Untersuchungen über Metall-Matrix-Komposite mit Multi-Wall-Carbon-Nanotubes und Graphitfasern

Abstract

Neuartige Heat-Sinks für zukünftige elektronische Anwendungen erfordern Materialien, die sehr hohe thermische Leitfähigkeiten bei gleichzeitig sehr geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen. Durch die Entwicklung von Metall-Matrix-Kompositen kann versucht werden, dieses Optimierungsproblem zu lösen. Wegen seiner hohen Wärmeleitfähigkeit eignet sich Kupfer als Matrixmetall. Als Verstärkungskomponente bieten sich Werkstoffe aus Kohlenstoff an. Diese weisen neben sehr hohen Wärmeleitfähigkeiten sehr geringe Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Das trifft vor allem auf Carbon-Nanotubes bzw. pechbasierte Graphitfasern zu, die auch eine einfache Verarbeitbarkeit zulassen.<br />Die beiden Komponenten - die metallische Matrix und die Kohlenstoffverstärkung - sind jedoch weder ineinander löslich noch miteinander benetzbar. Es konnten trotz dieses Umstandes dichte, feste Werkstücke hergestellt werden. Dazu wurden stromlose, wässrige Verfahren zur Abscheidung feinverteilter Kupferpartikel zum Matrixaufbau eingesetzt. Um ein Interface zwischen den beiden Komponenten zu schaffen, wurden verschiedene Methoden von Abscheideverfahren bis zu Hochtemperaturbeschichtungen mit unterschiedlichen Metallen entwickelt und erprobt.<br />Es konnte gezeigt werden, dass sich die Nanotubes aufgrund ihrer Neigung, stark verfilzte Agglomerate zu bilden, nicht für die Herstellung dieser Metall-Matrix-Komposite eignen. Bei Graphitfasern war es jedenfalls möglich, Interfaces zu erzeugen, die zwar in thermischer Hinsicht suboptimale Ergebnisse lieferten, die thermische Ausdehnung aber verringerten.<br />

Novel heat-sinks for future electronic applications require materials to have high thermal conductivites together with low coefficients of thermal expansion. Through the development of metal-matrix composites an attempt can be made to solve the emerging optimisation problem. Its high thermal conductivity qualifies copper as matrix metal. The strengthening component should be carbon based materials: They show very high thermal conductivities, low thermal expansions and a good machinability. Especially carbon nanotubes and pitch-based graphite fibers are suitable for this task.<br />There exist neither solubility nor wettability between these two components. Neithertheless compact samples could be produced by utilizing electroless deposition of fine copper particles. For enhancing the interface between the components, methods ranging from different deposition processes to high-temperature coatings with diverse metals were developed and tested.<br />It could be shown that their high tendency to agglomerate makes carbon nanotubes a material not suited for the production of metal-matrix composites. With graphite fibers it was possible to develop interfaces with thermally low results that reduce the thermal expansion to 10 ppm/K.<br />