Die Erfindung betrifft ein mikrostrukturiertes Kohlenstoff- Material sowie ein Verbundmaterial aufweisend das mikrostrukturierte Kohlenstoff-Material . Die Erfindung betrifft weiter ein Herstellungsverfahren für ein mikrostrukturiertes Kohlenstoff-Material sowie ein Herstellungsverfahren für ein Verbundmaterial .

Mikrostrukturierte funktionale Kohlenstoffmaterialien haben bedeutendes Interesse in den letzten Jahren erlangt aufgrund ihrer möglichen Anwendung in hochsteifen Verbundmaterialien und aufgrund ihrer Bedeutung beim Verstehen von kohlenstoffbasierter Materialformation. Bis zum jetzigen Zeitpunkt wurden verschiedenste kohlenstoffbasierte Materialien mit diversen Morphologien wie z.B. Mikrorollen, Mik- robäumen, Mikrobällen und Mikroröhren mit verschiedensten Technologien synthetisiert. In der Veröffentlichung von Ajayan PM et al . in „Growth of carbon micro-trees" , Nature 2000, 404:243; ist beschrieben worden wie Mikrobäume präpariert werden können unter Nutzung eines Prozesses auf den als „Flash CVD" von Methan Bezug genommen wird. Der Effekt der Prozessbedingungen wie Temperatur und Volumenstrom des Methangases und die Oberflächenmorphologie des Graphitsubstrates auf das Wachstum der Kohlenstoff-Mikrobäume ist in Jung YJ et al . in „Controlling growth of carbon microtrees" in Carbon 2001, 39, 2195-201; beschrieben. Terranova ML et al . haben über die Bildung von baumartigen Kohlenstoff- Nanostrukturen berichtet, die unter der Wechselwirkung zwischen atomarem Wasserstoff und glasartigem Kohlenstoff generiert wurden in Chem Phys Lett 2001, 336, 405-9. Shimizu Y et al . haben in „Fabrication of carbon nanotube assemblies on Ni-Mo Substrates mimics law of natural forest growth" in Chem Phys Lett 2003, 370, 774-80 die Bildung von zedernbaumwaldartigen Kohlenstoffstrukturen durch DC Plasma assistiertem Glühfaden CVD beschrieben. Kohlenstoff- Mikrobäume mit mehrfach verästelten Strukturen die unter kontrollierten CVD-Bedingungen gebildet wurden konnten ebenfalls berichtet werden.

Insbesondere wurden qualitativ hochwertige Kohlenstoff- Mikrobälle demonstriert, welche durch Bogenentladungen auf kohlebasierten Kohlenstoffen in einer HeIlium-Atmosphäre produziert wurden von Qiu JS et al . u.a. in „A novel form of carbon micro-balls from coal ^w in Carbon 2003; 41:767-72 und in „Novel fluffy Caron balls consisting of Short curly Carbon fibers from coal" in Carbon 2004; 42:2359-62.

Eine potentielle Anwendung von Kohlenstoff-Mikrobäumen ist ihre mögliche Verwendung in Kompositmateria- lien/Verbundmaterialien oder Werkstoffen, bei denen elasti- sehe, plastische und brechende Eigenschaften die wesentlichen Punkte sind.

Unterschiedlichste Technologien sind entwickelt wurden, um die elastischen Eigenschaften solcher Materialien zu mes- sen. So studierte Lieber et al . in „Nanobeam mechanics : elasticity, strength and toughness of nanorods and nano- tubes" in Science 1997, 277, 1971-4, die Elastizität, Festigkeit und Zähigkeit von Nanostäben und Nanoröhren unter Benutzung von AFM und kalkulierte das Elastizitätsmodul von Kohlenstoff-Nanoröhren (CNT) aus der Kraft- Rückfederungskurve. Yu MF et al . benutzten ein AFM, um ein CNT zu strecken, welches an beiden Enden an die Spitzen des AFM geklebt worden ist, um die Festigkeit und den Brechme- chanismus von mehrwändigen CNTs unter Spannung zu studieren wie dies in YU MF et al . in „Strength and breaking mecha- nism of multiwalled carbon nanotubes under tensile load" in Science 2000; 287, 637-40 berichtet ist. Wang et al . stu- dierten in „Elektrostatic deflections and electromechanical resonances of carbon nanotubes" in Science 1999; 283, 1513- 6 elektrostatische Rückfederung und elektromechanische Resonanzen von CNTs und fanden, dass das Elektrizitätsmodul mit den elektromechanischen Resonanzfrequenzen der Nanoröh- re korreliert ist. Jedoch gibt es bislang noch keine ausreichende Methode um die mechanischen Eigenschaften von Mikrobäumen zu bestimmen, obwohl solche Informationen notwendig und wichtig sind, um die potentielle Verwendungsfähigkeit von Kohlenstoff-Mikrobäumen in Sensoren, Sonden und hochfesten Komposit- /Verbundmaterialien oder Werkstoffen zu erforschen.

Unter Komposit- /Verbundmateriallien oder Werkstoffen sind grundsätzlich Werkstoffe und Materialien zu verstehen, die aus zwei- oder Komponenten von mehr Verbund-Materialien bestehen. Der Verbund- bzw. Kompositwerkstoff besitzt andere Werkstoffeigenschaften als seine einzelnen Komponenten. Regelmäßig sind für Eigenschaften von Verbundmaterialien oder Verbundwerkstoffen stoffliche Eigenschaften und Geometrie der Komponenten von Bedeutung. Es hat sich insbesondere gezeigt, dass GröSeneffekte eine bedeutende Rolle spielen. Grundsätzlich gibt es eine Vielzahl von Möglichkeiten die Verbindung zwischen den Komponenten der Werkstoffe z.B. durch Stoff oder Formschluss oder eine Kombination von bei- dem zu bewerkstelligen.

Unter Schicht-Verbundmaterialien, insbesondere Sandwich- Verbundmaterialien sind solche zu verstehen, bei denen un- terschiedliche Komponenten der Verbundwerkstoffe aus auf- einanderliegenden Schichten unterschiedlicher Anzahl bestehen. Der Spezialfall von wenigstens zwei, insbesondere drei Schichten, mit vorzugsweise zwei identischen Außenschich- ten, wird auch als Sandwich-Verbund bezeichnet.

Wünschenswert wäre es, die Möglichkeiten der Herstellung und Realisierung von mikrostrukturierten Kohlenstoff- Materialien und Architekturen, wie orientierten Arrays , mit Kohle als Startpunkt einer Kohlenstoffquelle zu verbessern, insbesondere im Vergleich zu bisher bekannten baumstruktur- artigen Kohlenstoff-Strukturen.

An dieser Stelle setzt die Erfindung an, deren Aufgabe es ist, eine mikrostrukturiertes Kohlenstoff-Material anzugeben, bei dem die Steifigkeit verbessert ist und das sich in besonders bevorzugter Weise für ein Verbundmaterial eignet. Aufgabe der Erfindung ist es auch, ein Verbundmaterial, insbesondere ein Sandwich-Verbundmaterial, mit einem mikrostrukturierten Kohlenstoff-Material anzugeben. Weiter ist es Aufgabe der Erfindung ein Herstellungsverfahren für das mikrostrukturierte Kohlenstoff-Material und ein Herstellungsverfahren für das Verbundmaterial anzugeben.

Hinsichtlich des mikrostrukturierten Kohlenstoff-Materials wird die Aufgabe durch ein mikrostrukturiertes Kohlenstoff- Material der eingangs genannten Art gelöst, das erfindungsgemäß ein orientiertes Array von Baumstrukturen aufweist mit einem Durchmesser von im Mittel weniger als 30 μm und enthaltend wenigstens Kohlenstoff in einem Anteil von mehr als 99 % Kohlenstoff (C) , wobei die Baumstrukturen ein E- lastizitätsmodul (E) von im Mittel mehr als 0,2 TPa aufweisen. Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass sich bisher bekannte baumartige Kohlenstoff-Strukturen verbessern lassen auf Basis der eingangs genannten Bogenentladung von kohlebasiertem Kohlenstoff in einer Helium-Atmosphäre. Überraschenderweise hat die Weiterentwicklung des eingangs genannten Herstellungsverfahrens zu einem mikrostrukturierten Kohlenstoff-Material mit orientiertem Array von Baumstrukturen geführt, deren Elastizitätsmodul (E) von im Mit- tel mehr als 0,2 TPa sich als überlegen gegenüber bisher bekannten für Verbundwerkstoffe geeignete Materialien erweist .

Dementsprechend führt die Erfindung zur Lösung der Aufgabe hinsichtlich des Herstellungsverfahrens auf ein Herstellungsverfahren für ein mikrostrukturiertes Kohlenstoff- Material gemäß dem vorgenannten erfinderischen Konzept, bei dem erfindungsgemäß in einer Acetylen-Atmosphäre durch Bo- gen-Plasma assistiertes CVD auf einer Kohle-basierten Anode Baumstrukturen abgeschieden werden.

In einer besonders bevorzugten Weiterbildung dieses Verfahrens hat sich die Verwendung von Eisen als Wachstumskatalysator als überlegen gegenüber bisherigen Herstellungsver- fahren und mit besonderen Vorteilen versehen erwiesen. Insbesondere hat es sich als vorteilhaft erwiesen, Eisen als Wachstumskatalysator so einzusetzen, dass ein mikrostrukturiertes Kohlenstoff-Material gemäß dem Konzept der Erfindung zusätzlich Eisen enthält oder ein Eisen-basiertes Ma- terial, vorzugsweise in einem Anteil von weniger als 1 % Eisen. Ein mikrostrukturiertes Kohlenstoff-Material gemäß dem Konzept der Erfindung und/oder ein mikrostrukturiertes Kohlenstoff-Material, das gemäß dem Konzept der Erfindung hergestellt ist, hat sich als besonders geeignet für ein Ver- bundmaterial erwiesen. In besonders bevorzugter Weise ist das Verbundmaterial als Sandwich-Verbundmaterial ausgebildet und weist dazu eine, vorzugsweise zwei, äußere Schichten und ein von der wenigstens einen äußeren Schicht bedecktes Kernmaterial auf, wobei erfindungsgemäß das Kernma- terial das mikrostrukturierte Kunststoff-Material gemäß dem Konzept der Erfindung enthält. Besonders vorzugsweise besteht das Kernmaterial aus dem mikrostrukturierten Kohlenstoff-Material gemäß dem Konzept der Erfindung.

Solche Sandwich-Verbundmaterialien, insbesondere solche, bei denen die zwei äußeren Schichten aus einem Aluminiumbasierten Material gebildet sind, vorzugsweise aus Aluminium bestehen, hat sich als überlegen gegenüber anderen hochfesten Sandwich-Verbundmaterialien erwiesen, z.B. solchen deren Kernmaterial aus Aluminiumschaum, Metallschaum, Kunststoff, Baiserholz od. dgl . gebildet ist.

In besonders vorteilhafter Weise ist das mikrostrukturierte Kohlenstoff-Material gemäß dem vorliegenden Konzept der Er- findung als Vollmaterial im Kern des Sandwich- Verbundmaterials eingebracht - gleichwohl kann es sich als vorteilhaft erweisen, aus dem mikrostrukturierten Kohlenstoff-Material gemäß dem vorliegenden Konzept der Erfindung struktuierte Zellen zu bilden, beispielsweise Bienenwaben- zellen od. dgl. Dies hat den Vorteil, dass die Steifigkeit des Kernmaterials weiter erhöht wird. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen und geben im Einzelnen vorteilhafte Möglichkeiten an, das oben erläuterte Konzept im Rahmen der Aufgabenstellung sowie hinsichtlich weiterer Vorteile zu realisieren.

Gemäß einer ganz besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung hat sich ein mikrostrukturiertes Kohlenstoff- Material mit einem orientierten Array von Baumstrukturen erwiesen, die einen Durchmesser von im Mittel zwischen 15 bis 25 μm aufweisen und deren Elastizitätsmodul zwischen 0,35 und 0,45 TPa liegt. Solche besonders bevorzugten mikrostrukturierten Kunststoff-Materialien weisen einen Kohlenstoffanteil von zwischen 99,4 % und 99,5 % auf und einen Eisenanteil von zwischen 0,5 % und 0,6 %. Vorteilhaft haben solche mikrostrukturierte Kohlenstoff-Materialien mit einem orientierten Array von Baumstrukturen einen festen inneren Kern der Baumstrukturen und eine anisotrope im Wesentlichen hochgraphitisierte Struktur.

Diese und andere Eigenschaften der Kohlenstoff- Mikrobaumstrukturen sind untersucht worden durch Raster- Elektronen-Mikroskopie REM (SEM) , Energie-Dispersions- Spektroskopie EDS, Röntgen-Beugung XRD sowie polarisierter Lichtmikroskopie und Raman-Spektroskopie - dies ist im Einzelnen anhand der Figurenbeschreibung erläutert .

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Diese soll die Ausfüh- rungsbeispiele nicht notwendigerweise maßstäblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der aus der Zeich- nung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass vielfältige Modifikationen und Änderungen betreffend die Form und das Detail einer Aus führungs form vor- genommen werden können, ohne von der allgemeinen Idee der Erfindung abzuweichen. Die in der Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Weiterbildung der Erfindung wesentlich sein. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, der Zeichnung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale. Die allgemeine Idee der Erfindung ist nicht beschränkt auf die exakte Form oder das Detail der im folgenden gezeigten und beschriebenen bevorzugten Aus führungs form oder beschränkt auf einen Gegenstand, der eingeschränkt wäre im Vergleich zu dem in den Ansprüchen beanspruchten Gegenstand. Bei angegebenen Bemessungsbereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte offenbart und beliebig einsetzbar und beanspruchbar sein. Im Einzelnen zeigt die Zeichnung in:

Tab. 1: eine Tabelle mit Analysedaten von Kohle und

Kohle-basierten Kohlenstoff-Stangen ;

Fig. 1: REM-Bilder von orientierten Kohlenstoff- Mikrobäumen: in (a) Übersicht über ein Kohlenstof f-Mikrobaum-Array (Skalierungsbalken 10 μm) ; in (d) ein Bruchabschnitt der Kohlenstof f- Mikrobäume (Skalierungsbalken: 5 μm) ;

Fig. 2: Bilder einer Polarisierungs-Lichtmikroskopie von Kohlenstof f-Mikrobäumen: in (a) , (b) ein axialer Abschnitt der Kohlenstoff-Mikrobäume (der Pfeil weist auf Rest Cr2θ ₃ -Partikel hin, die während eines Polierschrittes verwendet wurden) ; in (c) , (d) Mikroaufnahmen eines Quer- Schnitts der Kohlenstoff-Bäume (Skalierungsbalken: 20 μm) ;

Fig. 3: ein XRD-Profil der Kohlenstoff-Mikrobäume;

Fig. 4: ein Raman-Spektrum der Kohlenstoff-Mikrobäume;

Fig. 5: ein Messschema zur Messung des Elastizitätsmoduls von individuellen Kohlenstoff-Bäumen;

Fig. 6: eine schematische Darstellung eines Sandwich- Verbundmaterials mit zwei äußeren Schichten und einer zwischenliegenden Kernschicht aus dem erfindungsgemäßen mikrostrukturierten Kohlenstoff-Material von orientierten Arrays von Baumstrukturen.

Materialien und Methoden

Eine Anthrazitkohle chinesischen Ursprungs wurde verwendet um Kohlenstoffstangen herzustellen, die als Anoden in den Bogenplasma assistierten CVD-Experimenten verwendet wurden. Die Immediat-Daten und endgültigen Analyse-Daten der Kohle und Kohle-basierten KohlenstoffStangen sind in Tabelle 1 gezeigt. Die Kohleproben wurden zerbrochen und auf eine Korngröße bei 150μm gesiebt und dann mit Kohleteer und Eisenpartikeln (kleiner als 200μm) in einem Gewichtsverhältnis von 100:40:12,5 gemischt. Anschließend wurde die Mischung unter einem Druck von 10 - 20 MPa in eine Rohrform gedrückt um Stangen zu bilden, die dann bei 1173 ⁰ C für zwei Stunden karbonisiert wurden, um leitende und sich selbst tragende Eisen enthaltende Kohlenstoffstangen zu erreichen. Für den Bogenplasma assistierten CVD-Prozess wurden die Kohlenstoffstangen als Anoden verwendet, während hochreine GraphitStangen als Kathoden verwendet wurden, welche während des Bogen ausbildenden Prozesses unverändert blieben. Das Bogenplasma wurde mit einem DC-Strom von 90 - 100A und einer Spannung von 26 - 28V in einer 0,02MPa Acetylenatmo- sphäre ausgebildet. Für einen typischen Lauf dauerte die Bogenentladung normalerweise 3 min. , während etwa 15% der Anode verbraucht wurde.

Die so hergestellten Kohlenstoffmikrobäume wuchsen auf der runden Oberfläche der kohlebasierten Anode (in der Nähe der Plasmazone) und wurden mittels Rasterelektronenmikroskopie REM (Scanning electron microskopy SEM) eines JEOL JSM-5600LV und einem Detektor für Energie-Dispersions- Spektroskopie (energy dispersiv spectroscopy - EDS) unter- sucht .

Die so hergestellten Kohlenstoffmikrobäume wie sie auf der Oberfläche der Anoden gewachsen sind, wurden auch untersucht unter Verwendung von polarisierter Lichtmikroskopie PLM (hier: Leitz Ortholux II pol-BK) . Die Kohlenstoffmikrobäume wurden vor der PLM-Untersuchung vorbehandelt. Die Anoden mit den Kohlenstoffmikrobäumen auf ihrer Oberfläche wurden eingebettet in einen Binder, der aus ungesättigtem Polyester, Maleinanhydrid und Styren in Verhältnissen von 100:5:2 (Gew.%) gemacht ist. Nach 5 min. war der Binder verfestigt. Anschließend wurden die Proben poliert, zuerst unter Verwendung von wasserbeständigen Reibpapieren, dann unter Verwendung von Cr ₂ O ₃ und schließlich gereinigt in einem Ultraschallbad für 30 min.

Die Mikrobäume wurden von den Anoden gesammelt und zu PuI- ver gemahlen bevor sie der XRD-Untersuchung unterzogen wurden. Das XRD-Profil wurde aufgenommen in einem Rigaku D/MAX 2400 Diffraktometer, das mit einer CuK _α Röntgenquelle bei 40 kV und 50 mA operierte.

Das Raman-Spektrum der Kohlenstoffmikrobäume wurde aufgenommen mit einem Jobin Yvon LabRam HR800 Spektrometer bei Raumtemperatur (He-Ne laser, 632.8nm) .

Ergebnisse

Typische REM-Mikroaufnahmen der Kohlenstoffmikrobäume sind in Fig. 1 gezeigt und offenbaren, dass große Mengen von Kohlenstoffmikrobäumen auf der Anodenoberfläche gebildet sind. Die Mikrobäume sind freistehend und haben eine Länge von einigen hundert Mikrometern. Das am meisten auffallende Merkmal der Mikrobäume ist, dass die individuellen Mikrobäume aussehen wie ein kontinuierlicher Verbund von sphärischen Kohlenstoffbällen mit glatten Oberflächen, welche freistehend als gut ausgerichtete, hochdichte Arrays auf der Anodenoberfläche stehen. Die detaillierte Untersuchung bei höherer Vergrößerung bestätigt die sehr hohe Uniformi- tät der Mikrobäume, welche ziemlich anders ist als z.B. vielverzweigte Mikrobäume, die mit CVD-Verfahren bei geringeren Temperaturen gewonnen sind. Im Mittel beträgt der Durchmesser der Mikrobäume etwa 15 bis 25 μm. Die glatte Oberfläche wird darauf zurückgeführt, dass einheitliche a- romatische Struktureinheiten von der Kohle-basierten Kohlenstoffanode freigesetzt sind und die Restrukturierung des niedergeschlagenen Kohlenstoffmaterials bei extremen Temperaturen, wie sie vom Bogenplasma induziert sind, erlauben (Fig. Ic) . Fig. Id zeigt einen Bruchabschnitt von drei gebrochenen Kohlenstoff-Mikrobäumen, welcher den inneren Kern der Mikrobäume als fest und gebildet von zirkulären Strukturen offenbart. Dies schlägt vor, dass ein radialer Wachstumsmode ebenfalls eingebunden ist in der Bildung der Mikrobäume zusätzlich zu einer axialen Aggregation der Mikro- sphären. Die EDS-Analyse zeigt, dass die Kohlenstoffmikro- bäume 99.46 at . % von Kohlenstoff und 0.54 at . % von Eisen enthalten.

Polarisierte Lichtmikroskopie ist ein schlagkräftiges Werkzeug um die anisotrope Struktur von Kohlenstoff-Materialen zu untersuchen, weil Lichtpropagation in anisotropen Medien zu farbreichen Doppelbrechungsbildern führt. Fig.2a und Fig. 2b sind typische polarisierte Lichtmikroskopieaufnahmen eines axialen Abschnitts von Kohlenstoff-Mikrobäumen, welche zeigen, dass die Mikrobäume eine anisotrope Struktur haben und der innere Kern der Bäume nicht hohl ist, was in Übereinstimmung mit den oben diskutierten REM-Resultaten ist. Die Mikroaufnahmen der Querschnitte schlagen vor, dass wenigstens zwei Zonen in der Mikrostruktur existieren (Fig. 2c und Fig. 2d) . Der innere Kern ist weniger anisotrop, was eine geringere Graphitisierung bedeutet und anzeigt, dass die Kerne geringeren Temperaturen während des Wachstumsprozesses ausgesetzt sind, welches wiederum ähnlich zu den Resultaten ist, wie sie in der oben genannten Veröffentlichung von Ajayan et al . erwähnt sind.

Das XRD-Profil der Mikrobäume ist in Fig. 3 gezeigt. Starke Spitzen ergeben sich aufgrund der Brechung an (002) - Graphitebenen klar ersichtlich, was anzeigt, das gut ausgebil- dete grpahitartige Strukturen in den Mikrobäumen dominieren. Schwache Spitzen korrespondieren zu den (211)-, (102)- und (220)- Ebenen von FeC ₃ und können ebenfalls ausgemacht werden. Dies schlägt vor, dass die Formation und das Wachs- tum der Kohlenstoff-Mikrobäume katalysiert durch Fe- Partikel ist, die von der kohlebasierten Anode freigesetzt sind.

Raman-Spektroskopie ist eine andere schlagkräftige Technik zur Charakterisierung von Kohlenstoff-Materialien. Das Ra- man-Spektrum der so hergestellten Kohlenstoff-Mikrobäume ist in Fig. 4 gezeigt, in welcher ein starkes G-Band bei 1580 cm ^"1 als auch ein relativ schwaches D-Band bei 1350 cm ^{" 1} klar zu sehen ist. Das G-Band existiert aufgrund der Ra- man-aktiven E ₂₉ Vibrationsmode, welche verknüpft ist mit der Vibration des sp ² gebundenen Kohlenstoffatoms in einem hexagonalen Graphitgitter. Das D-Band ist assoziiert mit ungesättigten Bindungen von ungeordnetem Kohlenstoff an den Grenzebenen. Die relativen Intensitäten der D- und G-Bänder (I _D /I _G ) zeigt den Grad der Kohlenstoffgraphitisierung an. Für die Kohle-abgeleiteten Kohlenstoff-Mikrobäume beträgt das Verhältnis I _D /I _G 0,45, was anzeigt, dass die hier beschriebenen Kohlenstoff-Mikrobäume hochgraphitisiert sind und was konsistent mit den oben diskutierten XRD-Resultaten ist.

Vorhergehende Arbeiten haben gezeigt, dass die Oberflächerauhigkeit des Kohlenstoff-Substrats einen großen Einfluss auf das Wachstum von Kohlenstoff-Mikrostrukturen in einem Flash-CVD-Prozess hat. Im Allgemeinen wird eine raue Oberfläche bevorzugt für eine Keimbildung von Kohlenstoff- Mikrostrukturen unter entsprechenden Bedingungen. Die Porosität und Turbulenz erzeugende Oberflächenstruktur des Sub- strats kann die Absorption und Diffusion von Kohlenwasser- Stoffen an der Oberfläche bis zu einem bestimmten Grad beeinflussen ebenso wie die Kinetik von Kohlenwasserstoff- Zersetzung und Kohlenstoff-Deposition an solchen Stellen. Deshalb erscheint es einsichtig, dass die Kohle-basierte Anode mit einer rauen Oberfläche, auf welcher unzählige Defekte wie Mikroporen und Mesoporen existieren, als ein ideales Substrat mit einer Vielzahl von Triggering-Spots für das Wachstum der Kohlenstoff-Mikrobäume funktioniert.

Im Bogenplasma assistiertem CVD-Prozess, welcher in der vorliegenden Arbeit verwendet wurde, werden Acetylen- Moleküle im Plasma zerlegt, um aktive Partikel zu bilden, welche anschließend reagieren und/oder kombinieren mit den aktiven Kohlenstoff-Partikeln, die von der Kohle-basierten Anode freigesetzt sind. Dies führt zu neuen graphitischen Sphäroliten, welche sich selbstorganisiert zu einer kontinuierlichen Kette von sphärischen Knollen zusammensetzen. Das laterale Wachstum des pyrolitischen Kohlenstoffs ist beschränkt durch benachbarte sphärolitische Knollen, welche die Planarisierung der Oberfläche beschränkt. Dann dienen diese Knollen als Keime für das anschließende Wachstum nach außen, um Kohlenstoff-Mikrobäume zu bilden.

Youngs Elastizitätsmodul eines individuellen Baums wurde durch simultane Aufnahme des Abstandes (Auslenkung) und einer lateralen Kraft gemessen, wenn eine Wolfram-Spitze über die geordneten Arrays rastert. Die Spitze rastert über die obersten Enden der Bäume und die Spitzenhöhe wird entspre- chend der Oberflächenmorphologie und der lokalen Kontaktkraft eingestellt. Bevor die Spitze einen individuellen Baum berührt wird keine laterale Kraft beobachtet (Schritt II in Fig. 5) . Wenn die Spitze in Kontakt mit dem Baum kommt, wird eine kleine laterale Kraft gefunden, wenn der Baum sich aus seiner Gleichgewichtsposition (Schritt III in Fig. 5) herausbiegt. An der Maximumbiegeposition wie sie in Schritt IV in Fig. 5 verdeutlicht ist, streift die Spitze über das äußerste Ende des Baumes . Nun wird der Baum entweder freigesetzt oder (wie in Schritt V in Fig. 5) gebrochen und die laterale Kraft fällt plötzlich auf Null ab. Das Young'sche Elastizitätsmodul wird abgeleitet unter Benutzung der folgenden Gleichung:

F = 3EIx/L ³ ,

wobei F die laterale Kraft ist, E das Young'sche Elastizitätsmodul ist und I das Trägheitsmoment des Baumes ist. X ist die laterale Auslenkung senkrecht zum Baum und L ist die Länge des Baums. Für einen Baum mit einem zirkulären Querschnitt ist das Trägheitsmoment

I = πD ₄ /64,

wobei D der Durchmesser des Baums ist. Somit ist das Young'sche Elastizitätsmodul gegeben durch:

E = 64FL ³ /3π x D ⁴ .

Aus den gemessenen Daten wurde das mittlere Young'sche Modul der Kohlenstoff-Bäume auf etwa 0.4 TPa berechnet, was leicht oberhalb dessen von Kunststoff-Nanoröhren liegt.

Zusammenfassend wurden hochorientierte Kunststoff- Mikrobäume erfolgreich synthetisiert in großen Mengen aus einem Kohle-basierten Kohlenstoff in Acetylen mittels Bo- genplasma assistiertem CVD. Die Kohlenstoff-Mikrobäume wurden auf der Anodenoberfläche als orientierte Arrays gewach- sen als gut entwickelte graphitische Strukturen, die eine hohe Einheitlichkeit und lineare Form haben. Die Kohlebasierte Anode funktioniert als ein Substrat mit Trigger- Stellen an ihrer Oberfläche für die das Wachstum von Mikro- bäumen aufgrund der Bildung von Knollen, die als Keime agieren zum Wachstum nach außen. Das berechnete Young'sche Elastizitätsmodul der Kohlenstoff-Mikrobäume liegt bei etwa 0.4 TPa im Mittel, was ähnlich zu dem von Kunststoff-Nano- röhren ist. Die so gemachten Kohlenstoff-Mikrobäume könnten potentielle Kandidaten für ein neues Kernmaterial 3 sein zur Verwendung in Kompositmaterialien und/oder Werkstoffen bzw. Verbundmaterialien und/oder Werkstoffen wie es schema- tisch in Fig. 6 gezeigt ist, z.B. mit äußeren Aluminiumplatten 1, 2.