Wechselwirkung zwischen Cu und vorbehandelten C-Oberflächen

Forschungsprojekt P 14534Wechselwirkung zwischen Cu und vorbehandelten C-Oberflächen Christoph EISENMENGER-SITTNER09.10.2000 Die Verbesserung der Interfaceeigenschaften in Metall Matrix Verbundwerkstoffen (MMCs) ist von hochrangigem wissenschaftlichen und technologischem Interesse. Ziel des Projektes ist eine Verbesserung der Haftung von Kupferschichten auf Kohlefasern, die für die MMC Herstellung als Ausgangsstoff verwendet werden. Erreicht werden soll, diese Verbesserung durch Verwenden von PVD Methoden und einer Plasmabehandlung des Substrates. Die Oberflächenvorbehandlung kann ebenso, noch durch das Aufbringen einer haftvermittelnden Zwischenschicht unterstützt werden. Der Einfluß von unterschiedlichen Vorbehandlungen auf die Haftung soll durch die unterschiedliche Wechselwirkung einer kupferbeschichteten Spitze mit einem vorbehandelten Substrat bestimmt werden. Durch Kraft-Abstands-Kurven, die in einer HV Umgebung aufgenommen werden, kommt es zu keinem Kontakt zwischen behandeltem Substrat und der Umgebung. Die Grenzfläche zwischen Beschichtung und dem Kohlenstoff- Substrat wird im TEM (Transmission Electron Microscope) im Hinblick auf Struktur, Morphologie und allfällige Diffusionszonen untersucht. Der chemische Zustand der Oberfläche nach der Plasmabehandlung wird durch XPS (X-Ray Phototelectron Spectroscopy). SIMS (Secondary Ion Mass Spectrocopy) und AES (Auger Electron Spectroscopy) untersucht. Zerstörungsfreie wie auch nicht zerstörungsfreie Testmethoden werden eingesetzt um die Haftung und den thermischen Übergangswiderstand zwischen Kupfer und dem Graphit/Kohle- Substrat zu bestimmen. Zur Bestimmung der Haftung von Kupferschichten auf den Kohlefasern werden Einzelfasertests ("push out" und "pull out test") eingesetzt.

Grenzflächen haben Einfluss auf eine große Anzahl von physikalischen und chemischen Eigenschaften von Verbundmaterialien, wie z. B. mechanische Stabilität, thermische Zyklierbarkeit, thermische Leitfähigkeit und Korrosionsbeständigkeit. Kohlefaserverstärktes Kupfer, würde sich zur Herstellung sogenannter Thermischer Senken (das sind Materialien hoher thermischer Leitfähigkeit mit geringer thermischer Ausdehnung) für Hochleistungselektroniken sehr gut eignen. Allerdings führt die vollständige Unmischbarkeit von Kupfer und Kohlenstoff zu mechanisch nur schwach belastbaren Grenzflächen zwischen der Kohlefaser und der Kupfermatrix. Auch der thermische Kontaktwiderstand der Grenzfläche ist sehr hoch. Im gegenständlichen Projekt wurde die Grenzfläche zwischen Kupfer und Kohlenstoff im detail mittels einer Kombination von mehreren Oberflächenphysikalischen Verfahren wie z. B. Rasterkraftmikroskopie, Transmissionselektronemikroskopie und Auger-Analyse untersucht. Besonderes Augenmerk wurde auf die Verifizierung der Hypothese, dass das System Kohlefaser/Kupfer mittels einer einfachen Modellprobe bestehend aus Kupferbeschichtetem glasartigem Kohlenstoff modelliert werden kann. Zur Herstellung der Kupferschicht wurden Verfahren der Physikalischen Gasphasenabscheidung gewählt, da diese einerseits die Modifikation der Kohlenstoffoberfläche mittels innovativer plasmabasierter Methoden erlauben und andererseits die Herstellung von haftvermittelnden Zwischenschichten im Nanometerbereich ermöglichen. Im Rahmen des Projektes konnte die Übertragbarkeit von Ergebnissen, welche an Modellproben ermittelt wurden, auf reale Komposite bestätigt werden. Signifikante Steigerungen der thermischen Leitfähigkeit konnten erzielt werden. Auch lieferte die vorher erwähnte Kombination komplementärer oberflächenanalytischer Verfahren wichtige Ergebnisse zur Modifikation der Benetzbarkeit von Kohlenstoff durch Kupfer mittels metallischer Zwischenschichten. Diese dienen als Basis für weiterführende Forschung innerhalb eines integrierten FP6-Projektes der EU.