Funktionspartikel durch Ausübung einer mechanischen Kraft in die Oberfläche des erfindungsgemäßen Bandes oder der

erfindungsgemäßen Folie eingedrückt werden. Dies hat den Vorteil, dass die Aluminiumoxidschicht auf der Oberfläche des erfindungsgemäßen Bandes oder der erfindungsgemäßen Folien auf einfache Weise durchdrungen werden kann, so dass Kontakt mit dem darunterliegenden Kern des erfindungsgemäßen Bandes oder der erfindungsgemäßen Folie besteht. Darüber hinaus ist das mechanische Einbringen von Partikeln auf die Oberfläche eines Werkstücks besonders einfach und umweltfreundlich. Gemäß einer ersten Ausgestaltung des Verfahrens zur

Herstellung eines erfindungsgemäßen Bandes oder einer erfindungsgemäßen Folie wird vor dem mechanischen Einbringen der Funktionspartikel in die Oberfläche des Bandes oder der Folie ein Haftvermittler oder ein Primer auf das Band oder die Folie aufgetragen. Der Primer oder der Haftvermittler gewährleisten, dass die nanoskalierten Funktionspartikel auf dem Aluminiumband oder der Folie auf einfache Weise

angeordnet werden können, ohne dass diese aufgrund ihrer Größe beispielsweise durch thermische Energie oder durch einen Luftzug vom Band oder der Folie entfernt werden können. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit über den

Haftvermittler oder den Primer die Oberfläche des

Aluminiumbandes auf das Einbringen der Funktionspartikel vorzubereiten .

Auf besonders einfache Art und Weise gelingt das mechanische Einbringen der Funktionspartikel in die Oberfläche des Bandes oder der Folie dadurch, dass die Funktionspartikel in die Oberfläche des Bandes oder der Folie eingewalzt werden.

Einerseits können hierdurch übliche Verfahrensschritte zur Herstellung von Bändern oder Folien aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung genutzt werden, so dass nur geringe

Investitionskosten notwendig sind, um die erfindungsgemäßen Bänder oder Folien herzustellen. Andererseits kann jeder beliebige Walzschritt in der Herstellung des

erfindungsgemäßen Bandes oder der erfindungsgemäßen Folie genutzt werden um die Funktionspartikel auf der Oberfläche des Bandes derart anzuordnen, dass diese die Oxidschicht des Bandes oder der Folie zumindest teilweise durchdringen.

Prinzipiell sind dabei alle Zwischenwalzschritte dazu

geeignet, entsprechend die Funktionspartikel in die

Oberfläche einzubringen. Vorzugsweise erfolgt das Einwalzen der Funktionspartikel durch Warmwalzen, Kaltwalzen und/oder durch Dressierwalzen. Beim Dressierwalzen wird in der Regel nur eine geringe oder keine Dickenänderung des Bandes oder der Folie erzielt, sondern eine spezifische Oberflächentextur in das Band oder die Folie eingebracht. Dieser Vorgang kann ebenso genutzt werden zur Einbringung der Funktionspartikel wie das

üblicherweise durchgeführte Kaltwalzen oder Warmwalzen des Bandes oder der Folie in der Fertigung. Dabei gelingt das Einwalzen der Funktionspartikel unabhängig davon, ob das Band aus einem Walzbarren hergestellt oder direkt gegossen und gewalzt worden ist.

Vorzugsweise wird gemäß einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens vor dem Einwalzen der Funktionspartikel eine

Oberflächenstruktur in das Band oder die Folie eingebracht und die Funktionspartikel auf der texturierten Oberfläche verteilt und anschließend eingewalzt. Die texturierte

Oberfläche kann beispielsweise dazu benutzt werden, um spezifische Verteilungen der Funktionspartikel zu erzielen oder die Haftung der Partikel an der Oberfläche des Bandes oder der Folie zu verbessern, beispielsweise indem sich die nanoskalierten Partikel in Vertiefungen der Textur sammeln. Eine besonders schonende Einbringung der Funktionspartikel in das erfindungsgemäße Band oder die erfindungsgemäße Folie wird dadurch erreicht, dass die Funktionspartikel in 1 bis 10 Walzschritten eingewalzt werden. Bei sehr großen

Dickenabnahmen kann problematisch sein, dass die

Funktionspartikel nicht nur in der Oberflächenschicht vorhanden sind. Durch die Verwendung von mehreren

Walzschritten zum Einbringen der Funktionspartikel können die Dickenabnahmen pro Walzschritt verringert werden, so dass die Funktionspartikel nur in die Oberflächenbereiche

eingearbeitet werden. Mit zunehmender Anzahl der Walzschritte wird selbstverständlich der Aufwand zur Herstellung des erfindungsgemäßen Bandes oder der Folie größer.

Gemäß einer nächsten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens werden bevorzugt die Funktionspartikel vor dem mechanischen Einbringen in die Oberfläche in Dispersions-, Suspensions- oder Pulverform auf der Oberfläche des Bandes oder der Folie aufgebracht. Werden die Funktionspartikel in Dispersions- oder Suspensionsformen aufgebracht, kann auf einfache Weise ein unabsichtliches Entfernen der

Funktionspartikel von der Oberfläche des Bandes vor dem Walzen verhindert werden, da diese mit der flüssigen

Dispersion oder Suspension auf dem Band oder der Folie vorliegen. Darüber hinaus gelingt die Verteilung der

Funktionspartikel auf der Oberfläche des Bandes oder der Folie besonders einheitlich. Werden die Funktionspartikel in Pulverform auf das Band oder die Folie aufgebracht, kann beispielsweise das auf dem Band oder der Folie vorhandene Walzöl zum Anhaften der Funktionspartikel auf der Oberfläche des Bandes oder Folie genutzt werden. Walzöl ist ein während der mechanischen Verarbeitung der Bänder oder Folien ständig vorhandenes Medium, dessen Verhalten vor und nach dem Walzen sehr gut bekannt ist. Darüber hinaus werden keine

zusätzlichen Stoffe zum Aufbringen der Funktionspartikel auf das Band oder die Folie benötigt. Schließlich wird die oben aufgezeigte Aufgabe durch eine Verwendung eines erfindungsgemäßen Bandes oder einer

erfindungsgemäßen Folie zur Herstellung von elektrischen Strom führenden Leitern und/oder thermisch hochleitfähigen Bauteilen gelöst.

Als thermisch hochleitfähige Bauteile werden bevorzugt

Solarabsorber unter Verwendung eines erfindungsgemäßen Bandes oder einer erfindungsgemäßen Folie hergestellt. Prinzipiell können aber auch Wärmetauscher und andere die gute thermische Leitfähigkeit von Aluminium ausnutzende Bauteile aus einem erfindungsgemäßen Band oder einer erfindungsgemäßen Folie hergestellt werden. Elektrische Kontakte, Batterieelektroden, elektrische Leiterplatten sind weitere Produkte, welche durch die Verwendung des erfindungsgemäßen Bandes oder der

erfindungsgemäßen Folie hergestellt werden können und

deutliche Vorteile in Bezug auf die elektrische Leitfähigkeit der Aluminium- oder Aluminiumlegierungsteile der erwähnten Produkte aufweisen.

Die Erfindung soll nun im Weiteren durch Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert werden. Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1 eine Schnittansicht eines ersten

Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen

Bandes

Fig. 2 den Ausschnitt A aus Fig. 1 in vergrößerter

Darstellung,

Fig . 3 in einer perspektivischen Darstellung ein zweites

Ausführungsbeispiel mit einer texturierten

Oberfläche und Fig. 4 in einer schematischen Darstellung eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Fig. 1 zeigt zunächst in einer schematischen Schnittansicht ein Ausführungsbeispiel des Bandes 1, welches auf beiden

Seiten eine Oxidschicht 2 aufweist. In die obere Oxidschicht 2 sind thermisch und/oder elektrisch hochleitfähige

Funktionspartikel 3 eingearbeitet, welche die Oxidschicht 2 teilweise durchdringen. Das in Fig. 1 dargestellte

Ausführungsbeispiel eines Bandes 1 weist einseitig

eingebrachte Funktionspartikel auf. Selbstverständlich ist denkbar, in beiden Oxidschichten des Bandes 1 hochleitfähige Funktionspartikel 3 vorzusehen. Die hochleitfähigen

Funktionspartikel 3 stehen im Kontakt mit dem Kernmaterial la des Bandes 1, so dass beispielsweise bei einer Stromführung die Funktionspartikel 3 den elektrischen Strom ohne Probleme in den Kernbereich des Bandes la, welcher eine sehr gute Leitfähigkeit besitzt, weiterleiten. Die Aluminiumoxidschicht 2 spielt dann für die elektrische und/oder thermische

Leitfähigkeit des erfindungsgemäßen Bandes 1 oder der erfindungsgemäßen Folie keine Rolle mehr. Das

erfindungsgemäße Band 1 kann beispielsweise eine Dicke von 15mm bis 0,1mm aufweisen. Erfindungsgemäße Folien haben dagegen Dicken von ΙΟΟμπι bis 10pm.

Wie in der den Ausschnitt A vergrößernden Fig.2 zu erkennen ist, sind als thermisch und/oder elektrisch hochleitfähige Funktionspartikel nanoskalierte Karbonröhrchen, sogenannte "carbon nanotubes" (CNT) verwendet worden. Es hat sich gezeigt, dass insbesondere nanoskalierte Karbonröhrchen oder Karbonfasern ohne weiteres durch Walzen in das Band oder die Folie eingebracht werden können, so dass diese die immer vorhandene Oxidschicht 1 zumindest teilweise durchdringen und darüber hinaus eine feste Verbindung mit dem Kern la des Bandes oder der Folie aufweisen. Mit dem erfindungsgemäßen Band oder der erfindungsgemäßen Folie stehen damit im

Hinblick auf deren elektrische und/oder thermische

Leitfähigkeit deutlich verbesserte Bänder oder Folien zur Verfügung .

Wie bereits zuvor erläutert können die thermisch und/oder elektrisch hochleitfähigen Funktionspartikel auch während des Dressierwalzens in das Band oder die Folie eingearbeitet werden. Als Resultat ergibt sich ein wie in Fig. 3

schematisch dargestelltes Band mit einer Oberflächentextur, in welcher die thermisch und/oder elektrisch hochleitfähigen Funktionspartikel angeordnet sind. Die Oberflächenstruktur 4 ist damit thermisch und/oder elektrisch hochleitfähig .

Fig. 4 zeigt in einer schematischen Darstellung ein

Herstellverfahren für das erfindungsgemäße Band oder die erfindungsgemäße Folie. Schematisch dargestellt sind

Arbeitswalzen 5, welche das Band 1 in seiner Dicke

reduzieren. Über eine Vorrichtung 6 werden beispielsweise in Suspensions- oder Dispersionsform thermisch und/oder

elektrisch hochleitfähige Funktionspartikel 3 auf das Band gebracht bzw. auf der Oberfläche des Bandes verteilt. Das aufbringender Funktionspartikel 3 kann aber auch in

Pulverform geschehen. Sind die Funktionspartikel auf dem Band verteilt, werden diese über die Arbeitswalzen 5 in die

Oberflächenschicht derart eingearbeitet, dass diese die Oxidschicht zumindest teilweise durchdringen. In Fig. 4 ist der Einfachheit halber die Oxidschicht nicht dargestellt. Die Arbeitswalzen 5 können beispielsweise Arbeitswalzen eines Warmwalz-, eines Kaltwalz- oder eines Dressierwalzgerüsts sein .

Claims

Patentan sprüche

1. Band oder Folie (1) bestehend aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, welches bzw. welche eine äußere Oxidschicht (2) aufweist,

wobei ein- oder beidseitig auf dem Band oder der Folie thermisch und/oder elektrisch hochleitfähige

Funktionspartikel (3) angeordnet sind, welche die

Oxidschicht (2) des Bandes oder der Folie (1) zumindest teilweise durchdringen,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s als Funktionspartikel (3) elektrisch und/oder thermisch hochleitfähige Nanoröhrchen, nanoskalierte Karbonröhrchen (CNT) und/oder Karbonfasern vorgesehen sind.

2. Blech hergestellt aus einem Band nach Anspruch 1.

3. Verfahren zur Herstellung eines Bandes oder einer Folie nach Anspruch 1,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s als Funktionspartikel (3) elektrisch und/oder thermisch hochleitfähige Nanoröhrchen, nanoskalierte Karbonröhrchen (CNT) und/oder Karbonfasern vorgesehen sind und die Funktionspartikel (3) mechanisch in die Oberfläche des Bandes oder der Folie (1) eingebracht werden. Verfahren nach Anspruch 3,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s vor dem mechanischen Einbringen der thermisch und/oder elektrisch hochleitfähigen Funktionspartikel (3) in die Oberfläche des Bandes (1) oder der Folie ein

Haftvermittler oder ein Primer auf das Band oder die Folie aufgetragen wird.

Verfahren nach Anspruch 3 oder 4,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s die thermisch und/oder elektrisch hochleitfähigen

Funktionspartikel (3) in die Oberfläche des Bandes oder der Folie eingewalzt werden.

Verfahren nach Anspruch 5,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s das Einwalzen der thermisch und/oder elektrisch

hochleitfähigen Funktionspartikel (3) durch Warmwalzen, Kaltwalzen und/oder durch Dressierwalzen erfolgt.

Verfahren nach Anspruch 5 oder 6,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s vor dem Einwalzen der thermisch und/oder elektrisch hochleitfähigen Funktionspartikel (3) eine

Oberflächenstruktur (4) in das Band oder die Folie eingebracht wird und die thermisch und/oder elektrisch hochleitfähigen Funktionspartikel (3) auf der texturierten Oberflächenschicht verteilt und anschließend eingewalzt werden .

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7,

Funktionspartikel in ein bis zehn Walzschritten in die Oberfläche des Bandes oder der Folie (1) eingewalzt werden .

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 8,

Funktionspartikel (3) vor dem mechanischen Einbringen in die Oberfläche in Dispersions-, Suspensions- oder

Pulverform auf der Oberfläche des Bandes oder der Folie (1) aufgebracht werden.

10. Verwendung eines Bandes oder einer Folie nach Anspruch 1 zur Herstellung von elektrischen Strom führenden Leitern und/oder thermisch hochleitfähigen Bauteilen.

11. Verwendung nach Anspruch 10,

d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s das Band oder die Folie zur Herstellung von elektrischen Kontakten, Batterieelektroden, elektronischen

Leiterplatten, Solarabsorbern, Wärmetauscher verwendet wird .