EP3821045B1 - Verfahren zur herstellung eines werstoffverbundes, einen werkstoffverbund sowie eine verwendung des werkstoffverbundes als wärmeleiter sowie -überträger - Google Patents

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EP3821045B1
EP3821045B1 EP19735305.5A EP19735305A EP3821045B1 EP 3821045 B1 EP3821045 B1 EP 3821045B1 EP 19735305 A EP19735305 A EP 19735305A EP 3821045 B1 EP3821045 B1 EP 3821045B1
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EP
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composite
composite material
manufacturing
metal
carbon nanostructures
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Thomas Hutsch
Thomas WEISSGÄRBER
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Technische Universitaet Berlin
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Technische Universitaet Berlin
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Definitions

  • the heat flow between the surfaces does not only take place via the contact surfaces, but also via the gaps between the surfaces via radiation or thermal conduction or convection of the medium located in between.
  • TIMs Thermally conductive gels, pastes or other partly carbon-based materials are used as standard for this purpose, but these are usually not reusable and must be replaced when contact is made again.
  • the objective is to provide a reusable and effective interface for conducting and transferring heat between two surfaces.
  • the method according to the invention for producing a composite material for heat conduction basically comprises the following steps: producing a composite material, which extends along an axis of expansion, from carbon nanostructures anchored in a matrix of a first metal; dividing the composite material into segments, in particular by sawing, e.g. along or perpendicular to the axis of expansion of the composite material; arranging the segments in a plane of a die; Filling of free spaces in the matrix with a filling material, sintering in the matrix to form a composite material, exposing the carbon nanostructures of the composite material from at least one surface of the composite material, so that the carbon nanostructures protrude from this surface and partially remain anchored in the base material.
  • This method has the advantage that, on the one hand, the contact surface between two surfaces is enlarged due to the protruding carbon nanostructures and, on the other hand, an interface of such a material composite is releasably formed by carbon nanostructures stably integrated in the metal matrix.
  • Carbon nanostructures are understood below to mean structures such as round carbon nanoparticles, such as fullerenes and amorphous carbons, or layered carbon nanoparticles, such as graphene and nanoplatelets, or fibrous carbon nanoparticles, such as carbon nanotubes and carbon nanofibers.
  • the carbon nanostructures are preferably carbon nanotubes.
  • the invention thus enables an increase in the interface area and/or contact area of a releasable and reusable thermal interface, thereby increasing the heat flow between two surfaces.
  • the method preferably includes the following steps, which follow the sintering in the die: Shaping the sintered body by forming, e.g. by extrusion, ECAP (Equal Channel Angular Pressing) or rotary hammering, machining, and grinding the surface of the composite material, from which the carbon nanostructures are to be exposed.
  • ECAP Equal Channel Angular Pressing
  • rotary hammering machining
  • grinding grinding the surface of the composite material, from which the carbon nanostructures are to be exposed.
  • the composite material is preferably produced by powder metallurgy and comprises the following steps: production of a homogeneous powder mixture from a first metal and from carbon nanostructures, sintering the powder mixture to form a composite material, and extrusion of the composite material. Direct extrusion of the homogeneous powder mixture is also possible.
  • the filling material preferably has a higher thermal conductivity than the composite material. As a result, the overall thermal conductivity can be improved.
  • the filling material can be introduced by powder metallurgy and/or melt metallurgy methods.
  • the formerly embedded carbon nanostructures can be uncovered by etching away the uppermost metal layer on the end face, preferably over a length of up to 10 ⁇ m, more preferably up to 20-30 ⁇ m.
  • the carbon nanostructures protruding from the surface are still firmly anchored in the metal matrix.
  • Such a composite material 20 after extrusion is in figure 3 shown.
  • the carbon nanostructures 22 are exposed by etching away a first metal 24 on the surface. Due to the anchoring of the carbon nanostructures 22 in the first metal 24, preferably copper, the carbon nanostructures 22 cannot be detached so easily when corresponding contact layers 1 and 2 are separated. As a result, the composite 20 lends itself better to releasability and reusability of the interface.
  • the surface of the composite material 20 has areas made of the first metal 24, through which the carbon nanostructures 22 pierce or protrude from the surface.
  • the composite material 20 extends along an axis of expansion in the z-direction.
  • the side surface(s) of the composite material 20 are formed from the first metal 24 . However, this can also be etched away on the sides.
  • figure 4 12 now shows a schematic of a non-contacted thermal interface which, by way of example, has a metallic contact layer 1 on one side and on the other side a contact layer 2 made of a metal-carbon nanostructure composite material 20 produced as described above.
  • the carbon nanostructures 22 of the end face of the composite material 20 were exposed here by etching, for example.
  • figure 5 now shows schematically the contacted thermal interface of the figure 4 .
  • the number of contact points 3 is compared to the number of contact points 3 in figure 2 by the carbon nanostructures 22 embedded in the first metal 24 significantly increased.
  • figure 6 shows schematically a further exemplary embodiment of an interface that is not contacted according to the invention.
  • This now consists of two metal-carbon nanostructure composite materials 20 as described with exposed carbon nanostructures 22.
  • the carbon nanostructures 22 each touch the surface of the first metal 24 or the carbon nanostructures 22 of the other contact layer.
  • the thermal conductivity is increased even further.
  • carbon nanotubes 22 are shown purely by way of example. However, it can also be any other carbon nanostructure 22, such as round carbon nanoparticles, eg fullerenes and amorphous carbons, or layered carbon nanoparticles, eg graphene and nanoplatelets, or fibrous carbon nanoparticles, eg carbon nanofibers.
  • the carbon nanostructures are carbon nanotubes.
  • figure 7 shows schematically another possible arrangement of the thermal interface.
  • the surfaces with and without carbon nanostructures 22 on both sides of the thermal interface are arranged offset to one another.
  • the redetachability of the interface can be improved by the offset arrangement of the areas with and without carbon nanostructures on the two contact layers 1 and 2 .
  • the contact surfaces that can be produced and a possible shape of the thermal interface are limited in the process that leads to the composite material 20 .
  • a manufacturing method for producing a composite material is proposed, which makes it possible to mechanically and thermally connect interface elements that were produced using the method just described.
  • the contact area of an interface body can be increased and formed into arbitrary shapes.
  • interface rings can also be produced from segments of a circle.
  • FIG. 12 shows, by way of example and not by way of limitation, a rod-shaped composite material 20 with a cross-sectional area 26 made up of a segment of a circle after an extrusion step.
  • the cross-sectional area 26 of the rod-shaped composite material 20 can have any basic geometric shape, in particular a circular, trapezoidal, rectangular or square basic shape.
  • This bar extends along an axis of expansion z and is used in the example shown to produce segments of a circle figure 9 .
  • the carbon nanostructures 22 also extend out of a surface of the composite material 20 along the axis of expansion z.
  • the composite material 20 is preferably rod-shaped so that it can be easily partitioned, for example by sawing.
  • the bar resulting from the extrusion is divided into segments 30 of appropriate thickness, preferably but not limitingly sawn. These segments 30 are in figure 9 shown.
  • the shape and base area of the composite material 20 is not limited to the exemplary embodiment shown.
  • the base area can assume any desired shape, for example square, rectangular, circular, elliptical, etc.
  • a shell of first metal 24 can exist around the composite material 20 for production reasons, which can be removed by machining if necessary. However, this shell can also be used for further joining (eg by soldering).
  • the inner area can be filled with the filling material 130 in order to be used as a clamping surface for subsequent machining. After sintering, the composite material can be machined for final shaping.
  • segments of the composite in one plane, can be arranged in a die that can be used as a melt infiltration tool.
  • the die is then preheated to temperatures between 400 and 600° C., preferably in a vacuum.
  • the cavities between the segments are then filled with, for example, molten metal or a metal alloy, e.g. B. copper with a temperature between 1200 and 1300 ° C, for example under vacuum ( ⁇ 20 mbar) and infiltrated with a predetermined pressure.
  • the predetermined pressure can be between 50 MPa and 100 MPa, for example approximately 80 MPa.
  • the infiltration time can be between 35 and 50 seconds. This is followed by solidification under pressure.
  • the composite material can then be ejected from the die and further cooled in air.
  • figure 12 12 shows a representation of a machined, ground, and etched composite material 200 produced from the previous steps.
  • the composite material 200 is designed as a ring, for example, and has individual holes in the ring that can be used for attachment.
  • the final process steps are the grinding of the material composite surface, the result of which is figure 13 is shown, and etching to expose the carbon nanostructures ( 14 ).
  • the interface can be used both when the carbon nanostructures 22 are exposed on one side or on both sides of the contact surfaces. It can also be used against another solid.
  • the thermal conductivity of the composite material 200 can be adjusted as desired.
  • Metal-diamond or metal-graphite composite materials have a higher thermal conductivity than pure metal or than the metal-carbon nanostructure composite material 20.
  • the thermal conductivity of copper-diamond is up to 700 W/m K and that of copper-graphite up to 600 W/m K, while the thermal conductivity of pure copper is around 400 W/m K. Therefore, they can also be used for passive cooling. This can also be used specifically for this invention.
  • the filling material 130 for connecting the material composite can be substituted by a metal-diamond composite material.
  • Metal-diamond composite materials are characterized in all spatial directions by increased thermal conductivity compared to pure metal, which means that the total amount of heat to be transferred can be increased again.
  • the composite material 200 can be shaped and adapted in many ways.
  • figure 15 shows schematically a material composite 200 with a first portion 210 of the composite material 20, connected to form a body with a second portion 220, which is formed from a material with a lower, the same or higher thermal conductivity.
  • the connection can also be made by sintering or melt infiltration.
  • the material of the second section 220 can be placed in the die 100 together with the segments 30 of the composite material 20 .
  • Targeted thermal conduction paths can be formed by selecting the material of the second partial region 220 with a higher or lower thermal conductivity.
  • the rigidity and strength can also be increased as a result.
  • a more complex embodiment of a composite material 200 is in figure 16 shown.
  • the composite material 200 here consists of two layers of different materials.
  • a third section 230 may be positioned below the composite material 20 and have a lower thermal conductivity than the composite material 20 of the first section 210 .
  • the fourth section 240 can have the same or preferably higher thermal conductivity, as a result of which the heat is dissipated laterally.
  • FIG 17 shows a method according to the invention for producing a composite material.
  • a composite material 20 is first produced from carbon nanostructures 22 anchored in a matrix of a first metal 24.
  • the composite material 20 extends along an axis of expansion z.
  • the carbon nanostructures 22 also extend along the expansion axis z of the composite material 20.
  • the composite material 20 is divided into segments 30, preferably cut segments 30.
  • FIG. The segments 30 are then arranged in at least one plane in a matrix 100 S300.
  • a composite material 200 is then formed S400. This can be done by filling S410 of free spaces in the die 120 with a filling material 130 and subsequent sintering S420 in the die 100 . Alternatively, this can also be done by melt infiltration S430 in the die 100.
  • the carbon nanostructures 22 are then uncovered from at least one surface of the composite material 200, so that the carbon nanostructures 22 protrude from this surface.
  • thermal interface materials TIM
  • heat transfer materials TIM
  • a composite material can be produced by sintering for the local integration of the thermally active interface surface in a metal, a metal alloy and/or a composite material (metal/diamond, metal/graphite).
  • Targeted thermally active interface surfaces can also be formed from metal/carbon nanostructures composite material for heat transfer and a material with lower thermal conductivity (ceramic, metal, metal alloys and composites) than the composite material to form targeted thermal conduction paths (thermal partitioning).
  • the thermally active interface area can be regenerated by targeted etching and can be adapted to contours.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffverbundes, einen Werkstoffverbund sowie eine Verwendung des Werkstoffverbundes als Wärmeleiter sowie Wärmeüberträger.
  • Überall dort, wo bei elektronischen Bauteilen Wärme in der Folge einer Verlustleistung anfällt, muss diese auch abgeführt werden, um ein Überhitzen der Bauteile zu vermeiden. Im Stand der Technik existiert eine Vielzahl an Anwendungen, die von einem gesteigerten Wärmefluss zwischen zwei Oberflächen profitieren. Speziell in Raumfahrzeugen, in denen aufgrund der Umweltbedingungen keine Konvektion stattfinden kann, ist der leitungsgebundene Wärmetransport speziell zwischen zwei Oberflächen entscheidend. Durch eine erhöhte thermale Anbindung der Komponenten an den restlichen Satellitenbus und insbesondere an Radiatoren lässt sich die Temperatur in den Komponenten besser regeln. Werden Oberflächen miteinander verbunden, so entsteht ein Wärmefluss zwischen diesen in Abhängigkeit unter anderem der Kontaktfläche, der Rauigkeit, der Anpresskraft und der Materialeigenschaften. Die effektive Kontaktfläche reduziert sich dabei deutlich, da die Oberflächen mikroskopisch gesehen nicht flach sind. Dies ist in den Figuren 1 und 2 anhand zweier verschiedener Kontaktschichten 1 und 2 dargestellt. Eine Möglichkeit, diese Fläche zu vergrößern, ist das Polieren bzw. Läppen der Oberfläche, jedoch bleibt auch dann eine mikroskopische Restrauigkeit erhalten.
  • Der Wärmefluss zwischen den Oberflächen findet jedoch nicht nur über die Kontaktflächen, sondern auch über die Lücken zwischen den Oberflächen über Strahlung bzw. thermale Leitung oder Konvektion des dazwischen befindlichen Mediums statt. Allerdings gibt es im Vakuum jedoch keine konvektive Wärmeleitung.
  • Um die Wärmeleitung zwischen zwei Oberflächen zu erhöhen wurden bis jetzt verschiedene "Thermal Interface Materials (TIMs)" entwickelt, welche in die Lücken gefüllt werden. Standardmäßig werden hierfür wärmeleitfähige Gele, Pasten oder andere teils auf Kohlenstoff basierende Materialien verwendet, welche in der Regel jedoch nicht wiederverwendbar sind, sondern beim erneuten Kontaktieren ausgetauscht werden müssen.
  • Der Einsatz von Kohlenstoffnanostruktur-Arrays als Thermal Interface Materials bietet sich an, da die Kohlenstoffnanostrukturen, bevorzugt Kohlenstoffnanoröhren (CNT), entlang ihrer Wachstumsrichtung eine Wärmeleitfähigkeit von bis zu 3500 W/m K aufweisen. Eine solche Option für eine Schnittstelle auf Basis von Kohlenstoffnanoröhren als "Thermal Interface Materials" bietet das Patent US 7,416,019 . Bei diesem werden die Kohlenstoffnanoröhren auf der Oberfläche befestigt bzw. auf der Oberfläche eines Metalls gewachsen. Die EP 1 806 417 A1 offenbart einen Verbundwerkstoff zweier Metalle mit eingebetteten Nanostrukturen.
  • Die Aufgabe besteht darin, eine wiederverwendbare und effektive Schnittstelle zur Wärmeleitung sowie -übertragung zwischen zwei Oberflächen zur Verfügung zu stellen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffverbundes zur Wärmeleitung umfasst grundsätzlich folgende Schritte: Herstellen eines Verbundwerkstoffes, der sich entlang einer Ausdehnungsachse erstreckt, aus in einer Matrix eines ersten Metalls verankerten Kohlenstoffnanostrukturen; Unterteilen des Verbundwerkstoffes in Segmente, insbesondere durch Sägen, z.B. entlang oder senkrecht der Ausdehnungsachse des Verbundwerkstoffes; Anordnen der Segmente in einer Ebene einer Matrize; Auffüllen von Freiräumen in der Matrize mit einem Auffüllmaterial, Sintern in der Matrize zu einem Werkstoffverbund, Freilegen der Kohlenstoffnanostrukturen des Verbundwerkstoffes aus mindestens einer Oberfläche des Werkstoffverbundes, so dass die Kohlenstoffnanostrukturen aus dieser Oberfläche herausragen und teilweise noch im Grundwerkstoff verankert bleiben.
  • Dieses Verfahren hat den Vorteil, dass zum Einen infolge der herausragenden Kohlenstoffnanostrukturen die Kontaktfläche zwischen zwei Oberflächen vergrößert wird und zum Anderen durch stabil in der Metallmatrix eingebundenen Kohlenstoffnanostrukturen eine Schnittstelle aus einem solchen Werkstoffverbund wiederlösbar ausgebildet ist.
  • Unter Kohlenstoffnanostrukturen werden im Folgenden Strukturen wie runde Kohlenstoffnanopartikel, wie z.B. Fullerene und amorphere Kohlenstoffe, oder schichtförmige Kohlenstoffnanopartikel, wie z.B. Graphen und Nanoplatelets, oder faserförmige Kohlenstoffnanopartikel, wie z.B. Kohlenstoffnanoröhren und Kohlenstoffnanofasern, verstanden. Bevorzugt sind die Kohlenstoffnanostrukturen Kohlenstoffnanoröhren.
  • Die Erfindung ermöglicht somit eine Vergrößerung der Schnittstellenfläche und/oder Kontaktfläche einer wiederlösbaren und wiederverwendbaren thermalen Schnittstelle, wodurch der Wärmefluss zwischen zwei Oberflächen vergrößert wird.
  • Die Kohlenstoffnanostrukturen können sich zufällig verteilt in dem Metall erstrecken. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel erstrecken sich die Kohlenstoffnanostrukturen entlang der Ausdehnungsachse des Verbundwerkstoffes. Nach dem Freilegen der Kohlenstoffnanostrukturen ragen diese somit bevorzugt in eine Richtung orientiert aus der Oberfläche des Verbundwerkstoffes heraus. Dies ermöglicht einen verbesserten Kontakt, einen verbesserten Wärmetransport und eine verbesserte Wiederverwendbarkeit der Schnittstelle.
  • Der Verbundwerkstoff kann insbesondere ein stabförmiger Verbundwerkstoff sein und die Querschnittsfläche des stabförmigen Verbundwerkstoffes kann eine beliebige geometrische Grundform aufweisen, insbesondere eine kreisförmige, trapezförmige, rechteckige oder quadratische Grundform oder aus Kreissegmenten gebildet sein.
  • Bevorzugt umfasst das Verfahren folgende Schritte, die sich an das Sintern in der Matrize anschließen: Die Formgebung des gesinterten Körpers durch Umformen, z.B. durch Strangpressen, ECAP (Equal Channel Angular Pressing) oder Rundhämmern, spanende Bearbeitung, und das Schleifen der Oberfläche des Verbundwerkstoffs, aus der die Kohlenstoffnanostrukturen freizulegen sind.
  • Das Herstellen des Verbundwerkstoffes erfolgt bevorzugt pulvermetallurgisch und umfasst folgende Schritte: Herstellen einer homogenen Pulvermischung aus einem ersten Metall und aus Kohlenstoffnanostrukturen, Sintern der Pulvermischung zu einem Verbundwerkstoff, und Strangpressendes Verbundwerkstoffes. Auch ein direktes Strangpressen des homogenen Pulvergemisches ist möglich.
  • Die Kohlenstoffnanostrukturen sind bevorzugt auf einer Länge von 5-30µm, noch bevorzugter 10-20µm freigelegt.
  • Das erste Metall ist bevorzugt Kupfer. Es kann aber auch jedes andere Metall verwendet werden.
  • Es wird demnach erfindungsgemäß eine Vergrößerung der Schnittstellenfläche und/oder Kontaktfläche einer wiederlösbaren und wiederverwendbaren thermalen Schnittstelle zur Vergrößerung des Wärmeflusses zwischen zwei Oberflächen aus Metall-Kohlenstoff-Verbundwerkstoffen insbesondere von Kupfer - Kohlenstoffnanostrukturen durch die Bildung eines Werkstoffverbundes vorgeschlagen, insbesondere durch Kupfer oder Kupfer - Kohlenstoffverbundwerkstoffe für verschiedene Atmosphären, bevorzugt im Vakuum im Druckbereich kleiner 1*10^(-2) mbar.
  • Das Auffüllmaterial weist bevorzugt eine höhere Wärmeleitfähigkeit als der Verbundwerkstoff auf. Dadurch kann die Wärmeleitfähigkeit insgesamt verbessert werden. Das Auffüllmaterial kann durch pulvermetallurgische und/oder schmelzmetallurgische Methoden eingebracht werden.
  • Das Auffüllmaterial umfasst insbesondere ein zweites Metall. Dieses kann Kupfer sein. Das Auffüllmaterial kann ein Metall-Kohlenstoff Verbundwerkstoff sein. Möglich sind Metall-Diamant Verbundwerkstoff, bevorzugt Kupfer-Diamant, oder ein Metall-Graphit Verbundwerkstoff, bevorzugt Kupfer-Graphit. Diese Materialien eignen sich besonders für die Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit.
  • In einem Ausführungsbeispiel kann in der Ebene des Verbundwerkstoffes mindestens eine erste Schicht aus mindestens einem anderen Material in die Matrize eingebracht werden. Alternativ oder zudem kann vor dem Schritt des Einbringens der Segmente in die Matrize die Matrize bereits mit mindestens einer zweiten Schicht aus mindestens einem anderen Material gefüllt sein und darauf die Segmente angeordnet werden. Die ersten und zweiten Schichten weisen bevorzugt eine gegenüber dem Verbundwerkstoff höhere Wärmeleitfähigkeit auf.
  • Hierdurch kann eine Schnittstelle aus dem Werkstoffverbund speziell an Dimensionen von Komponenten und Anforderungen an die Wärmeleitfähigkeit angepasst werden.
  • Ferner umfasst die Erfindung einen Werkstoffverbund, der nach der Erfindung wie oben beschrieben hergestellt wurde.
  • Des Weiteren wird eine Verwendung eines Werkstoffverbundes gemäß der Erfindung als Wärmeleit- und Wärmeüberträgermaterial vorgeschlagen.
  • Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:
    • Fig. 1
    zeigt schematisch eine nicht kontaktierte thermale Schnittstelle des Standes der Technik, welche aus zwei Kontaktschichten besteht,
    Fig. 2
    zeigt schematisch eine kontaktierte thermale Schnittstelle des Standes der Technik der Figur 1,
    Fig. 3
    zeigt den erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff nach einem Strangpressen mit freigelegten Kohlenstoffnanostrukturen,
    Fig. 4
    zeigt schematisch eine nicht kontaktierte thermale Schnittstelle mit einem erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff in einem ersten Ausführungsbeispiel,
    Fig. 5
    zeigt schematisch eine kontaktierte thermale Schnittstelle der Figur 4,
    Fig. 6
    zeigt schematisch ein zweites Ausführungsbeispiel einer nicht kontaktierten thermalen Schnittstelle gemäß der Erfindung,
    Fig. 7
    zeigt schematisch eine weitere mögliche Anordnung einer thermalen Schnittstelle gemäß der Erfindung,
    Fig. 8
    zeigt beispielhaft einen möglichen Stab des Verbundwerkstoffes nach dem Strangpressen,
    Fig. 9
    zeigt ein zugeschnittenes Segment des stranggepressten Verbundwerkstoffes,
    Fig. 10
    zeigt beispielhaft die Anordnung mehrerer Segmente in der Matrize in Vorbereitung auf das Sintern,
    Fig. 11
    zeigt einen durch das Sintern mechanisch und thermische verbundene Werkstoffverbund gemäß der Erfindung,
    Fig. 12
    zeigt eine beispielhafte/schematische Darstellung eines spanend bearbeiteten, geschliffenen und geätzten erfindungsgemäßen Werkstoffverbundes,
    Fig. 13
    zeigt ein Foto eines hergestellten und geschliffenen Werkstoffverbundes,
    Fig. 14
    zeigt ein Foto eines zum Verifizieren des Verfahrens hergestellten, geschliffenen und geätzten Werkstoffverbundes,
    Fig. 15
    zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Ausführung einer thermalen Schnittstelle verbunden zu einem Körper mit einem Material mit geringerer, gleicher oder höherer thermaler Leitfähigkeit,
    Fig. 16
    zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Ausführung einer thermalen Schnittstelle (21) verbunden zu einem Körper mit einem Material mit geringerer thermaler Leitfähigkeit und gleicher oder höherer Wärmeleitfähigkeit an mehreren Stellen zur Bildung von gezielten Wärmeleitpfaden,
    Fig. 17
    zeigt schematisch das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffverbundes.
  • In der Figur 1 ist eine nicht kontaktierte thermale Schnittstelle des Standes der Technik gezeigt. Die thermale Schnittstelle besteht hier beispielsweise und nicht beschränkend aus je einer metallischen Kontaktschicht 1 und 2, die jeweils sich zugewandte mikroskopisch angeraute Oberflächen aufweisen. Bringt man diese beiden Oberflächen zur Kontaktierung zusammen, wie in Figur 2 gezeigt, ergibt sich eine effektive Fläche zur kontaktgebundenen Wärmeübertragung aus der Summe der Kontaktpunkte 3 zwischen den Kontaktschichten 1 und 2. Über die Lücken 4 zwischen den Kontaktpunkten 3 lässt sich die Wärme nur mittels Strahlung oder Konvektion des eingeschlossenen Mediums übertragen. Im Vakuum kann aber Konvektion nicht erfolgen.
  • Daher wird erfindungsgemäß ein Werkstoffverbund aus Metall-Kohlenstoff Verbundwerkstoffen vorgeschlagen, insbesondere aus Kupfer und Kohlenstoffnanostrukturen, wie z.B. aber nicht beschränkend Kohlenstoffnanoröhren. In dem Verbundwerkstoff sind die Kohlenstoffnanostrukturen in der Matrix eines Metalls verankert. Sie ragen dabei aus einer Oberfläche heraus und sind somit als "Thermal Interface Materials (TIM)" für eine thermale Schnittstelle einsetzbar.
  • Der Metall-Kohlenstoff Verbundwerkstoff wird dabei pulvermetallurgisch hergestellt. Ein erstes Metall dient als Matrix und der Kohlenstoff vornehmlich als Verstärkungskomponente. Vorteilhafterweise ergeben sich in Folge verschiedene Möglichkeiten der anschließenden Formgebung des Verbundwerkstoffes. Beispielhafterweise aber nicht beschränkend kann nach der Herstellung einer homogenen Pulvermischung dem Metall-Kohlenstoffnanostrukturen-Verbundwerkstoff insbesondere mit Strangpressen eine Form gegeben werden. Dabei werden die Kohlenstoffnanostrukturen, bevorzugt Kohlenstoffnanoröhren, nahezu parallel zur Strangpressrichtung eindimensional ausgerichtet. Nach dem Strangpressen lassen sich die Verbundwerkstoffe ganz normal spanend bearbeiten. Die Oberfläche kann also auf die für die thermale Schnittstelle geeignete Form und durch Verfahren wie Läppen auf eine Rautiefe von bis 10 µm, bevorzugt bis zu 1µm und niedriger gebracht werden.
  • Durch ein Wegätzen der obersten Metallschicht an der Stirnfläche können die ehemals eingebetteten Kohlenstoffnanostrukturen freigelegt werden, bevorzugt auf einer Länge bis zu 10µm, noch bevorzugter bis zu 20-30µm. Die so aus der Oberfläche herausragenden Kohlenstoffnanostrukturen sind immer noch fest in der Metallmatrix verankert. Ein solcher Verbundwerkstoff 20 nach dem Strangpressen ist in Figur 3 gezeigt. Die Kohlenstoffnanostrukturen 22 sind nach dem Strangpressen durch Wegätzen eines ersten Metalls 24 an der Oberfläche freigelegt. Durch die Verankerung der Kohlenstoffnanostrukturen 22 in dem ersten Metall 24, bevorzugt Kupfer, lassen sich die Kohlenstoffnanostrukturen 22 nicht so leicht bei Trennung von entsprechenden Kontaktschichten 1 und 2 ablösen. Infolgedessen eignet sich der Verbundwerkstoff 20 besser für eine Wiederlösbarkeit und Wiederverwendbarkeit der Schnittstelle. Die Oberfläche des Verbundwerkstoffs 20 weist Bereiche aus dem ersten Metall 24 auf, durch welche die Kohlenstoffnanostrukturen 22 hindurchstoßen bzw. aus der Oberfläche herausragen. In Figur 3 erstreckt sich der Verbundwerkstoff 20 entlang einer Ausdehnungsachse in z-Richtung. Die Seitenfläche(n) des Verbundwerkstoffs 20 sind aus dem ersten Metall 24 gebildet. Dieses kann aber auch an den Seiten weggeätzt werden.
  • Figur 4 zeigt nun schematisch eine nicht kontaktierte thermale Schnittstelle, welche beispielhaft eine metallische Kontaktschicht 1 auf der einen Seite besitzt und auf der anderen Seite eine Kontaktschicht 2 aus einem wie oben beschrieben hergestellten Metall-Kohlenstoffnanostrukturen-Verbundwerkstoff 20 besteht. Die Kohlenstoffnanostrukturen 22 der Stirnfläche des Verbundwerkstoffes 20 wurden hier beispielhaft durch Ätzen freigelegt. Figur 5 zeigt schematisch nun die kontaktierte thermale Schnittstelle der Figur 4. Die Anzahl der Kontaktpunkte 3 wird dabei im Vergleich zu der Anzahl an Kontaktpunkten 3 in Figur 2 durch die Kohlenstoffnanostrukturen 22, eingebettet in dem ersten Metall 24 deutlich erhöht.
  • Figur 6 zeigt schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen nicht kontaktierten Schnittstelle. Diese besteht nun aus je zwei wie beschriebenen Metall-Kohlenstoffnanostrukturen-Verbundwerkstoffen 20 mit freigelegten Kohlenstoffnanostrukturen 22. Im kontaktierten Zustand berühren die Kohlenstoffnanostrukturen 22 jeweils die Oberfläche aus dem ersten Metall 24 bzw. die Kohlenstoffnanostrukturen 22 der anderen Kontaktschicht. Somit wird die Wärmeleitfähigkeit noch weiter erhöht. In Figur 6 sind rein beispielhaft Kohlenstoffnanoröhren 22 gezeigt. Jedoch kann es sich auch im jede andere Kohlenstoffnanostruktur 22 handeln, wie runde Kohlenstoffnanopartikel, z.B. Fullerene und amorphere Kohlenstoffe, oder schichtförmige Kohlenstoffnanopartikel, z.B. Graphen und Nanoplatelets, oder faserförmige Kohlenstoffnanopartikel, z.B. Kohlenstoffnanofasern. Bevorzugt aber nicht beschränkend sind die Kohlenstoffnanostrukturen Kohlenstoffnanoröhren.
  • Figur 7zeigt schematisch eine weitere mögliche Anordnung der thermalen Schnittstelle. Neben den bisher gezeigten Varianten sind hier die Flächen mit und ohne Kohlenstoffnanostrukturen 22 auf beiden Seiten der thermalen Schnittstelle jeweils versetzt zueinander angeordnet. Durch das versetzte Anordnen der Bereiche mit und ohne Kohlenstoffnanostrukturen auf den beiden Kontaktschichten 1 und 2 kann die Wiederlösbarkeit der Schnittstelle verbessert werden.
  • Die herstellbaren Kontaktflächen und eine mögliche Formgebung der thermalen Schnittstelle sind bei dem Verfahren, welches zum Verbundwerkstoff 20 führt, limitiert. Um diese zu vergrößern und eine adaptive Formgebung zu ermöglichen, wird ein Herstellungsverfahren zur Herstellung eines Werkstoffverbundes vorgeschlagen, welches es ermöglicht, Schnittstellenelemente, die durch das eben beschriebene Verfahren hergestellt wurden, miteinander mechanisch und thermisch zu verbinden.
  • Infolgedessen lässt sich die Kontaktfläche eines Schnittstellenköpers vergrößern und in beliebige Formen bringen. Somit können insbesondere auch Schnittstellenringe aus Kreissegmenten hergestellt werden.
  • Hierfür wird erfindungsgemäß im Folgenden ein pulvermetallurgisches Verfahren vorgestellt.
  • Figur 8 zeigt beispielhaft und nicht beschränkend einen stabförmigen Verbundwerkstoff 20 mit einer Querschnittsfläche 26 aus einem Kreissegment nach einem Strangpressschritt. Die Querschnittsfläche 26 des stabförmigen Verbundwerkstoffes 20 kann allerdings eine beliebige geometrische Grundform aufweisen, insbesondere eine kreisförmige, trapezförmige, rechteckige oder quadratische Grundform. Dieser Stab erstreckt sich entlang einer Ausdehnungsachse z und dient in dem gezeigten Beispiel zur Fertigung von Kreissegmenten in Figur 9. Die Kohlenstoffnanostrukturen 22 erstrecken sich ebenfalls entlang der Ausdehnungsachse z aus einer Oberfläche des Verbundwerkstoffs 20 heraus. Der Verbundwerkstoff 20 ist bevorzugt stabförmig ausgebildet, damit er leicht, z.B. durch Sägen, partitioniert werden kann. Der aus dem Strangpressen entstehende Stab wird in Segmente 30 mit entsprechender Dicke unterteilt, bevorzugt aber nicht beschränkend gesägt. Diese Segmente 30 sind in Figur 9 gezeigt. Die Form und Grundfläche des Verbundwerkstoffes 20 ist nicht auf das gezeigte Ausführungsbeispiel beschränkt. Die Grundfläche kann jede beliebige Form annehmen, z.B. quadratisch, rechteckig, kreisförmig, ellipsenförmig etc. Um den Verbundwerkstoff 20 herum kann fertigungsbedingt eine Hülle aus erstem Metall 24 existieren, welche sich bei Bedarf spanend entfernen lassen kann. Diese Hülle kann aber auch zum weiteren Fügen (z.B. durch Löten) genutzt werden.
  • Die Segmente 30 werden in einer Matrize 100 einer gewählten Form angeordnet. In Figur 10 ist beispielsweise und nicht beschränkend eine Kreisform als Matrize 100 gewählt worden. Die Segmente 30 werden in der Matrize angeordnet, so dass sie einen Kreisring 110 ausbilden und die dazwischen befindlichen Freiräume 120 werden dann mit einem Auffüllmaterial 130, wie in Figur 11 gezeigt aufgefüllt. Das Auffüllmaterial 130 ist bevorzugt ein Metallpulver, noch bevorzugter Kupferpulver. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird im Inneren der Matrize 100 um den Kreismittelpunkt kein Verbundwerkstoff 20, sondern allein das Auffüllmaterial 130 angeordnet. Das Auffüllmaterial 130 und die Segmente 30 werden zu einem gemeinsamen Körper 200, beispielsweise durch Sintern verbunden.
  • Insbesondere bei Kreisringen kann der innere Bereich mit dem Auffüllmaterial 130 aufgefüllt werden um als Einspannfläche für spätere spanende Bearbeitung eingesetzt zu werden. Nach dem Sintern kann eine spanende Bearbeitung des Werkstoffverbundes zur endgültigen Formgebung erfolgen.
  • In einem Ausführungsbeispiel können in einer Ebene Segmente des Verbundwerkstoffes in einer Matrize, die als Schmelzinfiltrationswerkzeug genutzt werden kann, angeordnet werden. Die Matrize wird anschließend auf Temperaturen zwischen 400 bis 600°C, bevorzugt im Vakuum vorgewärmt. Die Hohlräume zwischen den Segmenten werden dann beispielsweise mit schmelzflüssigem Metall oder einer Metalllegierung, z. B. Kupfer mit einer Temperatur zw. 1200 und 1300°C, beispielsweise unter Vakuum (< 20 mbar) und mit einem vorbestimmten Druck infiltriert. Der vorbestimmte Druck kann zwischen 50 MPa und 100 MPa liegen und beträgt beispielsweise ca. 80 MPa. Die Infiltrationszeit kann dabei zwischen 35 und 50 Sekunden liegen. Anschließend erfolgt das Erstarren unter Druck. Der Werkstoffverbund kann dann aus der Matrize ausgestoßen werden und an Luft weiter abkühlen.
  • Figur 12 zeigt eine Darstellung eines spanend bearbeiteten, geschliffenen und geätzten Werkstoffverbundes 200, welcher aus den vorherigen Schritten hergestellt wurde. Der Werkstoffverbund 200 ist beispielhaft als Ring ausgebildet und weist einzelne Löcher im Ring auf, die der Befestigung dienen können. Die letzten Prozessschritte sind das Schleifen der Werkstoffverbundoberfläche, dessen Ergebnis in Figur 13 gezeigt ist, sowie das Ätzen zum Freilegen der Kohlenstoffnanostrukturen (Fig. 14).
  • Die Schnittstelle ist sowohl einsetzbar wenn die Kohlenstoffnanostrukturen 22 auf einer oder auch auf beiden Seiten der Kontaktflächen freigelegt sind. Ebenso ist auch ein Einsatz gegen einen anderen Feststoff möglich.
  • Die Wärmeleitfähigkeit des Werkstoffverbundes 200 kann dabei gewünscht angepasst werden. Metall-Diamant bzw. Metall-Graphit Verbundwerkstoffe besitzen eine höhere Wärmeleitfähigkeit als das reine Metall bzw. als der Metall- Kohlenstoffnanostrukturen-Verbundwerkstoff 20. Die Wärmeleitfähigkeit von Kupfer-Diamant liegt bei bis zu 700 W/m K und die von Kupfer-Graphit bei bis zu 600 W/m K, während die Wärmeleitfähigkeit von reinem Kupfer bei ca. 400 W/m K liegt. Daher lassen sich diese auch zur passiven Kühlung einsetzen. Dieses ist im speziellen auch für diese Erfindung einsetzbar. Zur Vergrößerung der Wärmeleitfähigkeit kann insbesondere das Auffüllmaterial 130 zum Verbinden des Werkstoffverbundes durch einen Metall-Diamant Verbundwerkstoff substituiert werden. Metall-Diamant Verbundwerkstoffe zeichnen sich in allen Raumrichtungen durch ein im Vergleich zum reinen Metall erhöhten Wärmeleitfähigkeit aus, wodurch sich die gesamt zu übertragene Wärmemenge noch einmal erhöhen lässt.
  • Der Werkstoffverbund 200 kann dabei vielfältig geformt und angepasst werden. Figur 15 zeigt schematisch einen Werkstoffverbund 200 mit einem ersten Teilbereich 210 aus dem Verbundwerkstoff 20, verbunden zu einem Körper mit einem zweiten Teilbereich 220, welcher aus einem Material mit geringerer, gleicher oder höherer thermaler Leitfähigkeit gebildet ist. Die Verbindung kann ebenfalls durch Sintern oder Schmelzinfiltration hergestellt werden. Das Material des zweiten Teilstücks 220 kann zusammen mit den Segmenten 30 des Verbundwerkstoffes 20 in der Matrize 100 angeordnet werden. Durch die Wahl des Materials des zweiten Teilbereichs 220 mit einer höheren oder kleineren thermalen Leitfähigkeit können gezielte Wärmeleitpfade gebildet werden. Auch kann die Steifigkeit und Festigkeit dadurch erhöht werden.
  • Ein komplexeres Ausführungsbeispiel eines Werkstoffverbundes 200 ist in Figur 16 gezeigt. Der Werkstoffverbund 200 besteht hier aus zwei Lagen aus verschiedenen Materialien. So kann z.B. ein drittes Teilstück 230 unterhalb des Verbundwerkstoffes 20 angeordnet sein und eine geringere thermale Leitfähigkeit als der Verbundwerkstoff 20 des ersten Teilstücks 210 aufweisen. Das vierte Teilstück 240 kann eine gleiche oder bevorzugt höhere Wärmeleitfähigkeit aufweisen, wodurch die Wärme lateral abgeleitet wird.
  • Figur 17 zeigt ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffverbundes. Im Schritt S100 wird zunächst ein Verbundwerkstoff 20 hergestellt aus in einer Matrix eines ersten Metalls 24 verankerten Kohlenstoffnanostrukturen 22. Der Verbundwerkstoff 20 erstreckt sich dabei entlang einer Ausdehnungsachse z. Die Kohlenstoffnanostrukturen 22 erstrecken sich ebenfalls entlang der Ausdehnungsachse z des Verbundwerkstoffes 20. Im Schritt S200 wird der Verbundwerkstoff 20 in Segmente 30, bevorzugt Schnittsegmente 30 unterteilt. Darauf werden die Segmente 30 in mindestens einer Ebene in einer Matrize 100 angeordnet S300. Im Schritt S400 wird dann ein Werkstoffverbund 200 gebildet. Dies kann durch ein Auffüllen S410 von Freiräumen in der Matrize 120 mit einem Auffüllmaterial 130 und anschließendem Sintern S420 in der Matrize 100 erfolgen. Alternativ kann dies auch durch Schmelzinfiltration S430 in der Matrize 100 erfolgen. Im Schritt S500 werden dann die Kohlenstoffnanostrukturen 22 aus mindestens einer Oberfläche des Werkstoffverbundes 200 freigelegt, so dass die Kohlenstoffnanostrukturen 22 aus dieser Oberfläche herausragen.
  • Zusammenfassend wurden in einer Metallmatrix verankerte Kohlenstoffnanostrukturen als Wärmeleitmaterialien (TIM) und Wärmeüberträgermaterialien vorgeschlagen. Diese sind für eine wiederlösbare und wiederverwendbare thermale Schnittstelle vorteilhafterweise einsetzbar. Ein Werkstoffverbund kann erfindungsgemäß durch Sintern zur lokalen Integration der thermal aktiven Schnittstellenfläche in ein Metall, eine Metalllegierung und/ oder einen Verbundwerkstoff (Metall/Diamant, Metall/Graphit) hergestellt werden.
  • Auch können gezielt thermal aktive Schnittstellenflächen aus Metall/Kohlenstoffnanostrukturen Verbundwerkstoff zur Wärmeübertragung und einem Material mit geringerer Wärmeleitfähigkeit (Keramik, Metall, Metalllegierungen und Verbundwerkstoffe) als der Verbundwerkstoff zur Bildung von gezielten thermischen Leitpfaden (thermische Partitionierung) ausgebildet werden.
  • Vorteilhafterweise ist die thermal aktive Schnittstellenfläche durch gezielte Ätzung regenerierbar und an Konturen anpassbar.
  • Obwohl die Erfindung im Detail durch bevorzugte Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    erste Kontaktschicht
    2
    zweite Kontaktschicht
    3
    Kontaktstellen
    4
    Lücken zwischen Kontaktstellen
    20
    Verbundwerkstoff
    22
    Kohlenstoffnanostrukturen
    24
    erstes Metall
    26
    Querschnittsfläche
    30
    Segmente
    100
    Matrize
    110
    Matrizensegment
    120
    Freiraum
    130
    Auffüllmaterial
    200
    Werkstoffverbund
    210
    erstes Teilstück
    220
    zweites Teilstück
    230
    drittes Teilstück
    240
    viertes Teilstück

Claims (14)

  1. Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffverbundes (200) zur Wärmeleitung umfassend:
    - Herstellen (S100) eines Verbundwerkstoffes (20), der sich entlang einer Ausdehnungsachse (z) erstreckt, aus in einer Matrix eines ersten Metalls (24) verankerten Kohlenstoffnanostrukturen (22),
    - Unterteilen (S200) des Verbundwerkstoffes (20) in Segmente (30),
    - Anordnen (S300) der Segmente (30) in mindestens einer Ebene in einer Matrize (100),
    - Bilden (S400) eines Werkstoffverbundes (200) durch
    - Auffüllen (S410) von Freiräumen in der Matrize (120) mit einem Auffüllmaterial (130) und anschließendem Sintern (S420) in der Matrize (100), oder
    - Schmelzinfiltration (S430) in der Matrize (100),
    - Freilegen (S500) der Kohlenstoffnanostrukturen (22) aus mindestens einer Oberfläche des Werkstoffverbundes (200), so dass die Kohlenstoffnanostrukturen (22) aus dieser Oberfläche herausragen.
  2. Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffverbundes (200) nach Anspruch 1, wobei die Kohlenstoffnanostrukturen (22) runde, schichtförmige oder faserförmige Kohlenstoffnanopartikel sind.
  3. Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffverbundes (200) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Verbundwerkstoff (20) ein stabförmiger Verbundwerkstoff (20) ist und die Querschnittsfläche (26) des stabförmigen Verbundwerkstoffes (20) eine beliebige geometrische Grundform aufweist, insbesondere eine kreisförmige, trapezförmige, rechteckige oder quadratische Grundform oder Teilbereiche einer solchen Grundform.
  4. Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffverbundes (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend folgende Schritte, die sich an das Sintern der Matrize (100) anschließen:
    - Formgebung durch spanende Bearbeitung, und
    - Schleifen der Oberfläche des Verbundwerkstoffs (20), aus der die Kohlenstoffnanostrukturen (22) freizulegen sind.
  5. Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffverbundes (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Herstellen des Verbundwerkstoffes pulvermetallurgisch erfolgt und folgende Schritte umfasst:
    - Herstellen einer homogenen Pulvermischung aus einem ersten Metall (24) und aus Kohlenstoffnanostrukturen (22), und
    - Sintern der Pulvermischung zu einem Verbundwerkstoff (20), und/oder
    - Strangpressen des Verbundwerkstoffes (20).
  6. Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffverbundes (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kohlenstoffnanostrukturen (22) auf einer Länge von 5-50µm, bevorzugt 10-30µm an der Werkstoffverbundoberfläche freigelegt sind.
  7. Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffverbundes (200) nach einem der vorher gehenden Ansprüche, wobei das erste Metall (24) Kupfer ist.
  8. Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffverbundes (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei Auffüllmaterial (130) eine höhere Wärmeleitfähigkeit als der Verbundwerkstoff (20) aufweist.
  9. Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffverbundes (200) nach Anspruch 8, wobei das Auffüllmaterial (130):
    - ein zweites Metall umfasst,
    - Kupfer ist,
    - ein Metall-Diamant Verbundwerkstoff ist, bevorzugt Kupfer-Diamant, oder
    - ein Metall-Graphit Verbundwerkstoff, bevorzugt Kupfer-Graphit ist.
  10. Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffverbundes (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in der Ebene des Verbundwerkstoffes (20) mindestens eine erste Schicht (210) aus mindestens einem anderen Material in die Matrize (100) eingebracht wird.
  11. Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffverbundes (200) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei vor dem Schritt des Einbringens der Segmente (30) in die Matrize (100), die Matrize (100) bereits mit mindestens einer zweiten Schicht (220, 230) aus mindestens einem anderen Material gefüllt ist und darauf die Segmente (100) angeordnet werden.
  12. Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffverbundes (200) nach Anspruch 10 oder 11, wobei die ersten und zweiten Schichten zur Ausbildung von Wärmeleitpfaden eine gegenüber dem Verbundwerkstoff (20) geringere oder höhere Wärmeleitfähigkeit aufweisen.
  13. Werkstoffverbund (200), der nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 12 hergestellt wurde.
  14. Verwendung eines Werkstoffverbundes nach Anspruch 13 als Wärmeleiter und/oder Wärmeüberträger.
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