6. EU-Forschungsprogramm
Auf dem Weg zu extremer Wärmeleitfähigkeit
Im Dezember 2004 startete am Max Planck Institut für Plasmaphysik in Garching (D) das Projekt «ExtreMat». An diesem beteiligen sich im Rahmen des 6. EU-Forschungsprogramms 38 internationale Partner aus Forschung und Industrie, darunter auch die Empa. Das auf eine Dauer von fünf Jahren ausgelegte Projekt hat zum Ziel, neue Werkstoffe und Werkstoffsysteme für die Energietechnik zu entwickeln und zu industrialisieren, welche unter äusserst anspruchsvollen Einsatzbedingungen höchsten Ansprüchen gerecht werden sollen.
| Das Projekt «ExtreMat» hat sich zukunftsträchtigen Bereichen der Energietechnik sowie der Raumfahrt verschrieben. Es entwickelt dabei neue Werkstoffe für besonders anspruchsvolle Einsatzbedingungen. Dies sind z.B. strahlungsresistente Werkstoffe für Fusionsreaktoren oder Wärmeschutzmaterialien für Hochleistungsturbinen und Triebwerke, jedoch auch solche mit extremer Wärmeleitfähigkeit zum Ableiten von höchsten Wärmedichten in Kraftwerk-Wärmetauschern sowie in kompaktesten Hochleistungs-Halbleitersystemkomponenten. Leistungssteigerung schafft Probleme Mit der stetig zunehmenden Leistungsdichte von Mikroelektronik- und Halbleiterkomponenten wächst auch die thermische Belastung dieser Komponenten derart stark, dass die Grenzen mit den heute verfügbaren Werkstoffen bald gesprengt werden. So wird etwa vorausgesagt, dass im Jahr 2010 ein einziger Computerchip eine Milliarde Transistoren mit einer Gesamtleistung von etwa 1000 Watt enthalten wird; dies entspricht mehr Wärme pro Flächeneinheit als in einem Nuklearreaktor entsteht [Johnson G., The New York Times, 2002; Zhou D. ]. Zum Ableiten dieser extremen Wärmedichten werden neuartige Werkstoffsysteme mit bisher unerreichten thermophysikalischen Eigenschaftskombinationen gefordert. Zusammen mit anderen Projektpartnern entwickelt die Empa Werkstoffsysteme, deren Wärmeleitfähigkeit mindestens 600 W/mK betragen. Das heisst, die neuen Werkstoffe müssen eine gegenüber Kupfer um 50% gesteigerte Wärmeleitfähigkeit aufweisen, wobei der Wärmeausdehnungskoeffizient nur etwa 30% desjenigen von Kupfer betragen darf, um sich den Halbleiterwerkstoffen anpassen zu können. | ||||
| Diamant für «Thermal Management» geeignet Diese Zielvorgaben möchte die Empa mit massgeschneiderten Diamant/Metall-Verbundwerkstoffen erreichen. In der Tat besitzt Diamant mit bis zu 2200 W/mK den bisher höchsten Wärmeleitfähigkeitskoeffizienten aller heutigen Ingenieurwerkstoffe. Der geringe Wärmeausdehnungskoeffizient von etwa 0.8·10-6/K (bei 25°C) sowie die zunehmende Verfügbarkeit von hochqualitativen Industriediamanten zu Preisen von deutlich unter 1000 $/kg machen Diamant zum Material der Wahl für solche «Thermal Management»-Anwendungen. | |||
| Um die Eigenschaften von Diamant auf Bauteile zu übertragen, wird im Projekt der Ansatz verfolgt, Diamantpartikel in eine thermisch hochleitende metallische Matrix aus Silber, Kupfer oder Aluminium einzubetten. Voraussetzung zum Erreichen der Zielvorgaben ist jedoch, dass sowohl der Wärmefluss zwischen Diamantpartikel und Metallmatrix als auch die Haftfestigkeit zwischen beiden Komponenten optimal gewährleistet sind. | |||
| Deshalb wird die Empa die grundlegenden Wechselwirkungen zwischen Ausbildung und Eigenschaften der Diamantoberfläche, der Chemie der Metallmatrix, den Bedingungen der Verbundwerkstoffsynthese, sowie der resultierenden Grenzflächenausbildung und den damit einhergehenden thermo-physikalischen Eigenschaften erforschen. Mehr Informationen über die Arbeiten der Empa auf dem Gebiet der metallischen Komposite siehe www.empa.ch/abt126. Mehr Informationen über ExtreMat siehe www.extremat.org | ||||
