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Title
Thermal Management Materials - Neue Verbundwerkstoffe auf Basis kohlefaserverstärkter Silbermatrix / Robert Christian Hula
AuthorHula, Robert Christian
CensorSchubert, Wolf-Dieter ; Degischer, Hans-Peter
Published2010
Description239 Bl. : Ill., graph. Darst,
Institutional NoteWien, Techn. Univ., Diss., 2010
Annotation
Zsfassung in engl. Sprache
LanguageGerman
Bibl. ReferenceOeBB
Document typeDissertation (PhD)
Keywords (DE)Silber / Kohlefaser / MMC / Thermal Management / Verbundwerkstoff / Komposit / Wärmeleitfähigkeit / CTE / Heat Sink
Keywords (EN)silver / carbon fibre / MMC / thermal management / Composite / thermal conductivity / CTE / Heat Sink
Keywords (GND)Faserverbundwerkstoff / Kohlenstofffaser / Matrix <Chemie> / Silber / Wärmeübertragung / Temperaturverhalten
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-44305 Persistent Identifier (URN)
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Thermal Management Materials - Neue Verbundwerkstoffe auf Basis kohlefaserverstärkter Silbermatrix [43.28 mb]
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Abstract (German)

In verschiedensten Bereichen der modernen Technik, vom Desktop-PC über Satelliten-bauteile bis hin zum Fusionsreaktor, stellt die Abfuhr großer Wärmemengen ein zu-nehmendes Problem dar. Insbesondere die Notwendigkeit maßgeschneiderter niedri-ger thermischer Ausdehnung verlangt nach der Entwicklung neuer Thermal Management Materials (TMM), die den gestiegenen Anforderungen gerecht werden.

Im Rahmen dieser Arbeit wurden neue Verbundwerkstoffe auf Basis kohlefaserver-stärkter Silbermatrix (Metal Matrix Composites, MMC) entwickelt. Die Kombination von Silber, mit der höchsten Wärmeleitfähigkeit aller Metalle, und pech-basierten Kohlefa-sern, mit extrem hoher Wärmeleitfähigkeit und hoher Festigkeit, bietet sich für hoch- und ultrahochwärmeleitende Metall-Matrix-Komposite (Metal Matrix Composites, MMC) an. Aufgrund der schlechten Benetzbarkeit von Kohlefasern durch Metall-schmelzen ergeben sich jedoch Probleme in der Herstellung und den Eigenschaften dieser Verbundwerkstoffe. Daher wurde der Optimierung dieses Interfaces zwischen Fasern und Matrix, beispielsweise durch die Einbringung von Zwischenschichten, be-sondere Aufmerksamkeit gewidmet. Neben grundlegenden Messungen zum Benet-zungsverhalten wurden verschiedene Techniken der Faserbeschichtung und die Verar-beitung zu Verbundwerkstoffen durch Gasdruckinfiltration oder Heißpressen erprobt. Die Charakterisierung hinsichtlich linearer Wärmeausdehnung, Wärmeleitfähigkeit und Mikrostruktur und der Vergleich mit theoretischen Modellen zu faserverstärkten Kom-positen lieferten wichtige Hinweise zur Optimierung der Parameter. In Abhängigkeit von der Konsolidierungsmethode und der Zusammensetzung war es möglich, Werkstoffe mit den geforderten Eigenschaften zu erhalten.

Abstract (English)

In many different fields of modern technology, from desktop PC 's to satellite compo-nents and nuclear fusion reactors, the removal of large amounts of heat is a major problem. The need for custom-made, low thermal expansion solutions calls for new Thermal Management Materials (TMM) to meet the growing requirements. New metal matrix composites (carbon fibre reinforced silver) have been developed in the course of this project. By combining silver, with the highest thermal conductivity of all metals, and pitch-based carbon fibres, with even higher thermal conductivity and high tensile strength, MMCs with high and ultra-high thermal conductivity and a low coefficient of thermal expansion can be obtained. The poor wettability of carbon fibres by molten metals, however, makes the production and properties of these composites problematic. The optimization of the interface between fibres and matrix, for example by interlayer insertion, was therefore given special attention. Basic measurements of wetting behaviour were taken and different techniques of fibre coating and processing of the composites by means of gas pressure infiltration or hot pressing were tested. The characterization of the composites in terms of thermal conductivity, coefficient of thermal expansion and microstructure in comparison with theoretical models of fibre-reinforced composites allowed the optimization of the process parameters. To differ-ent degrees depending on the consolidation method and the composition, the objective of producing materials with the requisite high or ultrahigh thermal conductivity com-bined with lowest coefficients of thermal expansion was attained.