Segl, J. (2017). Influence of the diamond surface modification on the thermophysical properties of metal/diamond composites [Dissertation, Technische Universität Wien]. reposiTUm. http://hdl.handle.net/20.500.12708/78997
E164 - Institut für Chemische Technologien und Analytik
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Date (published):
2017
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Number of Pages:
300
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Keywords:
Verbundwerkstoffe; Grenzfläche; Diamant
de
composite; interface; diamond
en
Abstract:
Die Leistungs-, Opto- und Mikroelektronikindustrie tendiert stetig hin zu höheren Leistungen bei gleichzeitiger Verringerung der Größe des elektronischen Geräts. Lokale Leistungsdichten werden so enorm angehoben und nähern sich denen eines Kernreaktors. Die Thermal Management Materialien, die heutzutage verwendet werden, sind nicht in der Lage, solche Energiemengen abzuführen. Es ist also offensichtlich, dass die Zeit für neue Materialien auf diesem Bereich des Thermal Mangements gekommen ist. Eines der Mitglieder dieser so genannten Thermal Management Materialien der 3. Generation, nämlich Diamant-Metall-Matrix-Verbundwerkstoffe (MMC), wurde in dieser Arbeit eingehend untersucht, um ein tieferes Verständnis dieser Materialklasse zu erlangen. Wie bei allen Kompositmaterialien diktiert die Schnittstelle zwischen dem Füllstoff (Diamant) und der Matrix (Metall) die Eigenschaften des MMC. Der Schlüssel zur Erzielung hoher Wärmeleitfähigkeiten ist daher die Optimierung der Metall-Diamant-Grenzfläche. Dies wurde in dieser Arbeit hauptsächlich dadurch erreicht, dass die Diamantoberflächenmodifikation durch verschiedene Diamantvorbehandlungen verändert wurde. Andere Ansätze, die in dieser Arbeit verwendet werden, umfassen das Legieren der Metallmatrix und Variationen der Herstellungsbedingungen. Die Diamantoberflächenmodifikation wurde durch nasschemische Behandlungen in H2SO4 und Königswasser sowie durch thermische Behandlungen mit verschiedenen Gasatmosphären durchgeführt. Die Änderung der Modifikation wurde durch Kontaktwinkel- und XPS Messungen von sowohl reinen Modellsystemen als auch Diamantpartikeln, wie sie für die Herstellung von MMCs verwendet wurden, untersucht. Bei einer geeigneten Behandlung der Diamanten konnte die Menge an O-terminierenden Gruppen, von denen angenommen wird, dass sie die Grenzfläche verstärken, fast um das zehnfache erhöht werden. Die so vorbehandelten Diamantpartikel wurden dann durch gasdruckunterstützte Flüssigmetallinfiltration in einen MMC verarbeitet und anschließend hinsichtlich ihrer thermischen Eigenschaften charakterisiert. Es konnte gezeigt werden, dass nicht nur die Diamantoberflächenmodifikation einen Einfluss auf die thermischen Eigenschaften hat, sondern auch die Rauhigkeit der Diamantoberfläche, die Menge an Legierungselement sowie die Herstellungsbedingungen signifikante Einflüsse auf diese Eigenschaften zeigen.
de
The power-, opto- and micro-electronic industries are all trending towards higher performances while decreasing the size of the electronic device, therefore driving local power densities up to values that are approaching the ones of a nuclear reactor. Thermal management materials used today are not capable of dissipating such amounts of energy. Hence it is evident, that the time for new thermal management materials to emerge has come. One of the members of these so called 3rd generation thermal management materials, namely diamondmetal matrix composites (MMC), was investigated in depth in this work in order to get a deeper understanding of this material class. As in all composite materials the interface between the filler (diamond) and the matrix (metal) is dictating the properties of the MMC. Therefore the key to getting high thermal conductivities is the optimization of the metal-diamond interface. This was done in this work mainly by changing the diamond surface modification by different diamond pre-treatments. Other approaches used in this work comprise alloying of the metal matrix and variations of the processing conditions. The diamond surface modification was done by wet-chemical treatments in H2SO4 and aqua regia, as well as by thermal treatments with various gas atmospheres. The change in modification was monitored by contact angle and XPS measurements of both clean model systems and diamond particles as used for the preparation of MMCs. Upon a proper treatment of the diamonds the amount of O-terminating groups, which are believed to strengthen the interface, could be almost increased tenfold. The prepared diamond particles were then incorporated into a MMC by gas pressure assisted liquid metal infiltration and subsequently characterized concerning their thermal properties. It could be shown, that not only the diamond surface modification shows an effect on the thermal properties but also the roughness of the diamond surface, the amount of alloying element as well as the processing conditions.
en
Additional information:
Abweichender Titel nach Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers Zusammenfassung in deutscher Sprache