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Title
Wetting and infiltration behavior of copper and copper alloys on carbon nanofibers / Michael Kitzmantel
AuthorKitzmantel, Michael Christian
CensorEisenmenger-Sittner, Christoph
Published2008
Descriptionvi, 78, XVIII Bl. : Ill., graph. Darst.
Institutional NoteWien, Techn. Univ., Dipl.-Arb., 2008
Annotation
Zsfassg. in dt. Sprache
LanguageEnglish
Document typeThesis (Diplom)
Keywords (DE)Benetzung / Infiltration / Kupfer / Kupferlegierung / Kohlenstoff / Nanofaser / Nanotube / Schäume / Karbid / Beschichtung
Keywords (EN)wetting / infiltration / copper / alloy / carbon / nanofiber / nanotube / preform / coating / carbide
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-13791 Persistent Identifier (URN)
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Wetting and infiltration behavior of copper and copper alloys on carbon nanofibers [10.23 mb]
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Abstract (German)

In elektronischen Bauteilen werden Materialien mit hoher thermischer Leitfähigkeit als Wärmesenken verwendet, deren thermische Ausdehnungskoeffizienten jenen von Silizium, GaAs oder Aluminium ähnlich sind. Für Langzeitstabilität und Verlässlichkeit des Produkts sind diese beiden thermischen Eigenschaften von großer Bedeutung. Heutzutage werden Materialien wie Mo-Cu, W-Cu, Kovar, Al/SiC, AlN und Diamanten eingesetzt, bei denen diverse Einschränkungen in Bezug auf limitierte thermische Leitfähigkeit (Kovar), hohe Dichte (Mo-Cu, W-Cu), schlechte Bearbeitbarkeit (Al/SiC, AlN) oder hoher Preis (Diamant) in Kauf genommen werden müssen.

Diese Arbeit ist eine Studie über unterschiedliche Varianten zur Herstellung von Metall Matrix Verbundwerkstoffen mit Kohlenstoff Nanofasern (d.h.

Nanofilamente und Nanotubes) als Verstärkungsphase, wobei primär die Machbarkeit und das Benetzungs- bzw. Infiltrationsverhalten von Kohlenstoff Nanofasern durch Kupfer und Kupferlegierungen sowie der Einfluss von Karbid bildenden Additiven wie Ti, Mo, Cr oder Bor auf die Benetzungseigenschaften der Kohlenstoffoberfläche untersucht wurde. Dazu wurden Techniken wie Infiltration durch flüssiges Metall, pulvermetallurgische Verfahren und chemische Beschichtung von Nanofasern verwendet.

Die hergestellten Proben wurden durch Bestimmung der thermischen Eigenschaften sowie durch Untersuchung der Faser-Matrix Verteilung unter dem Elektronenmikroskop charakterisiert. Mittels unterschiedlicher Sinter- und Schmelzmethoden wie Heißpressen, Induktives Heizen und Erhitzen durch Mikrowellen hergestellte Materialien wurden in dieser Arbeit sowohl anhand ihrer thermischen Eigenschaften wie auch ihrer Mikrostruktur miteinander verglichen.

Abstract (English)

In electronic devices materials with a high thermal conductivity and a coefficient of thermal expansion matching to the ones of Si, GaAs or alumina are used as heat sinks, heat spreaders and substrates. Besides the high thermal conductivity a low coefficient of thermal expansion (CTE) is a crucial property for the longterm stability and reliability of the products. Today commonly used materials such as Mo-Cu, W-Cu, Kovar, Al/SiC, AlN or diamond exhibit several limitations in respect to limited thermal conductivity (Kovar), high density (Mo-Cu, W-Cu), bad machinability (Al/SiC, AlN) or high price (diamond).

Within this feasibility study the wetting and infiltration behavior of copper and some copper alloys containing carbide forming elements such as Ti, Mo, Cr or B on carbon nanofibers were investigated. These additives promote wetting on the carbon surface. It is shown how carbon nanofibers (i.e. nanofilaments and nanotubes) can be used to reinforce a copper matrix. Several ways of producing metal matrix composites (MMC) with carbon nanoparticles as building blocks were investigated, including infiltrating carbon preforms with the metal matrix, powder metallurgical approaches and chemical coating of the nanofibers.

Characterisation of the accomplished samples was done by measuring thermal properties and studying the microstructure of the interface zone using scanning electron microscopy and EDX analysis. Hotpressing, conventional heating and microwave heating was carried out for fabricating the samples. The different producing routes show various problems addressed in this work.

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