Beschreibung
Strangförmiger Materialverbund mit CNT-Garnen und Verfahren zu dessen Herstellung
Die Erfindung betrifft einen strangförmigen Materialverbund, bestehend aus CNT-Garnen, die mit einer metallischen Komponente umhüllt sind.
Ein strangförmiger Materialverbund der eingangs genannten Art ist aus der WO 2007/015710 A2 bekannt. Dieser strangförmige Materialverbund wird als CNT-Garn dadurch gewonnen, dass zu¬ nächst auf einem geeigneten Substrat Carbon Nanotubes (im Zu¬ sammenhang mit dieser Erfindung kurz als CNT bezeichnet) ei- ner bestimmten Länge hergestellt werden, diese sind mit ihrem einen Ende mit dem Substrat verbunden und ragen mit ihrem entgegengesetzten Ende von diesem Substrat ab, so dass sich ein waldartiges Gebilde ergibt. Gemäß der WO 2007/015710 A2 kann das CNT-Garn nun dadurch gewonnen werden, dass am Rande des Substrates CNT von dem Substrat abgebrochen und von die¬ sem weggezogen werden. Hierbei ergibt sich ein selbst organisierender Prozess, wobei die abbrechenden CNT jeweils benachbarte CNT auf dem Substrat mitreißen, wobei diese jeweils an den Enden zusammenbleiben. Hierdurch lassen sich Garne her- stellen, die CNT-Fasern aufweisen, welche sehr viel länger als die einzelnen auf dem Substrat befindlichen CNT sind.
Gemäß der WO 2007/015710 A2 ist es weiterhin bekannt, dass die in der beschriebenen Weise hergestellten Garne einer nachträglichen Beschichtungsbehandlung unterzogen werden.
Diese kann beispielsweise darin bestehen, dass die gewonnenen Garne elektrochemisch beschichtet werden. Hierbei wird auf den Garnen eine vergleichsweise dünne Schicht eines im Elektrolyt befindlichen Metalles abgeschieden.
Aus „Spinning and Processing Continuous Yarns from 4-Inch Wa- fer Scale Super-Aligned Carbon Nanotubes Arrays" von Xiaobo Zhang, Adv. Mater. 2006, 18, 1505-1510 ist es bekannt, dass CNT-Garne aufgrund der Eigenschaften von CNT elektrisch leitfähig sind. Dies macht es möglich, die CNT-Garne unter Durch¬ leitung eines elektrischen Stromes auf bis zu 2000 K zu er¬ hitzen. Andererseits ist es aus der US 2007/0036978 Al be¬ kannt, dass CNT in einer elektrochemisch abgeschiedenen Me- tallschicht zu einer Verbesserung der Leitfähigkeit führen können. Hierbei werden die CNT ungeordnet in die elektroche¬ misch hergestellte Schicht eingebaut, wenn diese in das Elektrolyt dispergiert werden. Den maximal zu erreichenden Einbauraten an CNT sind prozessbedingt hierbei Grenzen ge- setzt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen strangförmigen Materialverbund mit CNT-Garnen und einer metallischen Kompo¬ nente anzugeben, welcher in Bezug auf den Gehalt an CNT im Materialverbund eine möglichst hohe elektrische Leitfähigkeit aufweist .
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem strangförmigen Ma¬ terialverbund der eingangs angegebenen Art dadurch gelöst, dass die metallische Komponente als eine den Querschnitt des Verbundes durchmessene Matrix ausgebildet ist. Hiermit ist gemeint, dass die CNT-Garne den strangförmigen Materialverbund in Richtung des Stranges durchziehen und die zwischen den Garnen befindlichen Hohlräume zumindest teilweise mit der metallischen Komponente ausgefüllt sind. Dabei verbindet die metallische Komponente die benachbarten CNT-Garne jeweils elektrisch, wobei hierbei eine einzige metallische Matrix zur Verfügung steht. Im Vergleich zu CNT-Garnen gemäß der WO 2007/015710 A2 , entsteht hierbei eine verbesserte elektri-
sehe Leitfähigkeit. Die CNT-Garne gemäß dem Stand der Technik sind nämlich jeweils für sich genommen metallisch umhüllt. Wenn diese zu Strängen größeren Durchmessers zusammengeführt werden, kommen diese metallischen Umhüllungen zwar aufeinan- der zu liegen, jedoch sind die Berührungsflächen zwischen den metallischen Umhüllungen vergleichsweise klein. Es hat sich in Untersuchungen herausgestellt, dass der elektrische Wider¬ stand eines CNT-Garns mit einzelnen Umhüllungen maßgeblich durch Verringerung des Widerstandes in der metallischen Kom- ponente beeinflussen lässt. In den metallischen Übergängen bei dem strangförmigen Materialverbund gemäß der WO 2007/015710 A2 ist hinsichtlich der Verminderung des elektrischen Widerstandes der Flaschenhals zu sehen. Eine Erklärung hierfür besteht darin, dass die in den Garnen vorliegenden CNT ihre theoretisch mögliche Leitfähigkeit nicht erreichen, da diese nicht als Endlosfaser vorliegen, sondern aus kürzeren Faserabschnitten gebildet sind. Zwischen diesen Faserabschnitten muss der elektrische Strom auf konventionelle Weise durch die metallische Komponente geleitet werden, wobei diese einen signifikant höheren Widerstand aufweist als die CNT.
Daher liegt ein hohes Potential zur Verminderung des elektrischen Widerstandes des gesamten Materialverbundes darin, den Widerstand der metallischen Komponente möglichst herabzuset¬ zen. Dies kann dadurch erreicht werden, dass die metallische Komponente des Verbundes in einer den Querschnitt des Verbun¬ des durchmessenen Matrix ausgebildet ist, da durch diese Ma߬ nahme zwischen den benachbarten CNT-Garnen eine höhere Querschnittsfläche zur Verfügung steht. Hierdurch ist es auch möglich, dass ein Stromfluss zwischen benachbarten CNT-Garnen ermöglicht wird. Als Folge hiervon lässt sich bei gleichem Einsatz von CNT-Material durch geeignete Konfiguration des Verbundleiters (metallische Matrix) der größtmögliche Zuwachs an elektrischer Leitfähigkeit erreichen. Hierdurch lässt sich
vorteilhaft ein kostengünstiger Verbundleiter mit hervorragenden elektrischen Eigenschaften herstellen.
Unter dem Begriff CNT im Rahmen dieser Erfindung sollen im weiteren Sinne alle Formen von Carbon Nanotubes verstanden werden. Hierunter fallen sowohl die Single Wall Carbon Nanotubes (SWNT) als auch die sogenannten Multi Wall Carbon Nanotubes (MWNT) , die mehrschalig aufgebaut sind.
Als Matrix der metallischen Komponente soll ein metallisches Gefüge verstanden werden, welches einen einheitlichen werkstofftechnischen Verbund darstellt. Dieser Verbund kann je¬ doch aus mehreren Körnern bestehen, wobei die Matrix durch den Zusammenhalt des metallischen Gefüges an den Korngrenzen als einheitlich über den gesamten Querschnitt zu betrachten ist. Der Einfluss der Korngrenzen auf die elektrische Leitfä¬ higkeit der Matrix ist nämlich zu vernachlässigen, da die Wanderung der Elektronen, welche einen Stromfluss bewirken, durch die Korngrenzen kaum behindert wird.
Als CNT-Garne im Sinne der Erfindung sind CNT-Stränge zu ver¬ stehen, welche aus mindestens einer CNT-Faser bestehen. Bei dieser haften die einzelnen CNT an ihren Enden jeweils aneinander, so dass die CNT-Faser eine vielfache Länge der einzel- nen CNT aufweisen kann. Auch können mehrere CNT-Fasern zu einem CNT-Garn zusammengefügt sein. In diesem Fall kann zwischen den einzelnen CNT-Fasern eines Garns auch eine Berührung stattfinden. Insbesondere kann auch ein CNT-Garn gemäß der US 2007/0036978 Al zur Herstellung des erfindungsgemäßen strangförmigen Materialverbundes verwendet werden, wobei die Ausbildung einer metallischen Komponente mit den Querschnitt des Verbundes durchmessender Matrix dadurch gewährleistet wird, dass dieses Garn mit weiteren Garnen dieser Art zusammengeführt und in geeigneter Weise zur Erzeugung der metalli-
sehen Matrix nachbehandelt wird. Diese Nachbehandlung kann beispielsweise in einer elektrochemischen Beschichtung des Verbundes an CNT-Garnen bestehen (hierzu im Folgenden mehr) .
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die CNT-Garne in der Matrix im Wesentlichen in Richtung seines strangförmigen Verlaufes ausgerichtet sind. Dies hat einerseits Vorteile bei der Fertigung, da die CNT-Garne in Richtung des entstehenden strangförmigen Mate- rialverbundes geführt werden können. Andererseits verbessert die strangparallele Ausrichtung der CNT-Garne auch die elektrische Leitfähigkeit des erzeugten strangförmigen Mate¬ rialverbundes, da die durch die CNT gebildeten Wege mit ver¬ besserter elektrischer Leitfähigkeit im Wesentlichen entlang des zu erwartenden Stromflusses ausgerichtet sind.
Eine andere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Anteil an CNT-Garnen der Matrix in einem Bereich von 2 bis 20 Vol-%, bevorzugt bei 4 bis 10 Vol-% liegt. Innerhalb dieses Bereiches lässt sich nämlich vorteilhaft bei vergleichsweise geringem Einsatz an dem vergleichsweise kostenintensiven Rohstoff der CNT ein verhältnismäßig hoher Zugewinn an Leitfä¬ higkeit in dem Verbundleiter erreichen. Außerdem ist bei der Auslegung des erfindungsgemäßen Materialverbundes zu berück- sichtigen, dass durch Zugabe der CNT in die metallische
Matrix ein negativer Einfluss auf die mechanischen Eigenschaften ausgeschlossen oder zumindest im Rahmen eines akzeptablen Maßes gehalten werden kann. Ein Materialverbund mit höchstens 20 Vol-% an CNT-Garnen wird bei einer den Verbund durchmessenen Matrix an metallischem Werkstoff im Wesentlichen noch das Verhalten eines metallischen Werkstoffes aufweisen. Dies bedeutet, dass Spannungen, die insbesondere auf¬ grund der wesentlich höheren Steifigkeit von CNT im Vergleich zu metallischen Werkstoffen auftritt, durch das metallische
Gefüge noch ausgeglichen werden können. Auch hinsichtlich der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von CNT und metallischen Werkstoffen entstehen Spannungen, die mittels des beschriebenen Mechanismus durch die metallische Matrix ausgeglichen werden können. Hierin ist auch der wesentliche Unterschied zu dem strangförmigen Materialverbund gemäß der WO 2007/015710 A2 zu sehen, bei dem die Eigenschaf¬ ten hauptsächlich durch die in dem Verbund vorliegenden CNT bestimmt werden. Bei diesem strangförmigen Materialverbund hat die metallische Komponente nämlich einen wesentlich klei¬ neren Volumenanteil an dem Verbund, so dass diese sich an die mechanischen Eigenschaften der CNT anpassen kann, welche die mechanischen Eigenschaften des Gesamtverbundes bestimmen. Der geringe Volumenanteil an metallischem Werkstoff begrenzt je- doch auch die Verbesserung der elektrischen Leitfähigkeit des gemäß der WO 2007/015710 A2 gebildeten Materialverbundes, der elektrischen Anwendungen somit nur bedingt zur Verfügung steht .
Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung wird erhalten, wenn die CNT-Garne in der Matrix jeweils nur eine bis zehn Fasern umfassen. Hierbei wir berücksichtigt, dass ein Aus¬ tausch von Elektronen zwischen benachbarten CNT durch die metallische Matrix nur dann begünstigt wird, wenn diese auch zwischen den CNT vorliegt. Andererseits entsteht bei der Ver¬ arbeitung von CNT-Garnen mit nur einer Faser ein erhöhter Fertigungsaufwand, der das Produkt verteuert. Diese Variante wird daher vorrangig bei Anwendungen eine Rolle spielen, bei denen die Optimierung der elektrischen Eigenschaften im Ver- gleich zu den entstehenden Kosten vorrangig ist (beispielsweise in der Luft- und Raumfahrtindustrie, die überdurch¬ schnittlich von einer Gewichtseinsparung profitiert) . Andererseits kann auch bei mehrfasrigen Garnen mit bis zu 10 Fasern erreicht werden, dass das Garn nur oder zumindest vor-
rangig aus Fasern besteht, die einen Teil des Außenumfanges des betreffenden Garnes bilden. So ist gewährleistet, dass ein Elektronenaustausch mit Fasern eines benachbarten Garnes über die dazwischen liegende metallische Matrix gewährleistet ist.
Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines strangförmigen Materialverbundes, bei dem zuerst CNT- Garne erzeugt oder bereitgestellt werden und diese dann mit einer metallischen Komponente umgeben werden. Dieses Verfahren ist in der eingangs bereits erwähnten WO 2007/015710 A2 beschrieben. Die Variante gemäß diesem Dokumente beinhaltet sowohl die Erzeugung der CNT-Garne wie auch die nachfolgende Beschichtung derselben mit einem metallischen Material. Selbstverständlich ist es auch möglich, die unbeschichteten Garne bei einem hierauf spezialisierten Hersteller zu erwerben und anschließend zu beschichten. Die im Stand der Technik beschriebenen Verfahren beschichteten Garne weisen, wie bereits erwähnt, einen sehr hohen Volumenanteil an CNT auf. Die elektrische Leitfähigkeit der so hergestellten strangförmigen Materialverbunde ist begrenzt.
Es ist somit weiterhin Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines CNT-Garne enthaltenden Materialverbun- des in Strangform bereit zu stellen, mit dem sich eine vergleichsweise hohe elektrische Leitfähigkeit erzeugen lässt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit dem oben genannten Verfahren dadurch gelöst, dass in einem nachfolgenden Ferti- gungsschritt oder wiederholt in mehreren nachfolgenden Ferti¬ gungsschritten mehrere der mit der metallischen Komponente versehenen CNT-Garne zusammengeführt werden und das so gewon¬ nene CNT-Garn größeren Durchmessers wieder mit einer metalli¬ schen Komponente umgeben wird, wobei hierdurch eine das Garn
größeren Durchmessers durchmessene metallische Matrix ausge¬ bildet wird. Die beschriebenen Fertigungsschritte werden ggf. so oft wiederholt, bis der Zusammenschluss der Garne bzw. der Garne größeren Durchmessers die erforderliche Querschnitts- fläche des strangförmigen Materialverbundes ergibt.
Wesentlich für die angestrebte möglichst große Erhöhung der Leitfähigkeit des strangförmigen Materialverbundes ist es, dass die Fasern in möglichst kleinen Zusammenschlüssen von vorzugsweise weniger als 10 Fasern in der metallischen Matrix vorliegen. Einerseits lässt sich hierdurch ein verhältnis¬ mäßig geringer Anteil an CNT-Garnen im Materialverbund von 2 bis 20 Vol-%, bevorzugt von 4 bis 10 Vol-%, erzeugen. Hiermit können die mechanischen Eigenschaften des strangförmigen Ma- terialverbundes derart eingestellt werden, dass diese denen metallischer Gefüge weitgehend entsprechen. Durch die Maßnahme einer Einbettung von möglichst dünnen CNT-Garnen (d. h. Garnen, die wenig, vorzugsweise weniger als 10 Einzelfasern umfassen) , wird aber der für eine möglichst starke Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit wichtige Effekt erzielt, dass ein Wechseln der Elektronen zwischen unterschiedlichen Fasern der CNT-Garne durch die zwischen diesen befindliche metalli¬ sche Matrix wesentlich erleichtert wird. Hierdurch lässt sich eine vergleichsweise hohe Leitfähigkeitserhöhung mit ver- gleichsweise geringem Materialaufwand an CNT erreichen (vgl. auch das zum erfindungsgemäßen Materialverbund Aufgeführte) .
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird erhalten, wenn die CNT-Garne und/oder die CNT-Garne größeren Durchmessers durch ein Vakuumsbeschichtungsverfahren mit der metallischen Komponente umgeben werden. Der Einsatz eines Vakuumbeschichtungsverfahrens, wie z. B. CVD oder PVD, hat den Vorteil, dass diese Beschichtungen direkt auf die CNT aufgebracht werden können. Außerdem lässt sich eine Vielfalt
von Metallen und deren Legierungen abscheiden, so dass eine fast uneingeschränkte Materialvielfalt zur Beschichtung zur Verfügung steht .
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen werden, dass die CNT-Garne und/oder die CNT-Garne größe¬ ren Durchmessers durch ein elektrochemisches Beschichtungs- verfahren mit der metallischen Komponente umgeben werden. Elektrochemische Beschichtungsverfahren haben im Vergleich zu Vakuum-Beschichtungsverfahren den wesentlichen Vorteil, dass ein größerer Materialauftrag kostengünstig erfolgen kann. Be¬ sonders vorteilhaft ist es, wenn die CNT-Garne und/oder die CNT-Garne größeren Durchmessers galvanisch mit der metalli¬ schen Komponente beschichtet werden, wobei die CNT-Garne und/oder die CNT-Garne größeren Durchmessers als Kathode ge¬ schaltet werden. Hierbei ist im Vergleich zum elektrochemischen Beschichten allgemein das Anlegen eines elektrischen Potentials zur Unterstützung des Beschichtungsvorganges not¬ wendig (elektrochemisches Beschichten allgemein kann auch stromlos erfolgen) . Durch Anlegen eines Potentials lässt sich vorteilhaft die Abscheiderate für die metallische Matrix er¬ höhen. Außerdem lässt sich eine größere Vielfalt metallischer Materialien abscheiden, weil das Abscheidepotential durch Va¬ riation der anliegenden Spannung beeinflusst werden kann.
Natürlich ist es auch möglich, insbesondere bei mehrstufigen Verfahren die oben genannten Beschichtungsverfahren untereinander zu kombinieren. Beispielsweise kann mittels eines Vaku- umbeschichtungsverfahrens eine Startschicht auf die CNT-Garne aufgebracht werden, die eine anschließende elektrochemische, insbesondere galvanische Beschichtung vereinfacht.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Verfahren kontinuier¬ lich abläuft, wobei so viele CNT-Garne gleichzeitig erzeugt
oder bereitgestellt werden, wie der zu erzeugende strangför- mige Materialverbund enthalten soll. Damit können alle CNT- Garne gleichzeitig behandelt werden und werden in den nach¬ folgenden Fertigungsschritten stufenweise zum gewünschten strangförmigen Materialverbund zusammengeführt. Die CNT-
Garne, die im weiteren Prozesslauf in einem oder in mehreren nachfolgenden Fertigungsschritten jeweils parallel geführt, gemeinsam mit der metallischen Komponente umgeben und zu den Garnen größeren Durchmessers zusammengeführt werden, müssen im übrigen auch nicht auf Vorrat gehalten werden, da sie in einem kontinuierlichen Prozess erzeugt und gleich zum gewünschten Endprodukt verarbeitet werden.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn das Zusammenführen der CNT-Garne und/oder der CNT-Garne größeren Durchmessers durch Verseilen erfolgt. Hierbei wird den CNT-Fasern des entstehenden Materialverbundes durch Drehung um die Mittelachse des Stranges jeweils eine wendelartige Gestalt gegeben, die zu einem besseren Zusammenhalt, insbesondere während des Ferti- gungsverfahrens, führt.
Eine besondere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird erhalten, indem der Volumenanteil an CNT-Garnen in der metallischen Matrix durch Variation der Dauer der Ferti- gungsschritte des Umgebens der CNT-Garne und der CNT-Garne größeren Durchmessers mit dem Matrix-Material eingestellt wird. Die Verfahrensdauer des Beschichtens mit der metalli¬ schen Matrix ist ausschlaggebend für die Schichtdicke auf den CNT-Garnen und/oder den CNT-Garnen größeren Durchmessers. Hierdurch lässt sich der Volumenanteil der metallischen
Matrix jeweils vergrößern oder verkleinern. Wichtig ist allerdings, dass die Behandlungsdauer in den einzelnen Fertigungsschritten ausreicht, um einen genügenden Materialauftrag zu bewirken, damit sich eine einheitliche Matrix zwischen den
jeweils zusammengeführten CNT-Garnen bzw. CNT-Garnen größeren Durchmessers einstellt. Hierbei ist es nicht notwendig, dass das Matrixmaterial die Zwischenräume zwischen den einzelnen CNT-Garnen bzw. CNT-Garnen größeren Durchmessers vollständig ausfüllt. Es ist lediglich notwendig, dass der Materialauf¬ trag zu genügend großen Materialbrücken zwischen den genannten Garnen führt .
Im Folgenden soll der für eine gewünschte Leitfähigkeitserhö- hung bzw. -Verminderung des elektrischen Widerstandes notwendige Volumenanteil an CNT-Garnen exemplarisch rechnerisch für das Matrixmaterial Cu ermittelt werden. Die gezeigte Berech¬ nung lässt sich selbstverständlich in gleicher Weise für andere Matrixmaterialien durchführen.
Gegeben sei ein Cu-Quader mit einer quadratischen Grundfläche der Dimension Ii und der Länge lCnt- Es wird modellhaft ange¬ nommen, dass in der Mitte ein gerader SWNT-Faden mit einem Durchmesser von dcnt und einem Widerstand von RCnt eingebet- tet ist. Beispielhaft soll Ii so bestimmt werden, dass der elektrische Widerstand dieser Elementarzelle im Vergleich zu reinem Kupfer halbiert wird. Hierzu wird folgender rechnerische Ansatz verfolgt.
Der Widerstand des Cu-Quaders ohne CNT beträgt
Der Widerstand des Quaders mit eingebettetem CNT ergibt sich als eine Parallelschaltung zweier Widerstände, und zwar dem vom CNT, und dem vom verbleibenden Cu-Quader (von dem die Querschnittsfläche des CNT-Fadens abgezogen wird)
,2 _ π_ ,2
\ _ \ h A äcnt
^CU I CNT "-cnt Pcu ' Knt
Bildet man das Verhältnis, dann ergibt sich
Mit den Werten
P cu = 1 ■iμΩcm , lcnt = 1 Oμm , dcnt = \nm , Rcnt = 1 O^Ω
ergibt sich bei einem Wert von
ein Widerstands- Verhältnis von 2. Ein solcher Quader hat das CNT-Volumen l
cnt-—d]
nt
und das verbleibende Kupfer das Volumen /CJ Z1 2 d^nt
Das Volumenverhältnis beträgt und liegt bei ca. 5-
ζ
Ausgedrückt in Gewichtsprozent ergibt das 5% • 1.34 / 8.92 = 0.75%
Dies erklärt den bevorzugt beanspruchten Zielwert für den An¬ teil an gerichteten CNT in der Kupfermatrix von 0.5 bis 1 Gew.-% im Vergleich zu den gemäß dem Stand der Technik er- reichbaren Anteilen von CNT mit statistischer Ausrichtung in elektrochemisch abgeschiedenen Schichten von 1.5 bis 3 Gew.-
Weitere Einzelheiten der Erfindung werden im Nachfolgenden anhand der Zeichnung beschrieben. Gleiche oder sich entsprechende Zeichnungselemente sind dabei mit jeweils den gleichen Bezugszeichen versehen und werden nur insoweit mehrfach erläutert, wie sich Unterschiede zwischen den einzelnen Figuren ergeben. Es zeigen:
Figur 1 ein Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens als Aufsicht auf eine teilweise aufgeschnitten dargestellte Fertigungsanlage und
Figur 2 bis 7 verschiedene Ausführungsbeispiele des erfin¬ dungsgemäßen strangförmigen Materialverbundes jeweils als Querschnitt, wobei die dargestell¬ ten Ausführungsbeispiele gleichzeitig ver- schiedene Fertigungsstufen bei dem Verfahren gemäß Figur 1 darstellen.
Mit einer Fertigungsanlage gemäß Figur 1 kann das erfindungs¬ gemäße Verfahren durchgeführt werden. Zu erkennen sind zu- nächst drei Substrate 11, welche in einer Vakuumkammer 12 an¬ geordnet sind. Diese Substrate sind auf der dargestellten Vorderseite mit aufgewachsenen CNT versehen. Gemäß dem eingangs beschriebenen Verfahren werden von dieser CNT-Schicht in Form eines Waldes elementare CNT-Garne 16 abgezogen, wobei sich hierbei auf den Substraten 11 eine Front 14 ergibt, an der der sich entfernende CNT-Faden mit neuen CNT gespeist wird.
Die CNT-Garne 16 überspannen mehrere Sputter-Tagets 15, wo sie mit Kupfer bedampft werden. Anschließend werden diese zu einem CNT-Garn größeren Durchmessers 16a zusammengeführt, wo¬ bei dieses mehrfaserig ist. Diese CNT-Garne größeren Durch¬ messers 16a werden über Rollen 17 umgeleitet und parallel durch nicht näher dargestellte Schleusen 18 aus der Vakuum- kammer 12 geführt.
Außerhalb der Vakuumkammer 12 ist ein erstes elektrochemisches Bad 19a angeordnet, in welches die CNT-Garne größeren Durchmessers 16a über nicht dargestellte Umlenkrollen hinein-
geführt wird. Hier erfolgt eine weitere Beschichtung der CNT- Garne größeren Durchmessers 16a mit Kupfer, wobei die Menge an aufgetragenem Kupfer durch die Abscheideparameter im elektrochemischen Bad sowie die Abmessungen (Doppelbruchlinie in Figur 1) desselben gesteuert werden kann.
Nach der elektrochemischen Beschichtung werden die CNT-Garne größeren Durchmessers 16a aus dem elektrochemischen Bad 19a herausgeführt und mittels weiterer Rollen 17 zu zwei Strän- gen, die CNT-Garne größeren Durchmessers 16b bilden, zusam¬ mengeführt. Diese CNT-Garne größeren Durchmessers 16a werden in ein weiteres elektrochemisches Bad 19b eingeleitet, wo eine weitere elektrochemische Beschichtung mit Kupfer er¬ folgt, so dass die Zwischenräume zwischen den CNT-Garnen größeren Durchmessers 16a ausgefüllt werden und sich so eine die beiden Stränge jeweils durchmessene metallische Matrix ausbildet, in der die CNT-Garne größeren Durchmessers 16a verlaufen. Innerhalb des weiteren elektrochemischen Bades 19b sind außerdem Rollen 17 angeordnet, die es ermöglichen, die CNT-Garne größeren Durchmessers 16b innerhalb des elektroche¬ mischen Bades 19b zusammen zu führen. Hierbei entsteht ein weiteres CNT-Garn größeren Durchmessers 16c, welches seiner¬ seits ein weiteres Stück durch das elektrochemische Bad 19b geführt wird, so dass eine weitere Beschichtung mit Kupfer erfolgt. Hierdurch wird der bereits beschriebene Mechanismus wiederholt, demgemäß die Zwischenräume der beiden Garne größeren Durchmessers 16b zumindest weitgehend ausgefüllt werden und so eine das CNT-Garn größeren Durchmessers 16c durchmessene metallische Matrix ausgebildet wird.
Das CNT-Garn größeren Durchmessers 16c ist bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 1 das Endprodukt und bildet somit den strangförmigen Materialverbund 21. Dieser kann in nicht dargestellter Weise beispielsweise noch mit einer elektri-
sehen Isolierung versehen werden. Es ist auch denkbar, dass CNT-Garn größeren Durchmessers 16c mit weiteren CNT-Garnen zu verbinden, wobei hierbei der Durchmesser des zu erzeugenden strangförmigen Materialverbundes weiter steigt. Auch ist es denkbar, den strangförmigen Materialverbund 21 durch Verwendung von mehr als den dargestellten Substraten simultan mit einer größeren Dicke herzustellen.
Um eine galvanische Beschichtung mit der gewünschten Abschei- derate zu ermöglichen, müssen die CNT-Garne größeren Durchmessers 16a, 16b, 16c als Kathode geschaltet werden, an der das Kupfer abgeschieden wird. Zu diesem Zweck ist eine rol- lenförmige Elektrode 20 vorgesehen, durch die der strangför- mige Materialverbund 21 geführt wird. Aufgrund der Beschich- tung mit Kupfer ist bereits das CNT-Garn größeren Durchmes¬ sers 16a im ersten elektrochemischen Bad 19a genügend elektrisch leitfähig, um den Strom von der rollenförmigen Elektrode 20 zu übertragen. Selbstverständlich müssen in den elektrochemischen Bädern 19a, 19b auch Anoden 22 vorgesehen werden, um die galvanische Beschichtung mit Kupfer zu ermög¬ lichen (elektrische Kontaktierung ist in Figur 1 angedeutet) .
Die Figuren 2 bis 7 zeigen unterschiedliche Stadien bei der Herstellung des strangförmigen Materialverbundes 21, wobei diese in Figur 1 durch die Schnitte II-II bis VII-VII ange¬ deutet sind. Es wird deutlich, wie aus den CNT-Garnen 16 durch mehrfaches Beschichten und Zusammenfassen jeweils dicker werdende CNT-Garne 16a, 16b (16c nicht dargestellt) entstehen und durch einen letztmaligen Beschichtungsschritt der strangförmige Materialverbund 25 mit einer diesen kom¬ plett durchmessenen Matrix 25 aus Kupfer und in dieser verlaufenden CNT 23 entsteht. Die einzelnen Kupferschichten lassen sich im strangförmigen Materialverbund 21 nicht mehr erkennen (vgl. Figur 7), da diese durch die Wiederholung der
elektrochemischen Beschichtungsschritte zu einer einzigen Matrix 25 zusammengewachsen sind. Jedoch kann die schrittweise Ausbildung der Matrix 25 durch die zwischenzeitigen elektrochemischen Beschichtungsschritte anhand eines Verglei- ches der Figuren 3 und 4 sowie der Figuren 5 und 6 problemlos erkannt werden.
Das elementare CNT-Garn 16 gemäß Figur 2 besteht aus einem Strang aus CNT 23, wobei auch eine Sputter-Schicht 24 aus Kupfer zu erkennen ist. Sieben dieser elementaren CNT-Garne werden gemäß Figur 3 zu einem Garn 16a größeren Durchmessers zusammengefasst , wobei durch eine angedeutete Drehung 26 des entstandenen CNT-Garn größeren Durchmessers 16a ein Verseilen stattfinden kann, d. h. dass die elementaren CNT-Garne 16 miteinander verdrillt sind und wendeiförmig verlaufen. Wegen der in Figur 4 erfolgenden anschließenden weiteren Beschich- tung mit Kupfer, die die Matrix 25 entstehen lässt, ist ein Verseilen jedoch nicht unbedingt nötig, weil durch die ge¬ meinsame Matrix ein Zusammenhalt der CNT-Garne 16 gewährleis- tet ist. Zu erkennen ist in Figur 4 im Übrigen auch, dass bei dem nachfolgenden elektrochemischen Beschichten eventuell Hohlräume 27 in der Matrix 25 verbleiben, die nicht mit Kup¬ fer ausgefüllt werden. Diese Erscheinung kann jedoch hingenommen werden, weil trotz dieser Hohlräume durch die Matrix 25 Brücken 28 zwischen den benachbarten elementaren Garnen 16 (vgl. Figur 3) entstehen. Das beschriebene Phänomen kann selbstverständlich auch im weiteren Fertigungsverlauf bei nachfolgenden Beschichtungsschritten mit Kupfer auftreten, auch wenn dieses in den folgenden Figuren nicht dargestellt ist.
In Figur 5 ist zu erkennen, wie drei der Garne größeren Durchmessers 16a gemäß Figur 4 zusammengefasst werden und in einem weiteren elektrochemischen Beschichtungsschritt gemäß
Figur 6 derart zusammengefasst werden, dass sich die einheit¬ liche Matrix 25 ausbildet. Nicht dargestellt ist ein nächster Schritt der Zusammenführung zweier CNT-Garne größeren Durchmessers 16b zu einem weiteren CNT-Garn größeren Durchmessers 16c, wie in Figur 1 beschrieben. Nach Beschichtung dieses
Verbandes entsteht der strangförmige Materialverbund 21, wie in Figur 7 dargestellt.
Der Beschichtungsschritt durch Sputtern gemäß Figur 1 kann auch in nicht dargestellter Weise nach einem ersten Zusammenführen der CNT-Garne 16 erfolgen. Zu diesem Zweck müssten die Sputter-Targets 15 lediglich an eine Stelle nach der Zusam¬ menführung verlagert werden. In diesem Falle würden die Garne 16 gemäß Figur 2 nur aus den CNT 23 bestehen und so bei dem CNT-Garn größeren Durchmessers 16a gemäß Figur 3 die CNT di¬ rekt aufeinander zu liegen kommen (gemäß dem Anspruchswort¬ laut wäre das elementare CNT-Garn, welches die erste Be¬ schichtung mit dem Matrix-Material erfährt, aus den Garnen 16 zusammengesetzt, die die Fasern des elementaren CNT-Garnes bildeten) . Bei dem nachfolgenden Schritt gemäß Figur 4, bei dem eine elektrochemische Beschichtung zur Ausbildung der Matrix 25 führt (evtl. nach einer ersten Beschichtung durch Sputtern) wird dann dennoch die Ausbildung von Brücken 28 zwischen benachbarten CNT ermöglicht.