Carbon-Nanotubes senken den thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Metallen

Wenn diese Geräte unter extremen Temperaturen arbeiten oder wenn Wärme während des Betriebs erzeugt wird, führt dies meist durch Überhitzung zu Schäden. Die Senkung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Metallen durch die Zugabe von Carbon-Nanotubes (CNT) soll in Zukunft Abhilfe schaffen.

Vor allem Hochleistungsschalter, die in der Automobilindustrie oder in Kühl­körpern von Hochleistungshalbleitergeräten eingesetzt werden, sind extremen Temperaturen ausgesetzt. Damit es zu keiner Überhitzung mit Bruch von elektrischen Kontakten und damit Schäden kommen kann, ist es in diesen Bereichen vorteilhaft, die verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten unterschiedlicher Materialien einander anzupassen.

Die neueste Entwicklung auf diesem Gebiet stellen die Carbon-Nanotubes-basierte Metallmatrix-Komposite (MMC) mit dem verbesserten (verminderten) thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) im Vergleich zu reinen Metallen dar. Zu ihren hervorragenden elektrischen, thermischen und mechanischen Eigen­schaften besitzen CNT zusätzlich einen negativen thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Deshalb sind sie hervorragend geeignet, um Hochleistungkompositmaterialien mit insgesamt relativ geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten herzustellen.

Die ersten CNT-basierten Al- und Cu-Komposite wurden durch pulvermetallurgische Verfahren hergestellt. Dabei werden die Koeffizienten der thermischen Ausdehnung der Verbundwerkstoffe durch einen Dilatometer mit einem weiten Temperaturbereich (-155 °C bis 255 °C) bemessen.

Die Ergebnisse waren vielversprechend. Durch den Zusatz von Multi-Walled-Nanotubes (MWNTs) in Aluminium verringert sich der Wärmeausdehnungskoeffizient um bis zu 12-14 Prozent im breiten Temperaturbereich (-155 °C bis 255 °C) im Vergleich zu reinem Aluminium. Für Cu-CNT-Komposite bei negativen und niedrigen Temperaturen (bis zu 100 °C) hat sich keine signifikante Senkung der CTE ergeben, aber bei hohen Temperaturen (255 °C) ist eine fünfprozentige Verbesserung im Vergleich zu reinem Kupfer gemessen worden. Die besten Ergebnisse konnten durch den Zusatz von Single-Walled-Nanotubes (SWNTs) erzielt werden. Bei einem dreiprozentigen Aluminium-SWNT-Komposit zeigte sich eine Senkung des CTE um bis zu 20 Prozent gegenüber herkömmlichem Aluminium. Weitere Verbesserungen der Eigenschaften werden durch eine verbesserte Prozesstechnik bei der Herstellung der Komposite erwartet.

Die Senkung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Metallen durch die Zugabe von Carbon-Nanotubes soll in der Zukunft vor allem bei Geräten verwendet werden, in welchen unterschiedliche Materialien bei hohen Temperaturen arbeiten. Dazu zählen beispielsweise Hochleistungsschalter, die in der Automobilindustrie eingesetzt werden, Kühlkörper von Hochleistungshalbleiterbauelementen, elektronische Geräte für die elektrische Verbindungstechnik, Kabel und Kontakte für die elektrische Energieübertragung oder elektronische Verpackungen für die Mikroelektronik.

Die Abteilung „Prozessengineering funktionaler Materialien“ des Fraunhofer IPA beschäftigt sich seit 2001 (damals Fraunhofer TEG) mit der Forschung und Ent­wicklung von Prozessen zur Herstellung von Materialien und Anwendungen mit Carbon-Nanotubes (CNT/Kohlenstoffnanoröhrchen). Auf dem Gebiet CNT-verstärkte Metallmatrix-Komposite und -Beschichtungen arbeiten die IPA-Forscher seit 2005.

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Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA
Dipl.-Wirt.-Ing. (FH) Carsten Glanz
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