Metall-Carbon-Verbunde für funktionelle Anwendungen

Metall-Kohlenstoff-Verbunde Metall-Carbon-Verbunde für funktionelle Anwendungen

23.01.2012 | Autor / Redakteur: Thomas Weißgärber, Thomas Hutsch und Bernd Kieback / Kirsten Nähle

Pulvermetallurgisch eingebrachter Kohlenstoff in Metallmatrices bietet die Möglichkeit zur passiven Kühlung und Schwingungsdämpfung sowie zur Festigkeitssteigerung bei hervorragender elektrischer Leitfähigkeit. Je nach Modifikation sind vielfältige Anwendungsgebiete möglich.

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Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM)

Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angew. Materialforschung -IFAM-

Kohlenstoffnanoröhren unterschiedlicher Hersteller werden zu dispergierfähigen Kohlenstoffnanoröhren aufbereitet. (Bild: Fraunhofer-IFAM)

Pulvermetallurgisch hergestellte Carbon Composites bestehen vorrangig aus einem Metall als Matrix und Kohlenstoff als Verstärkungskomponente. Dabei bildet Kohlenstoff in den Modifikationen Diamant, Graphit, Kohlenstoffnanoröhren, Graphen und Fulleren das Forschungsgebiet am Fraunhofer-IFAM Dresden.

Kohlenstoffmodifikation bestimmt Dimension

Die aufgrund der intrinsischen Eigenschaften der jeweiligen Modifikation möglichen Anwendungsgebiete sind vielfältig. Grundsätzlich muss beachtet werden, dass mithilfe von Diamanten dreidimensional isotrope, mit Graphit zweidimensionale und mit Kohlenstoffnanoröhren eindimensionale Eigenschaften erzeugt werden (Bild 1 – siehe Bildergalerie).

Bildergalerie

Bild 1: Gefüge von ausgewählten Carbon-Composites und zugehörige Kohlenstoffausrichtung: a) Metall-Diamant-Verbundwerkstoffe, dreidimensionale Ausrichtung; b) Metall-Graphit-Verbundwerkstoffe, zweidimensionale Ausrichtung; c) Metall-Kohlenstoffnanoröhren-Verbundwerkstoffe, eindimensionale Ausrichtung.

Bild 2: Überblick über die Werkstoffe für das thermische Management: Aufgrund des angepassten Volumengehalts an Diamant wird der thermische Ausdehnungskoeffizient reduziert und gleichzeitig die thermische Leitfähigkeit gegenüber der reinen Matrix erhöht.

Bild 3: Mechanische Charakterisierung und Bruchfläche: Kupfer-Kohlenstoffnanoröhren-Zugstab während mechanischer Prüfung; und...

Bild 4: ... Bruchfläche von Kupfer-Kohlenstoffnanoröhren-Verbundwerkstoffen mit 5 Vol.-% CNT. (Bild: Fraunhofer-IFAM)

Bildergalerie mit 11 Bildern

Am Blick in das Gefüge lässt sich dies anhand der vorliegenden Ausrichtung der eingebrachten Kohlenstoffmodifikation nachvollziehen. So können die Metall-Diamant-Verbundwerkstoffe zur passiven Kühlung, beispielsweise von Diodenlasern, IGBT-Modulen (Insulated Gate Bipolar Transistor) oder CPUs (Central Processing Units), eingesetzt werden [1, 2]. Durch den angepassten Volumengehalt an Diamant wird der thermische Ausdehnungskoeffizient reduziert und gleichzeitig die thermische Leitfähigkeit gegenüber der reinen Matrix erhöht (Bild 2). Gleichzeitig ist der Erhalt der elektrischen Leitfähigkeit gegeben (Bild 5).

Graphit in Metall-Graphit-Verbundwerkstoffen zweidimensional ausgerichtet

Bei Metall-Graphit-Verbundwerkstoffen wird aufgrund der Herstellung durch uniaxiales Heißpressen der Graphit zweidimensional ausgerichtet. Resultierend können die Eigenschaften des Verbundwerkstoffes hinsichtlich thermischer Leitfähigkeit und thermischer Ausdehnungskoeffizienten, Körperschalldämpfung und tribologischen Verhaltens eingestellt werden [3] (Bild 4).

Metall-Kohlenstoffnanoröhren-Verbundwerkstoffe bilden einen weiteren Schwerpunkt der Forschungs- und Entwicklungsarbeiten am Fraunhofer-IFAM Dresden. Hier stehen die Dispergierung der Kohlenstoffnanoröhren (CNT) und die Verbundwerkstoffherstellung im Vordergrund [4].

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