Metall-Carbon-Verbunde für funktionelle Anwendungen

Anbieter zum Thema

Schages GmbH & Co.KG

MaSuB GmbH - Maschinen für die Schweißnahtvorbereitung und Blechbearbeitung

Thermacut GmbH

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

Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung (IFAM)

Elektrische Leitfähigkeit von Metall-Graphit-Verbundwerkstoffen etwa wie bei reinem Kupfer

Neben weiteren intrinsischen Eigenschaften der Kohlenstoffnanoröhren wie thermischer und elektrischer Leitfähigkeit sowie dem Emissions- und Absorptionsvermögen steht die herausragende Festigkeit im Vordergrund. Hier werden in Metallmatrices (Cu, Al, Fe) die Kohlenstoffnanoröhren homogen eingebracht, um eine Festigkeitssteigerung des Verbundwerkstoffes zu erzielen.

Im Fall von Kupfer kann die elektrische Leitfähigkeit in der Größenordnung von reinem Kupfer erhalten werden [5]. Kupfer-Kohlenstoffnanoröhren-Verbundwerkstoffe illustrieren beispielhaft die Vorgehensweise und die resultierenden Eigenschaften.

Ausrichtung der CNT kann je nach Verfahren gezielt eingestellt werden

Kohlenstoffnanoröhren unterschiedlicher Hersteller werden zu dispergierfähigen Kohlenstoffnanoröhren aufbereitet. Das anschließende ultraschallunterstützte Mischen von Kupferpulver mit dispergierfähigen CNT im wässrigen Medium ermöglicht es, homogene Pulvermischungen herzustellen.

Diese werden mithilfe von Heißpressen, Spark-Plasma-Sintern und heißisostatischem Pressen zu Halbzeugen mit einer Dichte größer 90% TD verdichtet. Eine weitere Formgebung ist beispielsweise durch Strangpressen und/oder Drahtziehen möglich.

Die Ausrichtung der CNT kann abhängig vom Herstellungsverfahren von dreidimensional bis hin zu eindimensional gezielt eingestellt werden. Die Metall-Kohlenstoffnanoröhren-Verbundwerkstoffe werden hinsichtlich Gefüge, mechanischen und thermophysikalischen Eigenschaften umfassend charakterisiert. Stranggepresste Kupfer-Kohlenstoffnanoröhren-Verbundwerkstoffe weisen parallel zur Strangpressrichtung eine Festigkeitssteigerung mit steigendem Volumengehalt an Kohlenstoffnanoröhren auf.

CNT brechen bei Erreichen ihrer Zugfestigkeit spröd

Durch Variation des CNT-Typs sind unterschiedliche Festigkeitssteigerungen bei vergleichbarem Volumengehalt an CNT erzielbar. Durch Einlagerung von 3,5 Vol.-% CNT in eine Kupfermatrix kann die Streckgrenze Rp0.2 auf 200% und die Zugfestigkeit Rm auf 125% im Vergleich zu reinem Kupfer (Rp0.2 = 70 MPa, Rm = 210 MPa) gesteigert werden. Die als Resultat der mechanischen Prüfung erzeugten Bruchflächen werden mittels Rasterelektronenmikroskopie hinsichtlich des Bruchbildes untersucht (Bild 3). Hier konnte gezeigt werden, dass aufgrund der homogenen Verteilung der Kohlenstoffnanoröhren diese bei Erreichen ihrer Zugfestigkeit spröd brechen, während die umgebende Kupfermatrix ein duktiles Bruchverhalten aufweist.

Die CNT brechen in der gleichen Ebene wie die Matrix, was ein Indiz dafür ist, dass die Matrix die Kraft auf die CNT überträgt. Bei der Messung der spezifischen elektrischen Leitfähigkeit ist die Anisotropie der Kupfer-Kohlenstoffnanoröhren-Verbundwerkstoffe erkennbar. Dabei ist die höhere Leitfähigkeit parallel zur Pressrichtung ein Indiz für die eindimensionale Ausrichtung der CNT. Der Einfluss unterschiedlicher CNT-Typen wird ebenfalls sichtbar. Bei einem Gehalt von 3,5 Vol.-% ist eine spezifische elektrische Leitfähigkeit vergleichbar mit reinem Kupfer einstellbar.

Literatur

• [1] Schubert, T.: Fabrication and Properties of Copper/Carbon Composites for Thermal Management Applications. Advanced Materials Research 59 (2009), S. 169-172.

• [2] Schubert, T.: Interfacial characterization of Cu/diamond composites prepared by powder metallurgy for heatsink applications. Scripta Materialia 58 (2008), S. 263–266.

• [3] Hutsch, T. et al.: Innovative Metal-Graphite Composites as Thermally Conducting Materials. World PM 2010 Florence, 10th – 14th October 2010. Vol. 5, S.. 361.

• [4] Weidmüller, H. et al.: Carbon-Nanofiber Reinforced Cu Composites Prepared by Powder Metallurgy. Journal of Korean Powder Metallurgy Institute 13 (2006) 5.

• [5] Hutsch, T. et al.: Herstellung und mechanische Eigenschaften von Kohlenstoffnanoröhren-Metall-Verbundwerkstoffen. 18. Symposium Verbundwerkstoffe und Werkstoffverbunde Chemnitz, 30. März - 01. April 2011. Band 41, S. 97-102.

* Dr.-Ing. Thomas Weißgärber leitet die Abteilung Sinter- und Verbundwerkstoffe im von Prof. Dr.-Ing. Bernd Kieback geleiteten Fraunhofer-Institut für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM, Institutsteil Dresden, 01277 Dresden; Dipl.-Ing. Thomas Hutsch arbeitet speziell auf dem Gebiet der Carbon Composites am Fraunhofer-IFAM Dresden

(ID:30709450)