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Werkstoffwissenschaften: Metalle mit Diamanten

Ein interfakultäres Forschungsteam untersucht an der TU Wien formstabile und wärmeleitende Werkstoffkombinationen für die Kernfusion.

v.l.n.r.: H.-P. Degischer, Michael Schöbel, Christoph Eisenmenger-Sittner, Christian Edtmaier, Siegfried Huemer, Helmut Böhm

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<a href="http://www.tuwien.ac.at/flash_video/090507metall_mit_diamanten/" target="_blank">Videointerview</a>

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<a href="http://www.tuwien.ac.at/flash_video/090507metall_mit_diamanten/Keramikpartikelverstaerktes_Aluminium_Pore_im_Heizzyklus(AlSiC).mov" target="_blank">Video: Siliziumkarbid-teilchenverstärktes Aluminium wird wegen der hohen thermischen...

<a href="http://www.tuwien.ac.at/flash_video/090507metall_mit_diamanten/Keramikpartikelverstaerktes_Aluminium_Pore_im_Heizzyklus(AlSiC).mov" target="_blank">Video: Siliziumkarbid-teilchenverstärktes Aluminium wird wegen der hohen thermischen Leitfähigkeit in Kombination mit einem niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten als Basisplattenmaterial für Hochleistungselektronik eingesetzt. Das Video zeigt eine zwischen Siliziumkarbidteilchen (nicht dargestellt) eingebettete Pore in AlSi7Mg/SiC/70p beim Erhitzen auf 400°C. Durch die Ausdehnung des Aluminiums schrumpft die Pore beim Erhitzen. Beim Akühlen zieht sich das Aluminium zurück und die Pore öffnet sich wieder.</a>

<a href="http://www.tuwien.ac.at/flash_video/090507metall_mit_diamanten/Metall-Diamand-Verbund.wmv" target="_blank">Video: Diamantverstärkte Metalle werden als Hochleistungswärmeleitermaterial entwickelt. Durch schlechte Grenzflächenhaftung an...

<a href="http://www.tuwien.ac.at/flash_video/090507metall_mit_diamanten/Metall-Diamand-Verbund.wmv" target="_blank">Video: Diamantverstärkte Metalle werden als Hochleistungswärmeleitermaterial entwickelt. Durch schlechte Grenzflächenhaftung an den glatten kristallinen Oberflächen kommt es zu Ablösung bei starken Temperaturänderungen. Hochauflösende Synchrotrontomografie zeigt Delamination an den Grenzflächen.</a>

Wien (TU). – MaterialwissenschafterInnen entwickeln Verbundwerkstoffe, die aus unterschiedlichen Materialien miteinander kombiniert sind, um neue, maßgeschneiderte Eigenschaftsprofile anbieten zu können. ForscherInnen der Technischen Universität (TU) Wien haben vielversprechende Metallmatrix-Verbundwerkstoffe untersucht, die sehr gut Wärme leiten, mechanischen Belastungen bis 550 Grad standhalten und sich bei erhöhter Temperatur nur wenig ausdehnen. Eine mögliche Anwendung dieser Werkstoffkombinationen ist im derzeit in Bau befindlichen Kernfusionsreaktor ITER in Cadarache, in Frankreich, wo man sie zur Kühlung der ersten Wand des Versuchsreaktors einsetzen will. Auch bei der Leistungselektronik für Motoren und Computer spielt verbesserte Wärmeabfuhr eine immer größere Rolle. Gelingt es nicht die überschüssige Wärme abzuleiten, kann die Leistung der Rechner nicht mehr gesteigert werden. Als Kühlmaterialien können die Matrix-Verbundwerkstoffe nicht zuletzt auch in Raketentriebwerken zum Einsatz kommen.

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Vier TU-Institute arbeiten an den Werkstoffkombinationen im Rahmen eines EU-Projekts des 6. Rahmenprogrammes mit dem Titel EXTREMAT, welcher für „New Materials for Extreme Environments“ steht. „Wir haben einige Metallmatrix-Verbundwerkstoffe und deren Verbindung untersucht, die aussichtsreich für die Anwendung in Kühlkörpern für Kernfusionsreaktoren, in Raketentriebwerken oder in der Leistungselektronik sind. Die Charakterisierung dieser heterogenen Materialien fällt in unseren Kompetenzbereich“, so Professor H.Peter Degischer, Leiter des Instituts für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnologie der TU Wien. Kupfer und Silber weisen eine gute Wärmeleitfähigkeit auf, sind aber wegen des relativ hohen Ausdehnungskoeffizienten nicht ausreichend formstabil bei Temperaturänderungen. Außerdem sinkt ihre Festigkeit dramatisch mit erhöhter Temperatur. „Ab 300 Grad verformt sich Kupfer wie Butter." Die Verstärkung mit Siliziumkarbid- oder Wolframfasern mit etwa 0,1 Millimeter oder Kohlenstofffasern mit weniger als 1/100 Millimeter Durchmesser erhöht die Festigkeit und die Formstabilität ohne die Leitfähigkeit zu vermindern. Eine Kombination aus Silber mit circa 0,1 Millimeter großen Diamantteilchen, die durch zarte Siliziumbrücken verbunden sind, erachtet Degischer für die Leistungselektronik als am aussichtsreichsten.

Mittels Simulationsrechnungen wurden sowohl die inneren Spannungen als auch die Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit von der inneren Architektur der Verbundwerkstoffe vorhergesagt. Das Metallwerk Plansee könnte für diese neuen Werkstoffe eine industrielle Produktion aufbauen. "Bei unseren Untersuchungen am Synchrotron, einer besonders brillanten Röntgenquelle in Grenoble, zeigte sich, wie sich die dreidimensional verschränkten Komponenten der Verbundwerkstoffe beim wiederholten Aufheizen und Abkühlen unterschiedlich verformen. Darüber hinaus konnte man auch feststellen ab wann in mikro-tomographischen Aufnahmen Ablösungen an den inneren Verbindungsflächen sichtbar werden. Letztere enstehen wiederum durch innere Spannungen während Temperaturänderungen. Die leitende Verbindung zur Kühlplatte wurde mit Hilfe neuer Beschichtungsverfahren möglich“, so Degischer.

Von TU-Seite haben Chemiker (Ass.Prof. C. Edtmaier), Physiker (Prof. C. Eisenmenger-Sittner), Mikromechaniker (Prof. H. Böhm) und Werkstoffwissenschafter neben zwei österreichischen Partnern und anderen 35 europäischen Forschungsinstitutionen und Firmen am Forschungsprojekt „EXTREMAT“ mitgearbeitet. Vier Doktoranden führten die wissenschaftlichen Arbeiten für den Projektteil der TU erfolgreich durch, wofür in den vergangenen 4 Jahren fast 1 Million Euro aufgewendet wurde, die die EU-Kommission zu etwa 50 Prozent förderte.

Fotodownload: https://www.tuwien.ac.at/index.php?id=8822

Video: http://www.tuwien.ac.at/flash_video/090507metall_mit_diamanten/

Computergrafiksimulationen:
Dipl.-Ing. Michael Schöbel
Mag.rer.soc.oec. Wolfgang Altendorfer


Rückfragehinweis:
O.Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr. H.Peter Degischer
Institut für Werkstoffwissenschaft und Werkstofftechnologie                         
Technische Universität Wien
Karlsplatz 13, 1040 Wien
T +43/1/58801 - 30801
F +43/1/58801 - 30899
E hpdegi@pop.tuwien.ac.at

Aussender:
Mag. Daniela Hallegger
TU Wien - PR und Kommunikation
Operngasse 11/E011, A-1040 Wien
T +43-1-58801-41027
F +43-1-58801-41093
E daniela.hallegger@tuwien.ac.at
http://www.tuwien.ac.at/pr