EP1992015A2 - Verbundwerkstoff und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Verbundwerkstoff und verfahren zu seiner herstellung

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Publication number
EP1992015A2
EP1992015A2 EP07701341A EP07701341A EP1992015A2 EP 1992015 A2 EP1992015 A2 EP 1992015A2 EP 07701341 A EP07701341 A EP 07701341A EP 07701341 A EP07701341 A EP 07701341A EP 1992015 A2 EP1992015 A2 EP 1992015A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
microns
vol
filler
range
ppm
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP07701341A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Erich Neubauer
Paul Angerer
Réne NAGEL
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
AIT Austrian Institute of Technology GmbH
Original Assignee
Austrian Research Centers GmbH ARC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Austrian Research Centers GmbH ARC filed Critical Austrian Research Centers GmbH ARC
Publication of EP1992015A2 publication Critical patent/EP1992015A2/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • C22C32/0084—Non-ferrous alloys containing at least 5% by weight but less than 50% by weight of oxides, carbides, borides, nitrides, silicides or other metal compounds, e.g. oxynitrides, sulfides, whether added as such or formed in situ carbon or graphite as the main non-metallic constituent
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
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    • C22C26/00—Alloys containing diamond or cubic or wurtzitic boron nitride, fullerenes or carbon nanotubes
    • C22C2026/002—Carbon nanotubes

Definitions

  • the invention relates to a material according to the preamble of claim 1, especially a composite material composed of several components and thus offers the possibility of the coefficient of thermal expansion in a range of 4 to 12 ppm / K by the choice of composition and by the manufacturing conditions adjust.
  • the material should be characterized by a high thermal conductivity and thermal conductivity.
  • the invention further relates to the production process for such a material using rapid sintering processes or a process according to the preamble of claim 15.
  • a material of the type mentioned above is characterized by the features recited in the characterizing part of claim 1
  • a method of the type mentioned above is characterized according to the invention with the features of claim 15.
  • the material according to the invention comprises a matrix A with a high thermal conductivity or thermal diffusivity: here, copper comes into consideration or copper-based materials or alloys.
  • a pure copper matrix or a copper-based matrix has a coefficient of expansion in the range of 16-20 ppm / K. For this reason, the matrix content should be kept as low as possible.
  • the material further comprises a metallic and / or ceramic filler B, with the thermal expansion in the range of 4 to 6 ppm / K, which either has a thermal conductivity of about 50-200 W / mK (in the case of the metallic
  • the material further comprises a thermally highly conductive filler C, which has a low coefficient of thermal expansion.
  • a thermally highly conductive filler C which has a low coefficient of thermal expansion.
  • a filler on Carbon base selected, such as graphite, carbon fibers, carbon / nanofibers, carbon nanotubes and / or diamond. All of these fillers have a coefficient of expansion (at least in one spatial direction) that ranges from about -2 to +2 ppm / K.
  • the filler C may optionally be coated with a functional layer D, which allows a good connection to the matrix A and / or the filler B.
  • the properties of the material are improved if a homogeneous distribution of the fillers B and C in the metal matrix A is present in the material.
  • the material according to the invention obtains an advantageous microstructure by the features of claims 8 to 11. Good strength properties are achieved with the features of claim 12.
  • An inventive material is advantageously characterized in that the material has an expansion coefficient of 4 to 12 (.10 "6 K '1 ) in a temperature range of 2O 0 C to 5O 0 C.
  • Figure 1 Basic structure of the composite material: Metallic matrix filler A, with metallic or ceramic fillers B and thermally highly conductive carbon-based filler C.
  • the filler C may be coated with a coating D.
  • Coefficient of expansion (calculated by mixing rule) of a composite consists of matrix A and filler C as a function of the volume fraction of filler C.
  • Matrix A consists of pure copper or a copper alloy. To one Coefficient of expansion below 8 ppm / K, a volume fraction of 55 vol.% Filler C is provided.
  • Figure 3 Theoretical dependence of the thermal expansion coefficient of a composite material (calculated by mixing rule) consists of matrix A with 50 vol.% Filler C with variation of the volume content of filler B.
  • the matrix A consists of pure copper or a copper alloy.
  • the filler B is characterized by a thermal expansion coefficient of 4 ppm / K.
  • Figure 1 shows the structure of the material.
  • a direct mixture of copper or copper-based matrices with the carbon-based filler poses three problems: a) Generally, a poor thermal transition between copper and carbon is observed. This is partly due to the lack of
  • Figure 2 shows the expansion properties as a function of filler content C. c) Especially in the case of diamond must in the selection of the
  • coated fillers can be used.
  • the fillers are made with a layer of one
  • Coefficient of low expansion material with good affinity to the carbon filler such as Mo, W, Cr, Ta, AIN coated.
  • the thickness of the coating may be in the range of a few 10 nm to a few 100 nm, or the proportion of the total material at about 0.1 to 5 vol.%.
  • an improvement in the thermal transition but also by skillful
  • a metallic filler B Selection of a metallic filler B can be achieved. b) In order to achieve a coefficient of thermal expansion in the composite that is as close as possible to that of Al 2 O 3 or AlN, the copper-based matrix with an expansion coefficient of 16-20 ppm / K can be modified accordingly, so that the expansion coefficient is reduced.
  • Suitable components for reducing the coefficient of expansion of the copper-based matrix are: ceramic fillers which have a low coefficient of thermal expansion in the range of 4 to 6 ppm / K and which do not disproportionately deteriorate (as would be the case with Ti, for example) cause thermal conductivity.
  • ceramic fillers which have a low coefficient of thermal expansion in the range of 4 to 6 ppm / K and which do not disproportionately deteriorate (as would be the case with Ti, for example) cause thermal conductivity.
  • the ceramic filler does not significantly affect the thermal conductivity of the copper-based matrix (through an approximate linear relationship corresponding to the
  • Suitable representatives of such a filler are Cu.sub.2O or Al.sub.2O, metallic fillers which have a thermal conductivity of at least 50 W / mK and an expansion coefficient of between 4 and 6 ppm / K, as in the case of Mo, Cr or W.
  • a ceramic and / or metallic filler content in the amount of at least 5 vol.% Is used.
  • a particularly effective reduction of the expansion coefficient becomes possible when the ceramic filler Cu 2 O is generated in situ. This can be achieved by using copper
  • the present invention describes materials which are composed essentially of three components: metallic matrix A, ceramic and / or metallic filler B, on
  • Carbon-based filler C may optionally be provided with a coating D.
  • the special choice of the metallic and / or ceramic filler B has the following reason:
  • the filler should on the one hand have a very low coefficient of thermal expansion and at the same time either have a high thermal conductivity and / or not disturb the thermal conductivity of the copper-based matrix sensitively.
  • Copper oxide (cuprite, Cu2O) is a ceramic filler characterized by a low thermal expansion coefficient of about 4-6 ppm / K.
  • the Cu2O content in a copper matrix negatively affects them only in an approximately linear context.
  • the thermal conductivity can ⁇ and also the thermal expansion coefficient ⁇ of a matrix-Inclusion mixture from the volume fractions of the individual components is calculated (VMat ⁇ x V
  • n ki US j On.): A V Matr ⁇ x • ⁇ Uatr ⁇ x + V 1Mus ⁇ nn • ⁇ h ⁇ lmwn
  • Expansion coefficient was reduced to a value of about 10 ppm / K (originally 16 ppm / K).
  • results (with a thermal conductivity of the diamond of 1000 W / mK and an expansion coefficient of 1 ppm / K) has a thermal conductivity of 600 W / mK and an expansion coefficient of about 5.5 ppm / K.
  • the thermal transition between the matrix and the carbon-based filler must not be neglected.
  • FIG. 3 shows the possibility of varying the coefficient of expansion B by the variation of the filler content B, as with a constant filler content C of 50% by volume.
  • this can be mixed as a filler directly in the form of Cu2O or CuO particles with the matrix or with the thermally highly conductive filler C or as an alternative method, the Cu2O also in-situ during the preparation of Composite are formed directly.
  • This is achieved either by a corresponding process control (no reducing atmosphere) and / or by the use of very fine-grained copper powders in the submicron grain size range with a high specific surface area.
  • a corresponding process control no reducing atmosphere
  • copper nanopowders it is possible to produce finely divided Cu2O oxides in a high proportion due to the high oxygen affinity of these powders.
  • a composite with reduced thermal expansion can be achieved even if special metallic fillers are selected which have a low coefficient of thermal expansion of 4-6 ppm / K and additionally have a positive influence on the thermal contact between matrix and carbon-based fillers, even if they are used in a large amount (> 5 vol.%).
  • a large amount of the metallic fillers makes it possible to dispense with the coating of the carbon-based filler optionally can be, without causing a significant deterioration of the thermal properties.
  • a high metallic filler content and / or a coating of the filler in combination with a high sintering temperature allows the use of extremely short sintering times. Due to the high metal filler content, only short diffusion distances to the carbon-based filler C are traceable.
  • Materials with a low thermal expansion coefficient and a thermal conductivity of 200 W / m K and more are popular materials in the field of electronics, either as a carrier plate or as a heat sink.
  • the increasing demands of the electronics industry require materials with thermal conductivities of more than 300 W / mK and an expansion coefficient in the range of 6-10 ppm / K. In many cases, these requirements can not even be met by composite materials such as Cu-Mo, Cu-W or AISiC.
  • AIN and SiC can be used as a heat sink, they are expensive.
  • the thermal properties are about 270 W / mK for SiC and 250 W / mK for AIN.
  • Heat sinks for laser applications are already made of diamond or CBN is used in laser diodes.
  • Diamond can be produced by CVD or by high-temperature high-pressure process.
  • CBN is produced by the latter method. Both are just as expensive, and limited in size.
  • the coefficient of expansion of CVD diamond is 2.3 ppm / K, of cBN 3.7 ppm / K and is therefore lower than that of GaAs (5.9ppm / K) or InP (4.5ppm / K). This suffers from the reliability during operation but also during the soldering process.
  • Diamond-based composites such as Cu-diamond, Al-diamond or Ag-diamond represent a promising alternative.
  • Patents US 6,171,691 and EP 0898310 A2 describe a material consisting of a metal such as Cu, Ag, Au, Al, Mg or Zn, a carbide formed from the metals of the Periodic Table 4a and 5a and Cr and a Diamant glycollstoff.
  • the diamond filler is covered by a carbide layer. The preparation of the material takes place via the liquid phase of the metal matrix.
  • Patent WO 2004/044950 A3 describes a material consisting in
  • Patent WO 2004/080913 A1 describes a method for producing a
  • Diamond-based material using Cu, Ag, Au or their alloys Here also wetting-promoting alloying elements ⁇ 3 at.%.
  • Patent US 2004 / 0183172A1 describes a material consisting of a metal based on copper or silver, wherein the attachment to the diamond takes place via a metal carbide.
  • Patent EP 1160860 A1 describes a material which consists of Cu, Al or Ag, wherein various elements are used to improve the wetting in order to improve the wettability of graphite or carbon in the liquid-phase infiltration process of a porous preform.
  • Patent US 2005/0051891 A1 describes a material with 60-90 vol.%
  • the matrix used here is copper. With this method it is possible to obtain a material with a coefficient of expansion below 6 ppm / K. In order to obtain a dense compact body, however, pressures of 1 to 6 GPa are used here. Such a process is costly (required Sintreranlageri), also the production is limited to simple geometries. Appropriate measures are taken to avoid the formation of copper oxides.
  • the oxygen content is less than 0.07 wt.%.
  • Patents US 5,783,316 and US 6,264,882 describe a material of the
  • Liquid phase infiltration of a porous preform is produced.
  • Coated diamonds are also used, e.g. with W, Zr, Re, Cr and Ti layers.
  • the matrix used here is Cu, Ag or Cu-Ag.
  • the porous preform is in a second
  • Expansion properties is thus a method that works especially quickly and therefore cost-effective.
  • the production takes place while applying mechanical pressure in combination with a suitable temperature control.
  • the corresponding powder mixture is filled in a die, for example made of graphite, and optionally precompressed at a pressure of a few MPa.
  • the precompressed press die is inserted into a corresponding conductive or induction heated hot press and then evacuated.
  • the efficient production is achieved by a high heating / cooling rate in combination with a short sintering time.
  • a high heating / cooling rate By deliberately avoiding a reducing sintering atmosphere, it is not only possible to use simply constructed and therefore cost-effective systems, but also to achieve in situ oxidation to form Cu 2 O in order to reduce the coefficient of expansion of the matrix.
  • This in-situ oxidation can be controlled both by the grain size of the starting copper powder and / or by the process conditions used.
  • High heating rates (of a few 100 K / min) can be achieved by processes such as induction or conductively heated hot presses. Modified methods are, for example, spark plasma sintering or field assisted sintering.
  • the sample After reaching a temperature of 900 0 C and a holding time of 2 minutes, the sample was cooled at a cooling rate of about 200 ° C / min to about 400 0 C; after a temperature of about 100 0 C was reached, the vacuum vessel was vented.
  • the proportion of Cu2O was determined to be about 14.2 vol.% Via XRD.
  • the samples were examined by means of a dilatometer in a temperature range from RT to 300 ° C. A mean expansion coefficient of 8.6 ppm / K in this range was determined, at 50 0 C this was 7.6 ppm / K. according to figure 4.
  • Example 2 8.84 g of synthetic diamond powder having a particle size of 300 ⁇ m were coated with a layer of about 200 nm Mo via a PVD process and dried with 33.66 g of Cu having a particle size ⁇ 15 ⁇ m for 2 hours in a turbulam mixer mixed. Of these, 8 g were filled into a 20 mm diameter graphite die and precompressed at a pressure of 5 MPa. The filled and pre-compacted graphite die was placed in an induction heated hot press and evacuated to a pressure of 10 "2 mbar, simultaneously increasing the mechanical pressure to 50 MPa and a heating rate of 150 ° C / min by means of an induction coil.
  • the sample was cooled at a cooling rate of about 200 ° C / min to about 400 0 C; after a temperature of about 100 0 C was reached, the vacuum vessel was vented.
  • the proportion of Cu2O was determined to be about 8.2% by volume over XRD ( Figure 5).
  • the measurement of the coefficient of thermal expansion was carried out by means of dilatometer in a temperature range from RT to 300 0 C measured. An average expansion coefficient of 10.8 ppm / K in this range was determined, at 50 ° C this was 9.6 ppm / K.
  • the filled and precompacted graphite die was placed in an inductively heated hot press and evacuated to a pressure of 10 "2 mbar, simultaneously increasing the mechanical pressure to 50 MPa and achieving a heating rate of 150 ° C / min by means of an induction coil.
  • the sample After reaching a temperature of 95O 0 C and a holding time of 2 minutes, the sample was cooled at a cooling rate of about 200 ° C to about 400 0 C; after a temperature of about 100 0 C was reached, the vacuum vessel was vented. To measure the thermal expansion coefficient, the samples were examined by means of a dilatometer in a temperature range from RT to 300 ° C. An average expansion coefficient of about 8.1 ppm / K in this range was determined, at 50 0 C this was 7.2 ppm / K.
  • the filled and precompacted graphite die was placed in a Spark Plasma sintering unit and evacuated to a pressure of 10 "1 mbar, simultaneously increasing the mechanical pressure to 30 MPa and achieving a heating rate of 150 ° C / min using pulsed DC a temperature of 900 0 C and a holding time of 2 minutes, the sample was cooled at a cooling rate of about 200 0 C to about 400 0 C, after which a temperature was reached about 100 0 C, the vacuum vessel was vented by using.
  • Cu nanopowders under non-reducing conditions showed an in-situ formation of Cu 2 O.
  • the proportion of Cu 2 O was determined to be about 18.7% by volume ..
  • the samples were measured by means of a dilatometer in a temperature range from RT to 300 ° C.
  • a mean expansion coefficient of 8.5 ppm / K in this range was determined, at 50 ° C. it was 7.4 ppm / K.
  • the sample After reaching a temperature of 900 0 C and a holding time of 2 minutes, the sample was cooled at a cooling rate of about 200 ° C to about 400 0 C; after a temperature of about 100 ° C was reached, the vacuum vessel was vented.
  • the proportion of Cu2O was estimated to be about 1.9% by volume using XRD measurement ( Figure 6).
  • Figure 6 To measure the thermal expansion coefficient, the samples were examined by means of a dilatometer in a temperature range from RT to 200 ° C. An average coefficient of expansion in the xy direction of 10.8 ppm / K in this range was determined, at 50 ° C. it was 8.9 ppm / K.
  • Example 6 23.32 g of synthetic diamond powder with a particle size of 50-60 ⁇ m, 6.82 g
  • Mo powders with a particle size ⁇ 50 ⁇ m, 53.34 g Cu with a particle size ⁇ 30 ⁇ m were dry mixed for 2 hours in a Turbula mixer and filled in a graphite matrix with a diameter of 65 mm and precompacted at a pressure of 5 MPa.
  • the filled and pre-compacted graphite die was set in a hot press and evacuated to a pressure of 10 mbar ⁇ 2 and purged with hydrogen. At the same time, the mechanical pressure was increased to 20 MPa and a heating rate of 50 ° C / min was applied.
  • the sample After reaching a temperature of 1000 0 C and a holding time of 2 minutes, the sample was cooled at a cooling rate of about 200 0 C to about 400 0 C; after a temperature of about 100 0 C was reached, the vacuum vessel was vented. To determine the thermal expansion coefficient, the sample was measured in a temperature range from RT to 300 ° C. The proportion of Cu2O was determined to be about 1.2% by volume by XRD measurement. An average expansion coefficient of about 8.8 ppm / K in this range was determined, at 50 ° C this was 8.4 ppm / K. ( Figure 7)
  • the filled and precompacted graphite die was placed in an induction heated hot press and evacuated to a pressure of 10 "2 mbar, simultaneously increasing the mechanical pressure to 50 MPa and achieving a heating rate of 150 ° C / min by means of an induction coil of 1000 0 C and a holding time of 2 minutes, the sample was cooled at a cooling rate of about 200 0 C to about 400 0 C;. after a temperature was reached about 100 0 C, the vacuum vessel was vented the proportion of Cu2O was To determine the thermal expansion coefficient, the sample was measured in a temperature range from RT to 300 ° C. A mean expansion coefficient of approximately 6.6 ppm / K in this range was determined at 5O 0 C was 5.9 ppm / K ( Figure 7)
  • Example 9 0.53 gr Vitreous Grown Carbon Fibers were coated with 5.6 g of Cu powder
  • Grain size ⁇ 30 microns and 2.6 g of Mo were mixed with isopropanol for 24 hours, dried and filled in a graphite die with a diameter of 20 mm and with a Pressure of 5 MPa precompacted.
  • the filled and vorkom pact graphite die was set in a hot press and evacuated to a pressure of 10 mbar '. 2
  • the mechanical pressure was increased to 20 MPa and a heating rate of 150 ° C / min was applied.
  • the sample was cooled at a cooling rate of about 200 ° C to about 400 ° C; after a temperature of about 100 0 C was reached, the vacuum vessel was vented.
  • the proportion of Cu2O was determined to be about 1.6 vol.% By XRD measurement.
  • the thermal expansion coefficient was measured by dilatometer for the xy direction in a temperature range of RT to 200 0 C.
  • An average expansion coefficient of about 13.3 ppm / K in this range was determined, at 50 ° C this was 11, 8, ppm / K.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Werkstoff umfassend: eine Metall-Matrix A, die bzw. deren Material in zumindest einer Raumrichtung einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Bereich von 16 bis 20 ppm/K, aufweist und von Kupfer oder einer Kupferlegierung gebildet ist und 10 bis 75 vol.%. des Werkstoffes darstellt; zumindest einen metallischen und/oder keramischen Füllstoff B, der in zumindest einer Raumrichtung einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Bereich von 4 bis 6 ppm/K aufweist, von Cu2O und/oder Al2O3 und/oder AlN und/oder Mo und/oder Cr und/oder W und/oder B und/oder Ta gebildet ist und im Werkstoff in einer Menge von 1 bis 40 vol.% vorliegt; und zumindest einen auf Kohlenstoff basierenden Füllstoff C, der durch einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von - 2 bis +2 ppm/K in zumindest einer Raumrichtung charakterisiert ist, hohe thermische Leitfähigkeit besitzt, von Graphit und/oder Kohlefasern und/oder Kohle-Nanofasern und/oder Kohlenstoff-Nanoröhrchen und/oder Diamant gebildet ist und in einer Menge von 5 bis 65 vol.% vorliegt.

Description

Verbundwerkstoff und Verfahren zu seiner Herstellung
Die Erfindung betrifft einen Werkstoff gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 , speziell einen Verbundwerkstoff, der sich aus mehreren Komponenten zusammensetzt und somit die Möglichkeit bietet, den thermischen Ausdehnungskoeffizienten in einem Bereich von 4 bis 12 ppm/K durch die Wahl der Zusammensetzung sowie durch die Herstellbedingungen einzustellen. Zudem soll sich der Werkstoff durch eine hohe Temperaturleitfähigkeit bzw. Wärmeleitfähigkeit auszeichnen.
Die Erfindung betrifft weiters den Herstellungsprozess für einen derartigen Werkstoff unter Verwendung von raschen Sinterverfahren bzw. ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 15.
Vielfach erfordern die mehr und mehr wachsenden Anforderungen an Werkstoffe, die zur Kühlung von elektronischen Komponenten eingesetzt werden, maßgeschneiderte Werkstoffeigenschaften. Insbesondere ist eine hohe Temperaturleitfähigkeit bzw. thermische Leitfähigkeit gemeinsam mit einem geringen Ausdehnungskoeffizienten erforderlich. Ein geringer thermischer Ausdehnungskoeffizient ist erforderlich, da auf Si oder auf SiC basierende Chips zumeist auf einem AIN oder AI2O3 Substrat „gebonded" werden, und es beim thermischen Zyklieren zu Spannungen zwischen dem Substrat bzw. der Kühlplatte kommt. Um diese Spannungen zu vermindern, sollte der ideale Werkstoff einen Ausdehnungskoeffizienten nahe dem von Si und SiC bzw. AIN bzw. A12O3 aufweisen. Zudem sollte der Werkstoff eine hohe thermische Leitfähigkeit bzw. Temperaturleitfähigkeit aufweisen. Erfindungsgemäß ist ein Werkstoff der eingangs genannten Art mit den im Kennzeichen des Anspruches 1 angeführten Merkmalen charakterisiert. Ein Verfahren der eingangs genannten Art ist erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 15 gekennzeichnet.
Der erfindungsgemäße Werkstoff umfasst eine Matrix A mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit bzw. Temperaturleitfähigkeit: hier kommt Kupfer in Betracht bzw. auf Kupfer basierende Werkstoffe bzw. Legierungen. Eine reine Kupfermatrix oder eine auf Kupfer basierende Matrix hat einen Ausdehnungskoeffizienten im Bereich von 16-20 ppm/K. Aus diesem Grund sollte der Matrixanteil möglichst gering gehalten werden.
Der Werkstoff umfasst ferner einen metallischen und/oder keramischen Füllstoff B, mit der thermischen Ausdehnung im Bereich von 4 bis 6 ppm/K, der entweder eine thermische Leitfähigkeit von etwa 50-200 W/mK aufweist (im Fall des metallischen
Füllstoffes) und/oder die thermische Leitfähigkeit der Matrix A nicht überproportional verschlechtert (im Fall eines keramischen Füllstoffes).
Der Werkstoff umfasst ferner einen thermisch hochleitfähigen Füllstoff C, der einen geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist. Hier wird ein Füllstoff auf Kohlenstoffbasis ausgewählt, wie beispielsweise Graphit, Kohlefasern, Kohle- /Nanofasem, Kohlenstoff-Nanoröhrchen und/oder Diamant. Alle diese Füllstoffe haben einen Ausdehnungskoeffizienten (zumindest in eine Raumrichtung), der im Bereich von etwa -2 bis +2 ppm/K liegt. Der Füllstoff C kann optional mit einer funktionellen Schicht D beschichtet sein, die eine gute Anbindung an die Matrix A und/oder den Füllstoff B erlaubt.
Letztlich kann vorgesehen sein, dass im Werkstoff neben dem Material der Metall- Matrix A und den Füllstoffen B und C amorphe und/oder intermediäre Stoffe bzw. Verbindungen im Ausmaß von < 5 vol,% enthalten sind. Um einen besseren Zusammenhalt der Matrix zu gewährleisten, können die
Merkmale des Anspruches 2 vorgesehen werden.
Die Eigenschaften des Werkstoffes werden verbessert, wenn im Werkstoff eine homogene Verteilung der Füllstoffe B und C in der Metall-Matrix A vorliegt.
Für bestimmte Anwendungszwecke ist es von Vorteil, wenn die Merkmale der Ansprüche 3 bis 7 erfüllt sind.
Der erfindungsgemäße Werkstoff erhält ein vorteilhaftes Gefüge durch die Merkmale der Ansprüche 8 bis 11. Gute Festigkeitseigenschaften werden mit den Merkmalen des Anspruches 12 erreicht.
Ein erfindungsgemäßer Werkstoff ist vorteilhafterweise dadurch charakterisiert, dass der Werkstoff einen Ausdehnungskoeffizient von 4 bis 12 (.10"6K'1) in einem Temperaturbereich von 2O0C bis 5O0C besitzt.
Um ein einheitliches Gefüge ohne Störungen zu erreichen, sind die Merkmale der Ansprüche 17 bis 19 von Vorteil.
Gute Gefügeeigenschaften ergeben sich mit den Merkmalen der Ansprüche 20 und 21.
Die Materialeigenschaften des Werkstoffes werden optimiert, wenn die Merkmale der Ansprüche 25 bzw. 26 vorgesehen werden.
Die Abbildungen dienen zur Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:
Abbildung 1 : Grundsätzlicher Aufbau des Verbundwerkstoffes: Metallische Matrix Füllstoff A, mit metallischen oder keramischen Füllstoffen B und thermisch hochleitfähigen Füllstoff C auf Kohlenstoffbasis. Optional kann der Füllstoff C mit einer Beschichtung D beschichtet werden.
Abbildung 2: Theoretische Abhängigkeit des thermischen
Ausdehnungskoeffizienten (berechnet über Mischungsregel) eines Verbundwerkstoffes besteht aus Matrix A und Füllstoff C als Funktion des Volumenanteil des Füllstoffes C. Die
Matrix A besteht dabei aus Reinkupfer bzw. aus einer Kupferlegierung. Um einen Ausdehnungskoeffizienten unter 8 ppm/K zu erhalten, ist ein Volumenanteil von 55 vol.% Füllstoff C vorgesehen.
Abbildung 3: Theoretische Abhängigkeit des thermischen Ausdehnungskoeffizienten eines Verbundwerkstoffes (berechnet über Mischungsregel) besteht aus Matrix A mit 50 vol.% Füllstoff C bei Variation des Volumengehaltes des Füllstoff B. Die Matrix A besteht dabei aus Reinkupfer bzw. aus einer Kupferlegierung. Der Füllstoff B ist charakterisiert durch einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 4 ppm/K.
Abbildung 4: Thermischer Ausdehnungskoeffizient eines Cu-Cu2O-Diamant Verbundwerkstoffes als Funktion der Temperatur
Abbildung 5: XRD Messung an Cu-Cu2O-Diamant Verbundwerkstoff
Abbildung 6: XRD Messung an Cu-Cu2O-Kohlefaser Verbundwerkstoff
Abbildung 7; Thermischer Ausdehnungskoeffizient von verschiedenen Verbundwerkstoffen mit einer Kupfer Matrix und Diamant als Füllstoff C bzw. Mo, Cr oder Cu2O als Füllstoff B
Abbildung 1 zeigt den Aufbau des Werkstoffes.
Eine direkte Mischung von Kupfer oder auf Kupfer basierenden Matrices mit dem auf Kohlenstoff basierenden Füllstoff bringt drei Probleme mit sich: a) Generell wird ein schlechter thermischer Übergang zwischen Kupfer und Kohlenstoff beobachtet. Dies liegt einerseits an der mangelnden
Benetzung von Kohlenstoff durch Kupfer bzw. auch an den verschiedenen Wärmeleitungsmechanismen (Metall = Elektronenleiter während z.B. Diamant Wärme über Phononen leitet) b) Der starke Unterschied zwischen dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Kupfer bzw. auf Kupfer basierenden
Matrices und dem des auf Kohlenstoff basierenden Füllstoffes führt dazu, dass es beim thermischen Zyklieren zu Spannungen an der Grenzfläche kommt. Zudem verursacht eine reine Kombination von auf Kupfer basierender Matrix mit auf Kohlenstoff basierenden Füllstoffen Probleme in folgender Hinsicht wie es in Abbildung 2 gezeigt wird: Um einen Ausdehnungskoeffizienten von 8 ppm/K bzw. 7 ppm/K oder geringer zu erhalten, ist ein Füllstoffanteil von mindestens 55 vol.% bzw. 65 vol.% erforderlich. Dies ist einerseits herstellungstechnisch schwierig (Poren, Sinterfähigkeit,..), führt aber auch dazu, dass eine nachfolgende Bearbeitung des Werkstoffes nicht leicht ist. Ebenso leidet die
Oberflächenqualität darunter. Abbildung 2 zeigt die Ausdehnungseigenschaften als Funktion des Füllstoffgehaltes C. c) Speziell im Fall von Diamant muss bei der Auswahl der
Verfahrensparameter zur Konsolidierung sehr sorgsam umgegangen werden. Diamant wandelt sich bei Temperaturen von 900 bis 1000°C in
Graphit um. Um einen kompakten, dichten Körper zu erhalten, müssen die Sinterbedingungen sorgfältig ausgewählt werden.
Um einen Werkstoff mit einer thermischen Ausdehnung von 4 bis 12 ppm/K zu erhalten, wird vorteilhafter Weise wie folgt vorgegangen: a) Um einen entsprechenden Wärmeübergang zwischen der metallischen Matrix und dem auf Kohlenstoff basierenden Füllstoff zu erhalten, können beschichtete Füllstoffe verwendet werden. Die Füllstoffe sind mit einer Schicht aus einem
Material mit geringem Ausdehnungskoeffizienten und guter Affinität zum Kohlenstoff-Füllstoff wie beispielsweise Mo, W, Cr, Ta, AIN beschichtet. Die Dicke der Beschichtung kann dabei im Bereich von einigen 10 nm bis einigen 100 nm liegen, bzw. der Anteil am Gesamtwerkstoff bei etwa 0,1 bis 5 vol.%. Optional kann eine Verbesserung im thermischen Übergang aber auch durch geschickte
Auswahl eines metallischen Füllstoffes B erreicht werden. b) Um einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Verbundwerkstoff zu erreichen, der möglichst nahe an dem von AI2O3 bzw. AIN liegt, kann die auf Kupfer basierende Matrix mit einem Ausdehnungskoeffizienten von 16-20 ppm/K entsprechend modifiziert werden, damit der Ausdehnungskoeffizient reduziert wird.
Geeignete Komponenten, um den Ausdehnungskoeffizienten der auf Kupfer basierenden Matrix zu verringern sind: keramische Füllstoffe, die einen geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Bereich von 4 bis 6 ppm/K aufweisen und die keine überproportionale Verschlechterung (wie das zum Beispiel bei Ti der Fall wäre) der thermischen Leitfähigkeit bewirken. Darunter ist zu verstehen, dass der keramische Füllstoff die thermische Leitfähigkeit der auf Kupfer basierenden Matrix nur unwesentlich (über einen annäherungsweise linearen Zusammenhang entsprechend der
Mischungsregel) verschlechtert. Als Vertreter eines derartigen Füllstoffes kommen Cu2O oder AI2O in Frage, metallische Füllstoffe, die eine thermische Leitfähigkeit von zumindest 50 W/mK aufweisen und einen Ausdehnungskoeffizienten der im Bereich 4 und 6 ppm/K liegt, wie im Fall von Mo, Cr oder W. Um eine signifikante Reduktion des thermischen Ausdehnungskoeffizienten zu erreichen, wird ein keramischer und/oder metallischer Füllstoffanteil in der Menge von zumindest 5 vol.% eingesetzt. Eine besonders wirksame Reduktion des Ausdehnungskoeffizienten wird dann möglich, wenn der keramische Füllstoff Cu2O in-situ erzeugt wird. Dies kann durch die Verwendung von Kupfer-
Ausgangspulvern mit einer Korngröße < 1 μm unter besonderen (nicht reduzierenden) Sinteratmosphären erreicht werden. c) Um einen kompakten Körper zu erreichen, ist es vorteilhaft, entsprechend hohe
Sintertemperaturen und/oder entsprechend lange Sinterzeiten zu verwenden. Wie oben angeführt, kann es dabei, z.B. im Fall von Diamant, zu Umwandlungen kommen. Eine Prozessführung, die auf hohe Sintertemperaturen in Kombination mit hohen Heiz- und Kühlraten sowie kurzen Sinterzeiten aufgebaut ist, hilft, ungewollte Umwandlungen zu vermeiden. Der Einsatz von induktiv bzw. konduktiv geheizter Heisspresstechnologie bzw. von innovativen Sinterverfahren, wie Spark Plasma Sintering oder deren abgewandelte Formen, erlaubt die Herstellung eines
Werkstoffes mit entsprechenden Eigenschaften bei gleichzeitige Unterdrückung von unerwünschten Umwandlungen.
Die vorliegende Erfindung beschreibt Werkstoffe, die im Wesentlichen aus drei Komponenten zusammengesetzt sind: Metallische Matrix A, keramischer und/oder metallischer Füllstoff B, auf
Kohlenstoff basierender Füllstoff C, wobei letzterer gegebenenfalls mit einer Beschichtung D versehen sein kann.
Die spezielle Auswahl des metallischen und/oder keramischen Füllstoffes B hat folgenden Grund: Der Füllstoff soll einerseits einen sehr geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten und gleichzeitig entweder eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweisen und/oder die thermische Leitfähigkeit der auf Kupfer basierenden Matrix nicht empfindlich stören.
Kupferoxid (Cuprit, Cu2O) ist ein keramischer Füllstoff, der sich durch einen geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von etwa 4-6 ppm/K auszeichnet. Gleichzeitig beeinflusst der Cu2O Anteil in einer Kupfermatrix diese nur in einem annähernd linearen Zusammenhang negativ. Über die sogenannte Mischungsregel kann die thermische Leitfähigkeit λ bzw. auch der thermische Ausdehnungskoeffizient α einer Matrix-Inklusion Mischung aus den Volumenanteilen der Einzelkomponenten berechnet werden (VMatπx. V|nkiUSjOn): A = VMatrιx • λUatrιx + V1Musιnn • λhΛlmwn
a = " Matrix ' a Matrix + ^ Inklusion ' a Inklusion Daraus ergibt sich, dass bei einem Volumsverhältnis von 50vol. % Kupfermatrix zu
50 vol.% nicht thermisch leitender Inklusion die thermische Leitfähigkeit des
Verbundwerkstoffes noch immer bei etwa 200 VWmK liegt, während der
Ausdehnungskoeffizient auf einen Wert von etwa 10 ppm/K (von ursprünglich 16 ppm/K) reduziert wurde.
Wählt man nun eine Cu-Cu2O Mischung als Matrix, die mit einem auf Kohlenstoff basierenden Füllstoff wie beispielsweise Diamant verstärkt wird, z.B. 50 vol.% Cu-Cu2O Matrix (= 25 vol.% Cu+25 vol.% Cu2O) und 50 vol.% Diamant, dann ergibt sich (bei einer thermischen Leitfähigkeit des Diamanten von 1000 W/mK und einem Ausdehnungskoeffizienten von 1 ppm/K) eine thermische Leitfähigkeit von 600 W/mK sowie ein Ausdehnungskoeffizient von etwa 5,5 ppm/K. Im Fall des keramischen Füllstoffes Cu2O bzw. einer reinen Kupfermatrix darf allerdings der thermische Übergang zwischen der Matrix und dem auf Kohlenstoff basierenden Füllstoff nicht vernachlässigt werden. Aus diesem Grund ist es zweckmäßig, beschichtete Füllstoffe (beispielsweise mit Mo- oder Cr-Schicht) zu verwenden, um einen entsprechenden thermischen Übergang zwischen der Matrix und dem thermisch hoch leitfähigen Füllstoff zu ermöglichen. Wenn der Anteil dieser Beschichtungen gering gehalten wird, tritt in diesem Fall nur eine unwesentliche Verschlechterung der thermischen Leitfähigkeit der auf Kupfer basierenden Matrix ein. Abbildung 3 zeigt die Möglichkeit wie bei gleich bleibendem Füllstoff Gehalt C von 50 vol.% mithilfe der Variation des Füllstoffgehaltes B der Ausdehnungskoeffizient variiert werden kann.
Um Cu2O im Endprodukt zu erhalten, kann dieser als Füllstoff direkt in Form von Cu2O bzw. CuO Partikel mit der Matrix bzw. mit dem thermisch hoch leitfähigen Füllstoff C gemischt werden bzw. als alternatives Verfahren kann das Cu2O auch in-situ während der Herstellung des Verbundwerkstoffes direkt gebildet werden. Dies gelingt entweder durch eine entsprechende Prozessführung (keine reduzierende Atmosphäre) und/oder durch den Einsatz von feinstkörnigen Kupferpulvern im Submikron-Korngrößen-Bereich mit einer hohen spezifischen Oberfläche. Speziell bei der Verwendung von Kupfer Nanopulvern gelingt es aufgrund der hohen Sauerstoffaffinität dieser Pulver feinverteilte Cu2O Oxide in hohem Anteil zu erzeugen.
Ein Verbundwerkstoff mit reduzierter thermischer Ausdehnung kann auch dann erreicht werden, wenn spezielle metallische Füllstoffe ausgewählt werden, die einen geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 4-6 ppm/K aufweisen und zusätzlich einen positiven Einfluss auf den thermischen Kontakt zwischen Matrix und auf Kohlenstoff basierenden Füllstoffen aufweisen, auch wenn sie in einer großen Menge (>5 vol.%) eingesetzt werden. Eine große Menge an den metallischen Füllstoffen erlaubt zudem, dass auf die Beschichtung des auf Kohlenstoff basierenden Füllstoffes optional verzichtet werden kann, ohne dass es zu einer wesentlichen Verschlechterung der thermischen Eigenschaften kommt. Ein hoher metallischer Füllstoffanteil und/oder eine Beschichtung des Füllstoffes in Kombination mit einer hohen Sintertemperatur (teilweise bereits über der Temperatur, bei der Diamant thermisch instabil ist und in Graphit umgewandelt wird) erlaubt den Einsatz von äußerst kurzen Sinterzeiten. Aufgrund des hohen Metallfüllstoffgehaltes sind nur kurze Diffusionsstrecken zum auf Kohlenstoff basierenden Füllstoff C zurückzulegen.
Werkstoffe mit geringem thermischen Ausdehnungskoeffizienten und einer thermischen Leitfähigkeit von 200 W/m K und mehr sind gefragte Werkstoffe im Bereich der Elektronik, entweder als Trägerplatte bzw. als Wärmesenke. Die zunehmenden Anforderungen der Elektronikindustrie erfordern Werkstoffe mit thermischen Leitfähigkeiten von mehr als 300 W/mK und einen Ausdehnungskoeffizienten im Bereich von 6-10 ppm/K. Vielfach können diese Anforderungen nicht einmal mehr von Verbundwerkstoffen wie Cu- Mo, Cu-W oder AISiC erfüllt werden. AIN und SiC können zwar als Wärmesenke verwendet werden, sind allerdings teuer. Die thermischen Eigenschaften liegen bei etwa 270 W/mK für SiC und bei 250 W/mK für AIN.
Wärmesenken für Laseranwendungen werden bereits aus Diamant gemacht bzw. wird CBN in Laserdioden eingesetzt. Diamant kann über CVD bzw. über den Hochtemperatur-Hochdruck Prozess-hergestellt werden. CBN wird mit letzterem Verfahren hergestellt. Beide sind ebenso teuer, und in den Dimensionen limitiert. Der Ausdehnungskoeffizient von CVD Diamant liegt bei 2,3 ppm/K, von cBN bei 3,7 ppm/K und ist daher geringer als der von GaAs (5,9ppm/K) oder InP (4.5ppm/K). Darunter leidet die Zuverlässigkeit während des Betriebes aber auch während des Lötprozesses. Verbundwerkstoffe auf Diamant-Basis wie beispielsweise Cu-Diamant, AI-Diamant oder Ag-Diamant stellen hier eine vielversprechende Alternative dar. Da sich sowohl die reine Cu bzw. auch AI Matrix durch einen hohen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 17 bzw. 22 ppm/K auszeichnen, kann hier zwar ein Verringerung des Ausdehnungskoeffizienten durch den Diamantfüllstoff erreicht werden, allerdings sind Volumsanteile von mehr als 55 vol.% erforderlich um einen Ausdehnungskoeffizienten von 8 bzw. von mehr als 65 vol.% um einen Ausdehnungskoeffizienten von 7 ppm/K zu erhalten. Dies führt dazu, dass vielfach aufwendige, zeit- und kostenintensive Prozesse dafür verwendet werden müssen.
Patente US 6.171.691 und EP 0898 310 A2 beschreiben einen Werkstoff, der aus einem Metall wie Cu, Ag, Au, AI, Mg oder Zn besteht, einem Karbid gebildet aus den Metallen der 4a und 5a Gruppe des Periodensystems sowie Cr und einem Diamantfüllstoff. Der Diamantfüllstoff ist dabei überdeckt von einer Karbidschicht. Die Herstellung des Werkstoffes erfolgt dabei über die flüssige Phase der Metall-Matrix.
Patent WO 2004/044950 A3 beschreibt einen Werkstoff bestehend im
Wesentlichen aus einer Kupfermatrix und Diamant, wobei für die Herstellung auch beschichtete Diamanten zum Einsatz kommen können. Der Prozess zur Herstellung ist mehrstufig und verwendet reduzierende Wasserstoffatmosphäre um die Bildung von
Kupferoxiden zu vermeiden. Diese werden als störende Bestandteile beschrieben.
Patent WO 2004/080913 A1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines
Werkstoffes auf Diamantbasis unter Verwendung von Cu, Ag, Au bzw. deren Legierungen. Hier werden ebenso benetzungsfördernde Legierungselemente <3 at.% wie
Ni, Cr, Ti, V, Mo, W, Nb, Ta, Co, Fe verwendet und zusätzlich zumindest ein Element aus der Gruppe Si, Y, Sc.
Patent US 2004/0183172A1 beschreibt einen Werkstoff, bestehend aus einem Metall auf Kupfer bzw. Silber Basis, wobei die Anbindung an den Diamant über ein Metallkarbid erfolgt.
Patent EP 1160860 A1 beschreibt einen Werkstoff, der aus Cu, AI oder Ag besteht, wobei zur Verbesserung der Benetzbarkeit von Graphit bzw. Kohlenstoff beim Flüssigphasen Infiltrationsprozess einer porösen Vorform verschiedene Elemente verwendet werden um die Benetzung zu verbessern. Patent US 2005/0051891 A1 beschreibt einen Werkstoff mit 60 - 90 vol.%
Diamant. Als Matrix wird hier Kupfer verwendet. Mit diesem Verfahren gelingt es, einen Werkstoff mit einem Ausdehnungskoeffizineten unter 6 ppm/K zu erhalten. Um einen dichten kompakten Körper zu erhalten werden hier allerdings Drücke von 1 bis 6 GPa verwendet. Ein derartiger Prozess ist kostenintensiv (erforderliche Sintreranlageri), außerdem ist die Herstellung beschränkt auf einfache Geometrien. Es werden entsprechende Maßnahmen gesetzt, um die Bildung von Kupferoxiden zu vermeiden. Der Sauerstoffanteil liegt unter 0,07 wt.%.
Patente US 5.783.316 bzw. US 6.264.882 beschreiben einen Werkstoff der über
Flüssigphaseninfiltration eines porösen Vorkörpers hergestellt wird. Dabei kommen auch beschichtete Diamanten zum Einsatz, z.B. mit W, Zr, Re, Cr und Ti Schichten. Als Matrix wird dabei Cu, Ag bzw. Cu-Ag verwendet. Die poröse Vorform wird in einem zweiten
Schritt infiltriert.
Prinzipiell sind zweistufige Prozesse (Pressen einer Vorform und Sintern bzw.
Infiltration) zweitaufwendig und erfordern eine exakte Kontrolle von Sinter- sowie Infiltrationsbedingungen. Ein porenfreier Körper wird nur dann erreicht, wenn entsprechende Porosität vorhanden ist, die über Kapillarkräfte dazu führt, dass eine vollständige Infiltration stattfindet. Um dies zu ermöglichen müssen beschichtete Diamantpartikel und/oder Legierungselemente verwendet werden. Der Anteil an beschichteten Elementen bzw. verwendeten Beschichtungen ist dabei meistens unter 3 vol.% und hat somit kaum eine Auswirkung hinsichtlich einer Reduktion des thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Metall-Matrix. Zur Herstellung eines Verbundwerkstoffes mit angepassten thermischen
Ausdehnungseigenschaften eignet sich somit ein Verfahren, das insbesondere rasch und somit auch kostengünstig funktioniert. Die Herstellung erfolgt dabei unter Aufbringen von mechanischem Druck in Kombination mit einer geeigneten Temperaturführung. Dazu wird die entsprechende Pulvermischung in eine Matrize gefüllt, beispielsweise aus Graphit, und gegebenenfalls bei einem Druck von einigen MPa vorverdichtet. Die vorverdichtete Pressmatrize wird in eine entsprechende konduktiv oder induktiv beheizte Heißpresse eingesetzt und sodann evakuiert.
Die effiziente Herstellung wird durch eine hohe Heiz/Kühlrate in Kombination mit einer kurzen Sinterzeit erreicht. Durch den gezielten Verzicht auf eine reduzierende Sinteratmosphäre gelingt es, nicht nur einfach gebaute und somit kostengünstige Anlagen zu verwenden, sondern auch gleichzeitig eine in-situ Oxidation zu Bildung von Cu2O zu erreichen um damit den Ausdehnungskoeffizienten der Matrix zu verringern. Diese in-situ Oxidation kann sowohl über die Korngröße des Kupfer Ausgangspulvers gesteuert werden bzw. und/oder durch die verwendeten Prozessbedingungen. Hohe Heizraten (von einigen 100 K/min) lassen sich durch Verfahren wie induktiv- oder konduktiv beheizte Heißpressen realisieren. Abgewandelte Verfahren sind beispielsweise das Spark Plasma Sintern oder Field Assisted Sintering. Durch Verwenden von hohen Heizraten und kurze Sinterzeiten gelingt es einerseits die Umwandlung von Diamant in Kohlenstoff gezielt zu unterdrücken auch wenn hohe Sintertemperaturen von 10000C oder mehr verwendet werden. Nach der Haltezeit bei der gewünschten Temperatur wird die Matrize samt Probe abgekühlt, die Vakuumkammer wird belüftet und die Probe entnommen und ausgeformt.
Die erfindungsgemäße Vorgangsweise zur Erstellung erfindungsgemäßer Werkstoffe wird im Folgenden anhand von Beispielen erläutert.
Beispiel 1 :
11 ,04 g synthetisches Diamantpulver mit einer Korngröße von 300 μm wurden mit einer Schicht von ca. 200 nm Mo über ein PVD Verfahren beschichtet und wurden mit 28,05 g Cu mit einer Korngröße von ~ 100 nm 12 Stunden in Isopropanol in einem Turbulamischer gemischt und anschließend getrocknet. Von der Pulvermischung wurden 7,5 g in eine Graphitmatrize mit Durchmesser 20 mm gefüllt und mit einem Druck von 5 MPa vorkompaktiert. Die befüllte und vorkompaktierte Graphitmatrize wurde in eine induktiv beheizten Heißpresse eingesetzt und auf einen Druck von 10'2 mbar evakuiert. Gleichzeitig wurde der mechanische Druck auf 50 MPa erhöht und eine Heizrate von 150°C/min mittels einer Induktionsspule realisiert.
Nach Erreichen einer Temperatur von 9000C und einer Haltezeit von 2 Minuten wurde die Probe mit einer Kühlrate von etwa 200°C/min auf etwa 4000C abgekühlt; nach dem eine Temperatur von etwa 100 0C erreicht wurde, wurde der Vakuumbehälter belüftet. Durch Verwendung von Cu Nanopulver unter nicht reduzierenden Bedingungen kam es zu einer in-situ Ausbildung von Cu2O in der Kupfer Matrix. Der Anteil von Cu2O wurde auf mit etwa 14,2 vol.% über XRD bestimmt. Zur Messung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten wurden die Proben mittels Dilatometer in einem Temperaturbereich von RT bis 300 0C untersucht. Ein mittlerer Ausdehnungskoeffizient von 8,6 ppm/K in diesem Bereich wurde ermittelt, bei 50 0C lag dieser bei 7,6 ppm/K. entsprechend Abbildung 4.
Beispiel 2: 8,84 g synthetisches Diamantpulver mit einer Korngröße von 300 μm wurden mit einer Schicht von ca. 200 nm Mo über ein PVD Verfahren beschichtet und wurden mit 33,66 g Cu mit einer Korngröße < 15 μm 2 Stunden trocken in einem Turbulamischer gemischt. Davon wurden 8 g in eine Graphitmatrize mit Durchmesser 20 mm gefüllt und mit einem Druck von 5 MPa vorkom paktiert. Die befüllte und vorkom paktierte Graphitmatrize wurde in eine induktiv beheizten Heißpresse eingesetzt und auf einen Druck von 10"2 mbar evakuiert. Gleichzeitig wurde der mechanische Druck auf 50 MPa erhöht und eine Heizrate von 150°C/min mittels einer Induktionsspule realisiert.
Nach Erreichen einer Temperatur von 9000C und einer Haltezeit von 2 Minuten wurde die Probe mit einer Kühlrate von etwa 200°C/min auf etwa 4000C abgekühlt; nach dem eine Temperatur von etwa 100 0C erreicht wurde, wurde der Vakuumbehälter belüftet. Durch Verwendung von nicht reduzierenden Bedingungen kam es zu einer in-situ Ausbildung von Cu2O in der Kupfer Matrix. Der Anteil von Cu2O wurde auf mit etwa 8,2 vol.% über XRD bestimmt (Abbildung 5). Die Messung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten erfolgte mittels Dilatometer in einem Temperaturbereich von RT bis 300 0C gemessen. Ein mittlerer Ausdehnungskoeffizient von 10,8 ppm/K in diesem Bereich wurde ermittelt, bei 50 °C lag dieser bei 9,6 ppm/K.
Beispiel 3
11 ,04 g synthetisches Diamantpulver mit einer Korngröße von 300 μm wurden in einer Dicke von ca. 200 nm Mo über ein PVD Verfahren beschichtet und wurden mit 16,8 g Cu mit einer Korngröße <50 μm und 7,7 g Cu2O Pulver mit einer Korngröße von <20 μm in einem Turbulamischer für 2 Stunden gemischt. Dies entspricht einem Volumsanteil von 20 vol.%. Von dieser Mischung wurden 7 g in eine Graphitmatrize mit Durchmesser 20 mm gefüllt und mit einem Druck von 5 MPa vorkom paktiert. Die befüllte und vorkompaktierte Graphitmatrize wurde in eine induktiv beheizte Heißpressanlage eingesetzt und auf einen Druck von 10"2 mbar evakuiert. Gleichzeitig wurde der mechanische Druck auf 50 MPa erhöht und eine Heizrate von 150°C/min mittels Induktionsspule realisiert.
Nach Erreichen einer Temperatur von 95O0C und einer Haltezeit von 2 Minuten wurde die Probe mit einer Kühlrate von etwa 200°C auf etwa 4000C abgekühlt; nach dem eine Temperatur von etwa 100 0C erreicht wurde, wurde der Vakuumbehälter belüftet. Zur Messung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten wurden die Proben mittels Dilatometer in einem Temperaturbereich von RT bis 300 0C untersucht. Ein mittlerer Ausdehnungskoeffizient von etwa 8,1 ppm/K in diesem Bereich wurde ermittelt, bei 50 0C lag dieser bei 7,2 ppm/K.
Beispiel 4
11 ,04 g synthetisches Diamantpulver mit einer Korngröße von 300 μm wurden mit einer Schicht einer Dicke von ca. 500 nm Cr über ein PVD Verfahren beschichtet und wurden mit 28,05 g Cu mit einer Korngröße ~ 100 nm 12 Stunden in Isopropanol in einem Turbulamischer gemischt und anschließend getrocknet. Von der Pulvermischung wurden 3 g in eine Graphitmatrize mit Durchmesser 12,5 mm gefüllt und mit einem Druck von 5 MPa vorkompaktiert. Die befüllte und vorkompaktierte Graphitmatrize wurde in eine Spark Plasma Sinter Anlage eingesetzt und auf einen Druck von 10"1 mbar evakuiert. Gleichzeitig wurde der mechanische Druck auf 30 MPa erhöht und eine Heizrate von 150°C/min mittels einem gepulstem Gleichstrom realisiert. Nach Erreichen einer Temperatur von 9000C und einer Haltezeit von 2 Minuten wurde die Probe mit einer Kühlrate von etwa 2000C auf etwa 4000C abgekühlt; nach dem eine Temperatur von etwa 100 0C erreicht wurde, wurde der Vakuumbehälter belüftet. Durch Verwendung von Cu Nanopulver unter nicht reduzierenden Bedingungen kam es zu einer in-situ Bildung von Cu2O. Der Anteil von Cu2O wurde auf mit etwa 18,7 vol..% bestimmt. Zur Messung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten wurden die Proben mittels Dilatometer in einem Temperaturbereich von RT bis 300 0C untersucht. Ein mittlerer Ausdehnungskoeffizient von 8,5 ppm/K in diesem Bereich wurde ermittelt, bei 50 0C lag dieser bei 7,4 ppm/K.
Neben Mo bzw. Cr zur Beschichtung des Diamantes eignen sich auch Schichten von wie z.B. W, Ta, B oder AIN, die ebenso eine gute Haftung bzw. thermischen Kontakt bewirken. Beispiel 5:
5,53 g einer PITCH Kohlefaser wurden mit einer ca. 100 nm dicken Mo Schicht mit einem PVD Verfahren beschichtet, mit 33,67 g Cu Pulver mit einer Korngröße <30 μm mit Isopropanol für 24 Stunden gemischt, getrocknet und in einer Graphitmatrize mit Durchmesser 40 mm gefüllt und mit einem Druck von 5 MPa vorkompaktiert. Die befüllte und vorkompaktierte Graphitmatrize wurde in eine Feld unterstützte Sinteranlage eingesetzt und auf einen Druck von 10'2 mbar evakuiert. Gleichzeitig wurde der mechanische Druck auf 50 MPa erhöht und eine Heizrate von 200°C/min mittels gepulstem Gleichstrom realisiert. Nach Erreichen einer Temperatur von 9000C und einer Haltezeit von 2 Minuten wurde die Probe mit einer Kühlrate von etwa 200°C auf etwa 4000C abgekühlt; nach dem eine Temperatur von etwa 100 °C erreicht wurde, wurde der Vakuumbehälter belüftet. Der Anteil von Cu2O wurde agf etwa 1 ,9 vol.% mittels XRD Messung bestimmt (Abbildung 6). Zur Messung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten wurden die Proben mittels Dilatometer in einem Temperaturbereich von RT bis 200 0C untersucht. Ein mittlerer Ausdehnungskoeffizient in x-y Richtung von 10,8 ppm/K in diesem Bereich wurde ermittelt, bei 500C lag dieser bei 8,9 ppm/K.
Beispiel 6: 23,32 g synthetisches Diamantpulver mit einer Korngröße von 50-60 μm, 6,82 g
Mo Pulver mit einer Korngröße <50 μm, 53,34 g Cu mit einer Korngröße < 30 μm wurden 2 Stunden trocken in einem Turbulamischer gemischt und in einer Graphitmatrize mit Durchmesser 65 mm gefüllt und mit einem Druck von 5 MPa vorkompaktiert. Die befüllte und vorkompaktierte Graphitmatrize wurde in eine Heißpresse eingesetzt und auf einen Druck von 10~2 mbar evakuiert und mit Wasserstoff geflutet. Gleichzeitig wurde der mechanische Druck auf 20 MPa erhöht und eine Heizrate von 50°C/min angelegt.
Nach Erreichen einer Temperatur von 95O0C und einer Haltezeit von 15 Minuten wurde die Probe abgekühlt; nach dem eine Temperatur von etwa 100 0C erreicht wurde, wurde der Behälter mit Stickstoff geflutet und belüftet. Der thermische Ausdehnungskoeffizient wurde in einem Temperaturbereich von RT bis 300 0C gemessen. Ein mittlerer Ausdehnungskoeffizient von etwa 10,5 ppm/K in diesem Bereich wurde ermittelt, bei 5O0C lag dieser bei 10,0 ppm/K (Abbildung 7). Ähnliche Eigenschaften können unter Verwendung von weiteren metallischen oder keramischen Füllstoffen erreicht werden, wie z.B. W, Ta, B, bzw. AIN und AI2O3.
Beispiel 7:
2,2 g synthetisches Diamantpulver mit einer Korngröße von 300 μm, die mit einer etwa 500 nm dicken Cr Schicht beschichtet wurden, 0,45g Cr Pulver mit einer Korngröße <50 μm, 5,05 g Cu mit einer Korngröße < 30 μm wurden 2 Stunden trocken in einem Turbulamischer gemischt und in einer Graphitmatrize mit Durchmesser 20 mm gefüllt und mit einem Druck von 5 MPa vorkompaktiert. Die befüllte und vorkom paktierte Graphitmatrize wurde in eine induktiv beheizten Heißpresse eingesetzt und auf einen Druck von 10"2 mbar evakuiert. Gleichzeitig wurde der mechanische Druck auf 50 MPa erhöht und eine Heizrate von 150°C/min mittels einer Induktionsspule realisiert.
Nach Erreichen einer Temperatur von 10000C und einer Haltezeit von 2 Minuten wurde die Probe mit einer Kühlrate von etwa 2000C auf etwa 4000C abgekühlt; nach dem eine Temperatur von etwa 100 0C erreicht wurde, wurde der Vakuumbehälter belüftet. Zur Bestimmung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten wurde die Probe in einem Temperaturbereich von RT bis 300 0C gemessen. Der Anteil von Cu2O wurde auf etwa 1 ,2 vol.% mittels XRD Messung bestimmt. Ein mittlerer Ausdehnungskoeffizient von etwa 8,8 ppm/K in diesem Bereich wurde ermittelt, bei 50°C lag dieser bei 8,4 ppm/K. (Abbildung 7)
Beispiel 8:
2,2 g synthetisches Diamantpulver mit einer Korngröße von 300 μm, die mit einer etwa 500 nm dicken Cr Schicht beschichtet wurden, 1 ,80g Cr Pulver mit einer Korngröße <50 μm, 3,37 g Cu mit einer Korngröße < 30 μm wurden 2 Stunden trocken in einem Turbulamischer gemischt und in einer Graphitmatrize mit Durchmesser 20 mm gefüllt und mit einem Druck von 5 MPa vorkompaktiert. Die befüllte und vorkompaktierte Graphitmatrize wurde in eine induktiv beheizten Heißpresse eingesetzt und auf einen Druck von 10"2 mbar evakuiert. Gleichzeitig wurde der mechanische Druck auf 50 MPa erhöht und eine Heizrate von 150°C/min mittels einer Induktionsspule realisiert. Nach Erreichen einer Temperatur von 10000C und einer Haltezeit von 2 Minuten wurde die Probe mit einer Kühlrate von etwa 2000C auf etwa 4000C abgekühlt; nach dem eine Temperatur von etwa 100 0C erreicht wurde, wurde der Vakuumbehälter belüftet. Der Anteil von Cu2O wurde auf etwa 0,7 vol.% mittels XRD Messung bestimmt. Zur Bestimmung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten wurde die Probe in einem Temperaturbereich von RT bis 300 0C gemessen. Ein mittlerer Ausdehnungskoeffizient von etwa 6,6 ppm/K in diesem Bereich wurde ermittelt, bei 5O0C lag dieser bei 5,9 ppm/K. (Abbildung 7)
Beispiel 9 0,53 gr Vitreous Grown Carbon Fibers wurden, mit 5,6 g Cu Pulver mit einer
Korngröße <30 μm und 2,6 g Mo wurden mit Isopropanol für 24 Stunden gemischt, getrocknet und in einer Graphitmatrize mit Durchmesser 20 mm gefüllt und mit einem Druck von 5 MPa vorkompaktiert. Die befüllte und vorkom paktierte Graphitmatrize wurde in eine Heißpresse eingesetzt und auf einen Druck von 10'2 mbar evakuiert. Gleichzeitig wurde der mechanische Druck auf 20 MPa erhöht und eine Heizrate von 150°C/min angelegt. Nach Erreichen einer Temperatur von 9000C und einer Haltezeit von 15 Minuten wurde die Probe mit einer Kühlrate von etwa 200°C auf etwa 400°C abgekühlt; nach dem eine Temperatur von etwa 100 0C erreicht wurde, wurde der Vakuumbehälter belüftet. Der Anteil von Cu2O wurde auf etwa 1,6 vol.% mittels XRD Messung bestimmt. Der thermische Ausdehnungskoeffizient wurde mittels Dilatometer für die x-y Richtung in einem Temperaturbereich von RT bis 200 0C gemessen. Ein mittlerer Ausdehnungskoeffizient von etwa 13,3 ppm/K in diesem Bereich wurde ermittelt, bei 50°C lag dieser bei 11 ,8, ppm/K.
Es zeigte sich, dass die für den Füllstoff B eingesetzten Stoffe bzw. Elemente untereinander substituierbar sind, ohne den mechanischen und/oder physikalischen usw. Aufbau des resultierenden Werkstoffes nachteilig zu beeinflussen. Gleiches gilt für die für den Füllstoff C eingesetzten Materialien.

Claims

Patentansprüche:
1. Werkstoff umfassend
- eine Metall-Matrix A, die bzw. deren Material in zumindest einer Raumrichtung einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Bereich von 16 bis 20 ppm/K, aufweist und von
Kupfer oder einer Kupferlegierung gebildet ist und 10 bis 75 vol.%., vorzugsweise 35 bis 55 vol.%, des Werkstoffes darstellt,
- zumindest einen metallischen und/oder keramischen Füllstoff B, der in zumindest einer Raumrichtung einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten im Bereich von 4 bis 6 ppm/K aufweist, von Cu2O und/oder AI2O3 und/oder AIN und/oder Mo und/oder Cr und/oder W und/oder B und/oder Ta gebildet ist und im Werkstoff in einer Menge von 1 bis 40 vol.%, vorzugsweise 10 bis 30 %, insbesondere 10 bis 25 vol.%, vorliegt,
- zumindest einen auf Kohlenstoff basierenden, gegebenenfalls beschichteten bzw. mit einer Beschichtung überzogenen, Füllstoff C, der durch einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von - 2 bis +2 ppm/K in zumindest einer Raumrichtung charakterisiert ist, hohe thermische Leitfähigkeit besitzt, von Graphit und/oder Kohlefasern und/oder Kohle-Nanofasern und/oder Kohlenstoff-Nanoröhrchen und/oder Diamant gebildet ist und in einer Menge von 5 bis 65 vol.%, vorzugsweise 30 bis 50 vol.%, insbesondere 39 bis 41 vol.%, vorliegt, und - dass gegebenenfalls im Werkstoff neben dem Material der Metall-Matrix A und den Füllstoffen B und C amorphe und/oder intermediäre Stoffe bzw. Verbindungen im Ausmaß von < 5 vol.% enthalten sind.
2. Werkstoff nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die den Füllstoff C bildenden Stoffe, insbesondere Diamant, mit den Elementen Mo und/oder Cr und/oder W und/oder Ta und/oder B und/oder AIN, beschichtet bzw. mit einer Beschichtung überzogen sind, wobei der Anteil der Schicht 0,1 bis 5 vol.%, vorzugsweise 0,3 bis 2 vol.%, insbesondere 0,5 bis 1 ,0 vol.%, des Werkstoffes beträgt.
3. Werkstoff nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Werkstoff eine homogene Verteilung der Füllstoffe B und C in der Metall-Matrix A vorliegt.
4. Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Röhrchen bzw. Faserfüllstoffe eine Vorzugsorientierung senkrecht zur Pressrichtung des Werkstoffes aufweisen.
5. Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff in zumindest einer Raumrichtung einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 4 bis 12 ppm/K besitzt.
6. Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff in zumindest einer Raumrichtung eine thermische Leitfähigkeit von zumindest 200 W/mK aufweist, vorzugsweise von zumindest 300 W/mK, insbesondere von zumindest 400 W/mK.
7. Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff eine Dichte > 80 % (bezogen auf die theoretische Dichte), vorzugsweise über 90 %, insbesondere über 95 %, aufweist.
8. Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff durch ein Sinter-Verfahren bzw. Sintern des Materials der Metall-Matrix A und der Füllstoffe B und C erstellt ist
9. Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallmatrix A eine Korngröße von < 50 μm, vorzugsweise < 5 μm, insbesondere < 2 μm aufweist, wobei vorteilhafter Weise die untere Grenze mit 10 nm angesetzt ist.
10. Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff B in einer Korngröße von < 50 μm, vorzugsweise < 20 μm, insbesondere < 10 μm, vorliegt, wobei vorteilhafter Weise die untere Grenze des Füllstoffes B mit 1 μm angesetzt ist.
11. Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff C im Fall von Diamant eine Korngröße im Bereich < 500 μm, vorzugsweise < 300 μm, vorzugsweise < 100 μm, vorteilhafter weise größer als 1 μm, aufweist.
12. Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff C in Form von Kohlefasern mit einem Durchmesser zwischen 5 bis 15 μm und einer Länge im Bereich von 10 bis 1000 μm, vorzugsweise 100 bis 500 μm, insbesondere 300 bis 500 μm vorliegt und/oder in Form von Grafit-Nanofasern mit einem Durchmesser in einem Bereich von 100 bis 500 nm und einer Länge im Bereich von 1 bis 500 μm, vorzugsweise 10 bis 300 μm, insbesondere 50 bis 100 μm, vorliegt und/oder in Form von Kohienstoff-Nanoröhrchen mit einem Durchmesser im Bereich von 10 bis 200 nm liegt und die Länge in einem Bereich von 1 bis 200 μm, vorzugsweise 80 bis 120 μm, vorliegt.
13. Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass beim Vorliegen einer Kupferlegierung als Metall-Matrix A die Kupferlegierungselemente, z.B. Zinn und/oder Zink, bis zu 15 wt.% betragen.
14. Werkstoff nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff einen Ausdehnungskoeffizient von 4 bis 12 (.10'6K'1) in einem Temperaturbereich von 200C bis 5O0C besitzt.
15. Verfahren zur Herstellung eines Werkstoffes, insbesondere mit den Merkmalen eines der Ansprüche 1 bis 14, mit einem vorwählbaren bzw. vorgegebenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, wobei ein Pulvergemenge umfassend Pulver von Kupfer und/oder Kupferlegierung für die Ausbildung einer Metall-Matrix A in einer Menge von 15 bis 75 vol.%, vorzugsweise 35 bis 55 vol.%,
Pulver von Cu2O und/oder AI2O3 und/oder AIN und/oder Mo und/oder Cr und/oder W und/oder B und/oder Ta in einer Menge von 1 bis 40 vol.%, vorzugsweise 10 bis 30 %, insbesondere 10 bis 25 vol.%, als Füllstoff B, und Pulver von Graphit und/oder Kohlefasern und/oder Kohle-Nanofasem und/oder Kohienstoff-Nanoröhrchen und/oder Diamant in einer Menge von 5 bis 65 vol.%, vorzugsweise 30 bis 50 vol.%, insbesondere 39 bis 41 vol.%, als Füllstoff C nach einem Vermischen mit einer Aufheizgeschwindigkeit von mehr als 50°C/min, insbesondere mehr als 100°C/min, insbesondere mehr als 150°C/min, auf Sintertemperatur gebracht wird und die Sintertemperatur in einem Bereich von 7000C bis 13000C, vorzugsweise 8500C bis 10500C, für eine Haltezeit bzw. Zeitdauer von 0,1 bis 250 min, vorzugsweise 1 bis 60 min, insbesondere 2 bis 15 min, eingestellt bzw. gehalten wird und daraufhin der Sinterkörper abgekühlt und der Form entnommen wird, wobei die Volums-% auf das Gesamtvolumen des eingesetzten Pulvergemenges bezogen sind.
16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das als Füllstoff C eingesetzte Pulver, insbesondere Diamant, beschichtet bzw. mit einer Beschichtung überzogen ist, und zwar mit den Elementen Mo und/oder Cr und/oder W und/oder Ta und/oder B und/oder AIN, wobei der Anteil der Schicht 0,1 bis 5 vol.%, vorzugsweise 0,3 bis 2 vol.%, insbesondere 0,5 bis 1,0 vol.%, des Pulvergemenges beträgt.
17. Verfahren nach Ansprüche 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufheizung des Gemisches und/oder der Sintervorgang unter Luft oder technischen Gasen, z.B. Wasserstoff, Argon, Stickstoff, oder unter Vakuum, insbesondere kleiner als 10"1 mbar, vorgenommen wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Gemisch des Ausgangspulvers in einer Form, insbesondere einer Grafit-Matrize, vorverdichtet wird, wobei der Vorverdichtungsdruck auf 1 bis 15 MPa, insbesondere zwischen 5 bis 10 MPa, eingestellt wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass beim Sintern ein Druck von zumindest 5 MPa, insbesondere von 20 bis 50 Mpa, aufrechterhalten wird.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Metall-Matrix A in Form eines Matrixausgangspulvers mit einer Korngröße von < 50 μm, vorzugsweise < 5 μm, insbesondere < 2 μm, eingesetzt wird.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff B in Form eines Pulvers mit einer Korngröße von < 50 μm, vorzugsweise < 20 μm, vorzugsweise < 10 μm, eingesetzt wird.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 21 , dadurch gekennzeichnet, dass der Füllstoff C - im Fall von Diamant mit einer Korngröße von 1 bis 500 μm, vorzugsweise 1 bis 300 μm, vorzugsweise 1 bis 100 μm, eingesetzt wird,
- im Fall von Kohlefasern mit einem Durchmesser in einem Bereich von 5 bis 15 μm und einer Länge von 10 bis 1000 μm, vorzugsweise 100 bis 500 μm, insbesondere 300 bis 500 μm, eingesetzt werden, - im Fall von Grafit-Nanofasern mit einem Durchmesser in einem Bereich von 100 bis 500 nm und einer Länge in einem Bereich von 1 bis 500 μm, vorzugsweise 10 bis 300 μm, insbesondere 10 bis 100 μm, eingesetzt wird, und
- im Fall von Kohlenstoff-Nanoröhrchen diese mit einem Durchmesser in einem Bereich von 10 bis 200 nm und einer Länge in einem Bereich von 1 bis 200 μm, vorzugsweise 1 bis 100 μm, eingesetzt bzw. dem Ausgangsgemenge zugesetzt werden.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung durch Abscheiden des Schichtmaterials über die Gasphase (chemical oder physical vapor deposition, CVD oder PVD) über nasschemische Verfahren oder durch ein Sprühverfahren auf den Füllstoff C aufgebracht wird.
24. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 23, dadurch gekennzeichnet, das bei dem Werkstoff durch Wahl der Sintertemperatur und/oder der Sinterzeit eine Dichte eingestellt wird, die größer als 80%, insbesondere größer als 90%. der theoretisch erreichbaren Werkstoffdichte ist.
25. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass der Sinterkörper von der Sintertemperatur mit einer Abkühlgeschwindigkeit von mehr als 50°C/min, vorzugsweise mehr als 100° C/min, insbesondere mehr als 200°C/min, abgekühlt wird.
26. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass während des Aufheizvorganges vom Umfang des Werkstoffmaterials her eine gleichmäßige Aufheizung des in einer Form befindlichen Ausgangsmaterials bzw. Ausgangspulvers vorgenommen wird.
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