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Interface optimization of tungsten fiber-reinforced copper for heat sink application [Elektronische Ressource] / Aurelia Herrmann

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f?rTECHNISCHE.UNIVERSITng.,?UnivTH.M?NCHENBoltInbterfacehOptimizationnofDissertation:TyungstenmonFibDissertationer-ReinforcedTCoppeingeerhforesenHeatv.-Prof.SinkPr?ferApplicationHon.-Prof.Aurelia(Univ.HerrmannH.VUniv.-Prof.olhabil.lst?nderneriamgeriAbhniscdrucM?nckederundvFonhinender26.03.2009Fmmen.akult?tDr.-Ing.f?rBaierMascderhinen1.wDr.-IeseDr.-Eng.nNagodera/Japan)TH.ec2.hniscDr.hent.UnivEersit?tWM?ncDiehenwurdezur8.12.2008Erlangungedesderakecademischenhenersit?tGradesheneinesrDoktor-IngenieursicgenehmigtentDdurcissertation.dieVakult?torsiMasctwzamender:angeUonifamilPourlema2fhaftenzuk?nftige500FangepasstusionsreaktorenzwieMagnetron-Zerst?ubungsvbektroskeispielswAeiseterscDEMOundweinerseitserdenderimopiscBereichichrdesdassDi-hvVertorshicW?rme?sseundbiansderzuder20(XRD)MW/mDurcF?rherwbartet.gegenDadurchehsokeine?nnenMikro-anoptimiertenderhlie?end,Grenz-on?cDieheerdenzwiscWhenhplasmabundeslasteteneMaterial,DieWiolfram,wieundhderR?nW?rmesenksce,unCubowderuierlicCuCr1Zr,einerjeCnacFhunDivumewrteugungsunozyklierterergangsscdeeisesign,vTNanobempdiziert.eraturen?cbiserdenzuh550he?cCewauftreten.ZwiscUmtendiesenhhoaufcabgeschhlie?endbehandlungen,elastetenmBereicderhEinsatzzue-vunerst?rker?cen,asern,wurdeZusam-einungszustandneuartigerTWhenscKurzfassungwdurcRutherford-R?c/Cu(RMetall-MbatrunihexVVher-diebundwheidungerkstod?nnenenalstonwicgradiertenkteltbund800bannewzwiscertet.undDaserZielehandeltendiesenz?

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Published 01 January 2009
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Document size 2 MB

TECHNISCHEUNIVERSIT?TWMascDr.-Eng.M?NCHENersit?tInBaierterface2.OptimizationeoftToungsten1.Fiba/Japan)er-Reinforcedt.CoppwurdeerecforrHeatdieSinkamApplicationDr.-Ing.AureliaderHerrmannDr.-IVNagoolH.lst?ndDr.iEgerDieAb8.12.2008drucderkhenderhenvicondurcderakult?tFwakult?tangef?rv.-Prof.MascH.hinenPr?ferwDissertation:eseHon.-Prof.nng.,der(Univ.TyecH.hniscBolthenUniv.-Prof.Univmonersit?thabil.M?nc.henernerzurDissertationErlangungamdesbakiademiscThenhniscGradesUniveinesM?ncDoktor-IngenieurseingegenehmigteneDhissertation.undVhorsiFtf?rzhinenender:esenU26.03.2009nnimmen.Pourmafamille2
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zuk?nftigeFusionsreaktorenwieeiEinzelfasern,ebsceispielswW?rmebeiseundDEMOvwGrenz-erdendurcimmpBereictenhhdes?bDi-wievundertorsdurcW?rme?ssed?nnenbiolframfasernsandererseitszuOb20dieMW/mopieF?rheknmerwhartet.dh?sionDadurceheigenkdiese?nnenhiedlicanmoderwGrenz-ersuc?cbhehzwiscerfahrenhenanscplasmabdeeslastetentenMaterial,sind,WFolfram,SpannundZwiscderhW?rmesenktgene,hiedlicCutersucoscdereiseCuCr1Zr,hjeW?rme-nackhaserDivbedasrterden.otersucrVdehicsign,AnpassungTimempereiceraturenDiebisheneigensczuansc550Pull-out?vCharakterisiertauftreten.ertet.UmhenscdiesenwhodascdiehhiedenbdurcelastetendieBereicHerstellungsprozesshgeplzutvraturerst?rkterzogen.en,henstrukturwurdedeinmensetzung,neuartigersoWexturKurzfassunghic/CuerdenMetall-Mkstreu-spatrBS),ieugungxter-Vmikrosker-erfahrenbundwt.erkstoAeneinertstufenwicaucktineltW/Cu-Scundundbehandlungew?ertet.dieDashenZielMatrixdieseeinerrGArbheeithsfacistessertdiehOptimierungbderungenGrenz?chhenadh?sionen,zwisc?bhtewnunWW?rmeaus-olframfaseMikro-rnNanobundhderdiziert.Kupfermatrix,optimiertenum?cgutehaftenmecerdenhanischlie?end,hehEigenscVhaftenhedesonVcer-undbundwewerkstosDiezuZwiscerreichichen.tenDererdenOptimierungsprozesshbMagnetron-Zerst?ubungsveiaufnWhalabgesctetundzun?chlie?endhstheiehandlungen,neeinerseitsAn-mpassungundderderFanaserobEinsatzer?cehee-mittelsangepasstBescunhicDieher?ctungendermitasern,uniterscZusam-hiedlicderhenungszustandZwiscwiehen-Tscderhichenschhtewndurc,Rutherford-R?cumektroskso(RwR?nohlbeinen(XRD)Funormscschlu?hevopisconVFunaserhundDurcMatrixdiezuberhaltenheidungals500aucd?nnenhweinealsvherbonesserteuierlicFgradiertenaser/MatrixhicAtdh?sioneinerzuberzeugen.bUm800dieCmecannhaniscAhezwiscVFerzahnundunggegenveronunFehandeltenaserrundnz?cMatrixumzus?tzlicsechhezuerbvweZus?tzlicrbzessern,NeutronenwirdeugungsundiehFsoaserobthermiscezykliertererbundprob?cdasshegradiertedurcergangsschhuneineter-hrittsceisehiedlicderheterscMethohendenv2
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ungskoezienhenscderartigenhesten?bdarstellth,undhdiehenstrukturSpannhemiscungenoptimiertenan10.5dereren,W/CuiGrenz?czwischeksi?g-inikeianhiedenenteireduziert.undZurseStrukturierung/Cu-VderhFzuaserobber?ch?sionhedabaufnMikro-hunddieNanoskolf-aladaswaufzuzeigenerdenypununter-DabscasernhiedlicheettetVsehrerfahrenBauteilswiedIonen?tzen,rcist,hemischenhesplasmab?W?rmesetzenderoeit.derKVAerdrillungObderestehWinolfram-tfasernhangewgangsscendet.mitDasW?rmebZieleinerdabge?tzteneiabgescist,wird.eineotenzialverbundwerberdenessertecVmiterzahn?cungvderongurationenFzeigtaserdieinhdermdehnvinKupfermatrixzuKupfermatrixerreicbhen.hDiethermomecdarauserhaltenresultierendentieren.?nderungenhlie?endendermonstrFdasereigen-WscerkstohaftenhowieelastetenZugfestigke-eit,henMMateorpundholkogieerst?rkoGrenz?cderherfestigkRauhigkDereitestewompromisserdenhenaufd-mehrerenundL?ngen-er?cskbalentuneitersuceinerhont.iDieuierlicvgradiertenerscer-hiedenenhicMikrostrukturierungsktonzepte800habCenehandlung,einenaufun-cterschhiedlicWhenramfaserEinusshaufedendieUmFPaserobeineser?cVhe,erkstoesderwvzwonMonobloGl?ttungk-PrototderenObdieserer?cW/Cu-Grenz-hehedurtercerschW?rmeusskdasgetestet.Ionen?tzeneibissichindasszuFeineraucrissigenbObeineer?cW?rmehenstrukturussdurconhMW/mdasstabilVdererdrilleneingebreicbleihent.dadurcEinzelfaserzugveinersucguteshehanisczeigenVeinedesAbnahmegaranderDieZugfestigkabsceitW?rmeusstestsdurcehidiedassMikrostruk-eturierungneuartigeviderFerbundwaserobgeeigneter?cdenhecaufbderGrenz?canderenbSeitereiczeigenzwiscPull-outdemVelastetenersucrhealeinederdeut-nlicehevZunahmeen.f
InfutureleastngRutherfordfusiterface.onstressreactors,likereacDEMO,eheasttmethouxesbupontothermal20erMW/mand?thearevexplaectedrinX-ratheW/Cudivatebrtdiractiogradedrwiseregion.toDepsputtering,endingdionbtheanddivheatertoropdesign,MMCthiseresultsofinerehighsophisticatedtemphneraturesectroscupdierentothin550and?tCtheatWtheedi6.nestigationsterfaceMMCsbweactstecienwheentheplasma-facingconceptsmaterialhing,(W)pandbthinethewTheater-corolesubsequendaccordingheatthesissinktempmaterialof(theCu,TheCuCr1Zr).compAandnoinverselvWgatedAbstracth/Cuterizationmequestalkscatteringmatrixycompdiractometryositemicroscop(MMC)Bywnmasstepdevtinelopsub-edtreatmenand?vterfacialalidatedwtoCustrengthenimprothisyzonefactorbaddition,yinimprothermalvingulti-bthethatmecbhWaCunaiofcalsp(CTE)erformancenatreductionhigher/matrixtempteratures.eThehemicalaimofwistingthistowtheorksurfaceisethecialinwterfaceboptimizationCub,ettewieenandthetlyWtreatedbtoerssynandandtheerationCueraturmatrixsofthetheinMMCdi-forertor.enhancednanostructuradhesion,,resultingosition,instategotextureothedterfacemecyhanicalwpropinertieseofithewithcompcound.aTheacoptimizationtecconsistsiof,includingrst,bactailoringsptheopnanosco,pyiandctinyterfads.ceapplyingb500ygradeddepcoatings,ositingwisedierencontuouslyinwithtesequenrheatlta800yC,ersintoadhesionacethieveeneandacouldformeclosurevplusbadhesivateabofond,Inandneutronsec-onond,vbandycyclingnano-mandersmicindicaterosttheructuringtransitionofettheeenbberandtomatriximproasvstepeadaptationthecomecthanicalofinexpansionterlomismatccleadiking.gThestressoptimizedatinbterfaceinpropDierenertiesmicrostructuringarelikinionvcestigatedetcthroughandpull-outbmeasurementtsareoferformedsinglemomatrix-coatefydtungstenberers.toThehievthinenhancedinterfa-terlaadhesionyeterseenareWdeperositedthebmatrix.ymorphologymagnetronroughness,sputviiPVD
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bersarecuxesasharacterizedtheonhemicalsevTheeraloflengthmicrostructuringscales.800ThewdierenwtinmicrostructuringteeingconceptsuxhaWvdeterminedegradedvtreatmenaryingtheimpactskonoptimizedthederbstablyeresurface10.5,thermo-mecrang-oneningthefthisrterfaceowmbsmotinothingstrengtheectsCduewithtohingioner.sputtering,monobloincreasedcrofoughnessterfaceduetestedtoheatcershemicalbetcmatrixhing,highorupsurfaceofcracokingpduewholetoHighbresultserapplicationttationwisting.vT/CuensileandtestsconceptdemonstrateasthattotheemicrostructuredcontheuouslyterlaW/Cuersurfacemoindicationsywpluseak?enheatthetultimatectensileetcstrengthofofbtheTboers.cHomowk-upevconsistinger,thetheinsingleMMCbereerun-pull-outhightestsuxes.shobwremainthatemaneddedincreasetheinundinrterfacialheatshearofstrengthtoisMW/macguaranhievgoeddbhanicalyerformancethethemicrostructuringcompconcet.ptheatstestwithdemonstratethesuccessfulexceptionofofimplemenionofsputtering.noTheelviiioptimalinMMC.f
tentsKurzfassung.MeofvInAbstractFvii3.313.3.2In.trohniquesduction.1.1.1.Motiv.ation..................of.......................SEM,.........13.........and.MMC...3.3.11.1.2.Purp.ose..................duction.......erties.....20.Electron.....23.(.....24.......In..............3.1.3otenStrategytConofthe.w.ork....b.................and.............19.................3.3.4.hniques4.2.In.terface.optimization.concepts207hanical2.1.In.terface.concepts......Characterization.3.y.and.........A.Microscop.FM).........................3.2.terface.W/Cu....7.2.2.Microstructuring.concepts..................15.P.tial.curren.status.W./Cu...............17.W.er8.3.Bac.kground.kno.wledge.11.3.1.Thin.lms............18.Cu.CuCr1Zr...........................3.3.3.terface......................11.3.1.1.Magne.t.ron19sputteringPro.tec.........................3.3.5.c.prop................11.3.1.2.Mi.cro-.and4nanostructuretecof2thin4.1lmsmicroscop.-.FIB.TEM.................4.2.tomic.orce12e3.1.3AResidual.stress.in.thin.lms..............ixxCONTENTS4.3X-ra63..y.DiractionMMCs(XRD)......Thermal.terface...W/Cu.morphology...c.strength.b...erimen...and...........68..........25-out4.4.Ion.b5.4.4eam.analysisc.....n...t.6.1.3...Thermal.Summary.....................40.......Fi.......t....27ulti4.5.High.heattuuxdiraction(HHF)ghtestmonoblob6yInneutral.b.eam..5.et.....n.....adhesion.......thin........28.5.Exp.erimen.tal.details.296.2.25.1.Sample.preparation.and.treatmen.t....b.........Mec.............41.er..........295.4.25.1.1onDdep.osition.pro.cess42.of.er.........n.stresses.y...5.4.5.ux.of.k...of.51.concepts..............296.1.15.1.2reactionMieencrostru.c.tu.ri.n6.1.2gof.terface.......n.............53.y.wise...56.terface...........Microstructuring......31.5.1.3.Sample.geometries6.2.1...........analysis.............Surface...............6.2.4.strength......32.5.1.4.Mo.n.obl.o5.4chanicalkharacterizationmo.c.k-up....................5.4.1.b.tensile.analysis...................41.Pull35test5.2matrix-coaFibeersinglecersharacterization............5.4.3.cycling.m.-b.MMC...............43.I.-si.residual.of.b.neutron.....4337Hi5.2.1heatFiexpbtseroptimizedsurfacecmorphologymock-upsharacterization45(SEM,ResultsAFM)in.optimization.6.1.terface..37.5.2.2.Fi.b.er.roughness.analysis.(AFM)..............1.I.terface.b.w.W.Cu..........38.5.2.3.Fi51bNaerostructuresurfacedierenareain.concepts...........51.I.terfacial...........................6.1.4.stabilit.of39step5.3gradedCoatingcoatingsc.haracterization..6.1.5.in.concepts.....................6.2.concepts......................39.5.3.164CoatingSurfacemorphologyvisualization(SEM,.TEM,.AFM)............64.Roughness............39.5.3.2.Coating.comp.osition.(RBS)....6.2.3.area.............................70.Fi.er40.5.3.3.Coating.phase,.texture.and.stress.analysis.(XRD)............70