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Dokumentenidentifikation DE10048203B4 13.04.2006
Titel Verbundwerkstoff und Verfahren zu seiner Herstellung
Anmelder Yazaki Corp., Tokio/Tokyo, JP
Erfinder Ushijima, Hitoshi, Susono, Shizuoka, JP
Vertreter Grünecker, Kinkeldey, Stockmair & Schwanhäusser, 80538 München
DE-Anmeldedatum 28.09.2000
DE-Aktenzeichen 10048203
Offenlegungstag 06.12.2001
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 13.04.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.04.2006
IPC-Hauptklasse D01F 11/12(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse D06M 11/83(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen Verbundwerkstoff aus in einer Gasphase epitaktisch gewachsenen Kohlefasern und einer aus einem Metall bestehenden Matrix.

Bei elektronischen Bauteilen besteht das Bedürfnis, die im Betrieb erzeugte Wärme abzuführen.

In dem Maße, wie elektronische Vorrichtungen, z.B. Notebooks und sogenannte Hand-Held-Vorrichtungen, immer kleiner dimensioniert werden, wird es immer schwieriger, wenn nicht gar unmöglich, Kühlgebläse in diesen elektronischen Vorrichtungen vorzusehen. Es besteht deshalb ein Bedarf nach Werkstoffen, die einerseits eine hinreichend hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, um die im Betrieb erzeugte Wärme aus der elektronischen Vorrichtung abzuführen, und andererseits hinreichend leicht ist.

Aus der EP 0 583 062 B1 ist ein Verbundwerkstoff bekannt, bei welchem in einer Metallmatrix einzelne, nicht miteinander verbundene kurze Kohlenfaserstücke vorliegen. Diese kurzen Kohlefaserstücke werden aus sogenannten Vor-VGCF, also Vorläufer der Kohlefasern, durch Aufbringung starker Stoßbeanspruchungen frakturiert.

Durch die absichtsvoll herbeigeführte Trennung der einzelnen Kohlefasern innerhalb der Matrix wird die Wärmeleitfähigkeit des so erzeugten Verbundmaterials vermindert. Aus der US-A 5,814,408 ist ein Verbundwerkstoff aus einer Metallmatrix und darin eingelagerten epitaktisch gewachsenen Kohlefasern bekannt, bei welchem die Fasern in einer oder zwei Vorzugsrichtungen orientiert sind. Dieser bekannte Verbundwerkstoff weist ein anisotropes Wärmeleitungsverhalten auf, was im Hinblick auf das Abführen von Wärme aus elektronischen Bauteilen jedoch unerwünscht ist.

Aus der US-A 5,814,408 ist es bekannt, eine Kohlefaserschicht mit einem geschmolzenen Metall zu imprägnieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verbundwerkstoff mit hoher Wärmeleitfähigkeit und geringem Gewicht sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung zu schaffen.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verbundwerkstoffes durch den Gegenstand des Anspruchs 1 und hinsichtlich des Herstellungsverfahrens durch den Gegenstand des Anspruchs 2 gelöst.

Der mit Hilfe der Erfindung geschaffene Verbundwerkstoff zeichnet sich dadurch aus, daß die Kohlefasern in Form von federartigen Fasern im Matrixmetall vorliegen. Durch die federartigen Fasern wird ein dreidimensionales Netzwerk gebildet, welches das angestrebte isotrope Wärmeleitungsverhalten des Verbundwerkstoffes gewährleistet. Somit eignet sich der Verbundwerkstoff nach der Erfindung besonders zur Verwendung in kleinformatigen elektronischen Geräten, bei welchen es auf eine starke Wärmeableitung bei gleichzeitig geringem Gewicht ankommt.

Das Verfahren nach der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß ein Filter zusammen mit einer Faserschicht und dem Metall in einen Druckbehälter eingeführt wird. Mittels des Filters wird vermieden, daß die Faserschicht in der Metallschmelze aufschwimmt. Vielmehr kann mit Hilfe des Filters durch eine Vertikalbewegung im Druckbehälter die Menge der Matrixkomponente im Verbundwerkstoff gesteuert werden.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben. In dieser zeigt:

1 eine fotografische Aufnahme von in einer Gasphase epitaktisch gewachsenen Kohlefasern in Form von federartigen Fasern, wobei diese Aufnahme mit Hilfe eines Raster-Elektronenmikroskops gemacht wurde,

2 eine andere fotografische Aufnahme von in einer Gasphase epitaktisch gewachsenen Kohlefasern in Form von federartigen Fasern, wobei diese Aufnahme gleichfalls mittels eines Raster-Elektronenmikroskops gemacht wurde,

3 eine fotografische Aufnahme von bevorzugten, in einer Gasphase epitaktisch gewachsenen Kohlefasern in Form von federartigen Fasern, wobei diese Aufnahme mit Hilfe eines Transmissions-Elektronenmikroskops gemacht wurde,

4 ein Diagramm, welches beispielhaft das Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Verbundmaterials darstellt, wobei 4(a) ein Modelldiagramm darstellt, das den Zustand zeigt, in dem eine Aufschlemmung, die durch Dispergieren der in einer Gasphase epitaktisch gewachsenen Kohlefasern in Form von federartigen Fasern in einem Lösungsmittel erhalten wurde, in einen Behälter überführt wird, 4(b) ein Modelldiagramm, welches einen Zustand zeigt, in dem eine Faserschicht, aufgebaut aus den in einer Gasphase epitaktisch gewachsenen Kohlefasern in Form von federartigen Fasern handelt, in dem in 4(a) dargestellten Behälter gebildet worden ist, 4(c) einen Modellquerschnitt eines Zustandes, in dem die Faserschicht mit geschmolzenem Metall imprägniert worden ist, und 4(d) ein Modelldiagramm darstellt, welches das Verbundmaterial darstellt, welches aus in einer Gasphase epitaktisch gewachsenen Kohlefasern in Form von federartigen Fasern sowie Metall besteht, und

5 ein Modelldiagramm, welches ein Verbundmaterial (Verbundwerkstoff) zeigt, das ein Gewebe (Textilmaterial), bestehend aus langen Kohlefasern als Füllstoffe, aufweist.

Der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff (Verbundmaterial) besteht aus in der Gasphase gewachsenen Kohlefasern (nachstehend auch als "VGCF" bezeichnet), die eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Es kann daher ein Verbundwerkstoff erhalten werden, der eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit aufweist.

Die in einer Gasphase epitaktisch gewachsenen Kohlefasern für die Verwendung in dem erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff (Verbundmaterial) umfassen bekannte Nadelkristalle, auch als "Whisker" bezeichnet. Die obengenannten Nadelkristalle weisen eine eindimensionale Gestalt auf. Wenn die Nadelkristalle zum Formen eines Verbundwerkstoffs verwendet werden, der dreidimensionalen Anforderungen genügt, müssen beispielsweise die Wärmestrahlung, die Richtung der Orientierung der Nadelkristalle kontrolliert werden. Die Kontrolle ist jedoch sehr schwierig.

Polyacrylnitril-Kohlefasern und Pech-Kohlefasern, die lange Kohlefasern darstellen, sind bekannt als eindimensionale Kohlefasern. Wenn die obengenannten langen Kohlefasern zerhackt oder gemahlen werden (wenn lange Kohlefasern nach einem üblichen Verfahren gemahlen werden, kann kein vollständiges Pulver erhalten werden, weshalb die Fasergestalt aufrechterhalten wird) tritt ein ähnliches Problem in Bezug auf die Gestalt auf. Die Wärmeleitfähigkeit der langen Kohlefasern ist beträchtlich geringer als diejenige der in einer Gasphase epitaktisch gewachsenen Kohlefasern (die Wärmeleitfähigkeit der in einer Gasphase epitaktisch gewachsenen Kohlefasern beträgt etwa 1500 w/mK, während diejenige der PAN- oder Pech-Kohlefasern etwa 1 w/mK bis etwa 600 w/mK beträgt). Wenn daher ein Verbundwerkstoff mit Aluminium (das eine Wärmeleitfähigkeit von 200 w/mK bis 270 w/mK aufweist) hergestellt wird, kann die Wärmeleitfähigkeit dadurch nicht in zufriedenstellender Weise erhöht werden.

Ein konventioneller Verbundwerkstoff (vgl. 5), der ein Gewebe (Textilmaterial) umfasst, das aus langen Kohlefasern aufgebaut ist, hat eine solche Struktur, dass die Fasern zweidimensional orientiert sind. Auch die Wärmeleitfähigkeit des obengenannten Verbundwerkstoffs weist Richtungseigenschaften auf. Daher kann eine zufriedenstellende eindimensionale oder zweidimensionale Wärmeleitfähigkeit erhalten werden. Eine zufriedenstellende dreidimensionale Wärmeleitfähigkeit kann jedoch nicht erhalten werden. Obgleich so genannte 3D-Gewebe (stereoskopische Gewebe) verwendet werden können, kann eine hohe Füllungsdichte, mit der ein zufriedenstellender Effekt erhalten werden kann, nicht hergestellt werden. Noch schlimmer ist, dass das obengenannte Gewebe vom Standpunkt der praktischen Verwendung aus betrachtet ein kostspieliges Gewebe ist.

Die in einer Gasphase epitaktisch gewachsenen Kohlefasern für die Verwendung in dem erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff (Verbundmaterial) müssen daher in einer Gasphase epitaktisch gewachsene Kohlefasern sein, bei denen es sich um federartige Fasern handelt. Die Gasphasenepitaxial-Kohlefasern, bei denen es sich um federartige Fasern handelt, weisen ein spezifisches Gewicht von etwa 2,0 auf (das spezifische Gewicht von Aluminium beträgt 2,7). Darüber hinaus weisen die in einer Gasphase epitaktisch gewachsenen Kohlefasern des obengenannten Typs Verzweigungen auf und sie enthalten partiell Wölbungen (Krümmungen) und in einigen Fällen Restriktionen. Außerdem sind die Fasern miteinander oder wechselseitig verzwirnt, sodass ein Faserblock mit einer undefinierten Gestalt und einer Gesamtgröße von 0,03 bis 1 mm gebildet wird. Die in einer Gasphase epitaktisch gewachsenen Kohlefasern, bei denen es sich um federartige Fasern handelt, weisen Verzweigungen auf. Deshalb kann die Wärme durch ein dreidimensionales Netzwerk geleitet werden. Daraus folgt, daß ein Verbundwerkstoff mit einer ausgezeichneten dreidimensionalen Wärmeleitfähigkeit erhalten werden kann, wenn die obengenannten, in einer Gasphase epitaktisch gewachsenen Kohlefasern in Form von federartigen Fasern und ein Metall als Füllstoffe verwendet werden.

Die 1 und 2 zeigen fotografische Aufnahmen der in einer Gasphase epitaktisch gewachsenen Kohlefasern in Form von federartigen Fasern, die Wölbungen, gelegentlich Restriktionen aufweisen und untereinander oder wechselseitig verzwirnt sind, die durch ein Rasterelektronenmikroskop aufgenommen wurden. Die 3 zeigt die gleiche Aufnahme mit einem Transmissionselektronenmikroskop.

Die in einer Gasphase epitaktisch gewachsenen Kohlefasern in Form von federartigen Fasern werden erhalten, indem man ein Gasphasenepitaxial-Verfahren durchführt, das in der Weise durchgeführt wird, dass ein Kohlenwasserstoff wie Benzol als Kohlenstoffquelle dient und Eisen als Kern in Gegenwart von Wasserstoff verwendet wird. Diesmal wurden die Bedingungen, beispielsweise die Temperatur, der Atmosphärendruck und die Zuführungsmenge an Kohlenwasserstoff, bei dem es sich um das Ausgangsmaterial handelt, geändert. Es kann sich somit um in einer Gasphase epitaktisch gewachsene Kohlefasern in Form von federartigen Fasern mit Verzweigungen handeln, die teilweise Wölbungen, und in einigen Fällen Restriktionen aufweisen, und miteinander oder wechselseitig verzwirnt sind. Mehrere federartige Fasern sind wechselseitig verzwirnt, sodass ein Faserblock gebildet wird. Bisher wurden die in einer Gasphase epitaktisch gewachsenen Kohlefasern unter Bedingungen hergestellt, bei denen keine Verzweigungen und Wölbungen (Krümmungen) entstehen für den Zweck der Verwendung der in einer Gasphase epitaktisch gewachsenen Kohlefasern in einem üblichen Verwendungszweck, beispielsweise zur Erzielung einer zufriedenstellenden mechanischen Festigkeit.

Vom Grundgedanken der vorliegenden Erfindung aus betrachtet ist es bevorzugt, dass das in dem erfindungsgemäßen Verbundwerkstoff als Matrix dienende Metall eine hohe Wärmeleitfähigkeit und ein niedriges spezifisches Gewicht aufweist. Das heißt, es ist bevorzugt, dass ein Vertreter aus der Gruppe Aluminium, verschiedene Aluminium-Legierungen und Magnesium-Legierungen verwendet wird.

Der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff (Verbundmaterial) kann beispielsweise wie folgt erhalten werden:

Die in einer Gasphase epitaktisch gewachsenen Kohlefasern in Form von federartigen Fasern sind empfindliche und spröde Fasern, die bei der Einwirkung einer Belastung leicht brechen. Das dreidimensionale Netzwerk kann daher leicht verloren gehen. Die in einer Gasphase epitaktisch gewachsenen Kohlefasern werden deshalb in einem organischen Lösungsmittel (als Alternative dazu kann ein gemischtes Lösungsmittel verwendet werden), z.B. in Wasser, Alkohol oder Keton dispergiert (das obengenannte Lösungsmittel wird kollektiv als "Lösungsmittel" bezeichnet). Erforderlichenfalls kann eine Chemikalie, beispielsweise ein Tensid, zur Verbesserung des Dispergiereigenschaften zugegeben werden zur Überführung der Lösung in die Aufschlämmung 101. Dann wird die Aufschlämmung 101 in einen Behälter aus einem porösen Material 102 (Filterpapier oder poröse Keramik) injiziert, der einen Boden aufweist, der das Eindringen von Flüssigkeit erlaubt (vgl. 4(a)). Dann wird das Lösungsmittel entfernt, so dass die Faserschicht 103 gebildet wird, die aus den in einer Gasphase epitaktisch gewachsenen Kohlefasern in Form von federartigen Fasern besteht, wie in 4(b) dargestellt.

Die erhaltene Faserschicht wird in einen Behälter 1 (einen Druckbehälter) überführt, der mit einer Heizeinrichtung 104 ausgestattet ist, wie in 4(c) dargestellt. Der Bodenabschnitt 106 (in der Zeichnung als "Basismaterial" bezeichnet) kann wie nachstehend beschrieben entfernt werden.

Ein Filter 105, bestehend aus einem porösen Material (bei dieser Ausführungsform eine poröse Keramik), das wärmebeständig ist, wird auf die obengenannte Faserschicht 103 auflaminiert. Dann wird ein Metall (in fester Form) auf den Filter 105 auflaminiert.

Nachdem die Faserschicht 103, der Filter 105 und das Metall 106 in den Druckbehälter eingeführt worden sind, wird der Druckbehälter unter Vakuum gesetzt. Darüber hinaus wird die Heizeinrichtung 104, die in dem Behälter vorgesehen ist, eingeschaltet, um das Metall 106 zu erhitzen und zum Schmelzen zu bringen. Ferner wird ein Druck im Innern des Behälters 1 erzeugt durch Verwendung eines Gases, das gegenüber dem geschmolzenen Metall, bei dem es sich um die Matrix handelt, und gegenüber Kohlenstoff oder Argongas (bei dieser Ausführungsform wird Argongas verwendet) inaktiv ist. Auf diese Weise wird die Faserschicht 103 durch Anwendung von Druck mit dem geschmolzenen Metall, das als Matrix-Komponente dient, imprägniert. Danach wird die Heizeinrichtung 104 des Behälters 1 ausgeschaltet, um das System abzukühlen und das Metall erstarren zu lassen. Nachdem die Temperatur abgesunken ist, wird das Basismaterial im Boden des Behälters entfernt. Dann wird das Verbundmaterial, das Gasphasenepitaxial-Kohlefasern umfasst, bei denen es sich um federartige Fasern handelt, herausgezogen.

Wie vorstehend beschrieben, wird das Imprägnieren mit dem geschmolzenen Metall unter dem Druck des inaktiven Gases durchgeführt. Auf diese Weise kann auch dann ein ausgezeichnetes Verbundmaterial erhalten werden, wenn ein geschmolzenes Metall verwendet wird, das leicht oxidiert werden kann.

Der Filter kann in dem Druckbehälter vertikal bewegt werden, um einen optimalen Raum unterhalb des Filters aufrechtzuerhalten. Dadurch kann eine übermäßige Vergrößerung der Menge der Matrix-Komponente in dem erhaltenen Verbundwerkstoff verhindert werden. Darüber hinaus kann ein Brechen der in einer Gasphase epitaktisch gewachsenen Kohlefasern in Form von federartigen Fasern praktisch vollständig verhindert werden. Daraus folgt, daß die Wärmeleitfähigkeit und ein Effekt in Bezug auf die Verringerung des Gewichtes der in einer Gasphase epitaktisch gewachsenen Kohlefasern in Form von federartigen Fasern in zufriedenstellender Weise verbessert werden können.

Wenn die Gestalt des Basismaterials und des porösen Keramikmaterials verändert wird, kann eine Vielzahl von Gestalten erhalten werden, beispielsweise eine Gestalt, die für einen Wärmeableiter (ein Kühlelement) geeignet ist. Ein nachträglich durchgeführtes Verfahren zur Erzielung der gewünschten Gestalt kann daher entfallen oder das obengenannte nachträglich durchgeführte Verfahren kann erleichtert werden.

Das obengenannte Verfahren zur Herstellung des Verbundwerkstoffes (Verbundmaterials) ermöglicht die Herstellung eines faserverstärkten Metalls (FRM), das nicht leicht hergestellt werden kann und bei dem das spezifische Gewicht der Matrix höher ist als dasjenige des Füllstoffs. Der erhaltene Verbundwerkstoff weist eine ausgezeichnete Dispersion des Füllstoffs auf, wobei der Verbundwerkstoff in der Lage ist, einen Verlust an verschiedenen Eigenschaften (Wärmeleitfähigkeits-Eigenschaften, elektrische Leitfähigkeits-Eigenschaften, Festigkeit und Elastizität) zu verhindern und die Orientierung zu vermindern. Es sei darauf hingewiesen, daß das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des Verbundwerkstoffs auch dann angewendet werden kann, wenn ein Verbundwerkstoff hergestellt werden soll, der einen Füllstoff enthält, der aus üblichen in einer Gasphase epitaktisch gewachsenen Kohlefasern oder aus in einer Gasphase epitaktisch gewachsenen Kohlefasern in Form von federartigen Fasern besteht.

Der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff weist ein geringes Gewicht und eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit auf, da er keine Richtungseigenschaften aufweist. Da die Kohlefasern, die federartige Fasern sind, als Füllstoffe verwendet werden, weist der erfindungsgemäße Verbundwerkstoff auch eine ausgezeichnete mechanische Festigkeit auf.

Das Verfahren zur Herstellung des Verbundwerkstoffs ermöglicht die Herstellung eines Verbundwerkstoffs (eines faserverstärkten Metalls), der eine ausgezeichnete Dispersion der Füllstoffe aufweist, der eine Verschlechterung der Eigenschaften verhindern kann und in dem die gerichteten Eigenschaften vermindert werden können.


Anspruch[de]
  1. Verbundwerkstoff, umfassend in einer Gasphase epitaktisch gewachsene Kohlefasern in Form von federartigen Fasern und ein Metall.
  2. Verfahren zum Herstellen eines Verbundwerkstoffes mit den Schritten:

    – Dispergieren von in einer Gasphase epitaktisch gewachsenen Kohlefasern in einem Lösungsmittel,

    – Entfernen des genannten Lösungsmittels unter Bildung einer Faserschicht, die aus den in der Gasphase epitaktisch gewachsenen Kohlefasern gebildet ist,

    – Einführen der Faserschicht, eines Filters und eines Metalls in einen Druckbehälter (1),

    – Erzeugung eines Vakuums in dem Druckbehälter (1) und

    – Erhitzen und Schmelzen des Metalls, so dass die Faserschicht unter Druckbeaufschlagung mit dem geschmolzenen Metall imprägniert wird.
Es folgen 5 Blatt Zeichnungen






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