Herstellung und thermophysikalische Eigenschaften von Cu Matrixverbundwerkstoffen mit Cu2O

Abstract

Ziel dieser Arbeit ist eine systematische Analyse der in-situ Bildung von fein verteilten Kupferoxiden während der Konsolidierung von Kupfer. Kupfer - Kupferoxidwerkstoffe ermöglichen die Einstellung massgeschneiderter thermophysikalischer Eigenschaften durch gezielte Variation des Oxidgehaltes. Es wurden verschiedene Kupferpulver, von Nanogrösse bis hin zu konventionellen Pulvern (60 nm - 30 µm) verwendet, mit Schwerpunkt auf dem 0,5 µm Pulver. Der Anteil an Kuprit wurde sowohl durch gezielte Wärmebehandlung der Pulver variiert, sowie durch Zumischen eines Kupferoxidpulvers. Die Ergbnisse wurden verglichen und die günstige Variante im Detail untersucht.<br />Die Experimente haben gezeigt, dass sich sowohl der E-Modul als auch die Zugfestigkeit und Streckgrenze mit Zunahme des Kupritanteils verschlechtern, die Härte jedoch steigt. Anhand von Lichtmikroskop und REM Analysen wurde zusätzlich die Mikrostruktur untersucht.<br />Der Schwerpunkt der Untersuchungen lag bei der Verbesserung der thermophysikalischen Eigenschaften. Durch eine Erhöhung des Anteils an Kuprit wurde der thermische Ausdehnungskoeffizient reduziert. Die thermische und elektrische Leitfähigkeit sinken allerdings. Durch gezielten Einsatz unterschiedlicher Herstellungsverfahren und Sinterbedingungen konnte eine optimale Kombination beider Eigenschaften erzielt werden.

The objective of this thesis is a systematic analysis of the in-situ formation of dispersed copper oxides during consolidation of copper powder. Copper-copper oxide components allow tailoring the thermophysical properties as a function of the copper oxide contents.<br />Different powders form nanoscale up to classical micronpowders (60 nm - 30 µm) have been used, with focus on the submicron-powder with 0.5 µm in diameter. The oxygen content, more precisely the cuprous oxide (Cu2O) content, was varied by heat treatments of the powder before the hot pressing. The other method was a simple mixture of pure copper powder with a certain amount of copper oxide powder. The experimental results showed that the Young's-modulus as well as the ultimate strain and ultimate strength decreases with increasing Cu2O content, whereas the hardness shows an increase at higher oxide content.<br />In the case of the "in-situ" oxidized samples they show better results in every aspect. Additionally to the mechanical and thermophysical studies, the microstructure of the hot pressed samples has been investigated.<br />The experiments revealed that the coefficient of thermal expansion (CTE) decreases with increasing oxide content, whereas the electrical and thermal conductivity similarely show a significant decrease at higher oxide contents. The in-situ oxidized samples display better results in most of their properties due to a more homogenous distribution and a smaller particle size of oxides phase.