Metall-Graphit-Verbundwerkstoffe für funktionelle Anwendungen

Von sehr großer Bedeutung für die einwandfreie Funktion von thermisch belasteten Bauteilen/-gruppen ist die Einhaltung des vorgegebenen Arbeitstemperaturbereiches. Der ideale Werkstoff für die Anwendung als Wärmesenke vereint einen niedrigen, angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE), eine möglichst hohe Wärmeleitfähigkeit (TC), eine ausreichende mechanische Stabilität, hohes inneres Dämpfungsverhalten, niedrige Herstellungskosten und eine gute Be- bzw. Verarbeitbarkeit. Pulvermetallurgisch hergestellte Metall-Matrix-Verbundwerkstoffe (MMC) vereinen die Eigenschaften vom Matrixmetall und der Verstärkungskomponente z. B. von Naturgraphit-Flakes (NGr). Die thermischen Eigenschaften der Verbundwerkstoffe Cu-C, Al-C, Fe-C und W-C wurden in Abhängigkeit vom eingebrachten Volumengehalt an Graphit charakterisiert. Die Wärmeleitfähigkeit der untersuchten MMC überdeckt den Bereich von 300 W/mK bis zu 550 W/mK und ist gepaart mit einem reduzierten CTE und hoher innerer Dämpfung. Im Falle des W-C konnte eine Kombination aus Wärmeleitfähigkeit von 400 W/mK mit einem CTE von 3 bis 5 ppm/K erzielt werden. Die mechanischen Eigenschaften der Verbundwerkstoffe wurden mittels Drei-Punkt-Biegeversuch charakterisiert, dabei sinkt die Biegebruchfestigkeit mit zunehmendem Volumengehalt an Graphit. Bei Metall-Graphit-Verbundwerkstoffen ist die Anisotropie in den Eigenschaften aufgrund der zweidimensionalen Ausrichtung zu berücksichtigen. Experimente zur Oberflächenmodifizierung durch galvanische Beschichtung mit Nickel, Kupfer und Gold zeigen, dass die Metall-Graphit-Verbundwerkstoffe flächendeckend beschichtet werden können.