Znanje o bakreni industriji: Uvod v visoko zmogljive kompozitne materiale na osnovi bakra
Baker in bakrove zlitine imajo dobre mehanske lastnosti in odlično procesno zmogljivost. Enostavne so za ulivanje in plastično obdelavo. Še pomembneje je, da imajo baker in bakrove zlitine dobro korozijsko odpornost, toplotno prevodnost in električno prevodnost, zato jih je mogoče široko uporabljati v elektronski in električni, strojni proizvodnji in na drugih industrijskih področjih. Vendar so bakrena trdnost pri sobni temperaturi, zmogljivost pri visokih temperaturah in obraba nezadostni, kar omejuje njegovo širšo uporabo. S hitrim razvojem sodobne vesoljske in elektronske tehnologije se postavljajo vedno višje zahteve za uporabo bakra, to je, da mora baker na podlagi zagotavljanja dobre električne prevodnosti, toplotne prevodnosti in drugih fizikalnih lastnosti imeti visoke trdnost, zlasti dobre visokotemperaturne mehanske lastnosti, material pa mora imeti nizek toplotni raztezni koeficient ter dobro trenje in obrabo. Celotna naložba prve hitre železniške proge Peking–Šanghaj v moji državi je približno 20 milijard ameriških dolarjev. Gradnja se je začela leta 2008. Letno povpraševanje po kontaktnem vodniku je skoraj 10,000 ton. Očitno je, da imajo raziskave in razvoj kontaktne žice, to je raziskave in razvoj funkcionalnih materialov iz bakrenih zlitin visoke trdnosti, visoke prevodnosti in visoke odpornosti proti obrabi, velik domači in tuji trg. Elektrode za uporovno varjenje, valji za varjenje šivov in vodilni okvirji integriranega vezja prav tako zahtevajo bakrove zlitine z visoko trdnostjo in visoko prevodnostjo. Težko je upoštevati visoko trdnost in visoko prevodnost obstoječega bakra in bakrovih zlitin. Zato so raziskave in razvoj visoko zmogljivih funkcionalnih kompozitnih materialov na osnovi bakra (zlitine) postale vroča tema v današnjem svetu z uvedbo ustreznih metod ojačitve kompozitov z ojačevalno fazo, ki dajejo polno prednost sinergističnemu učinku matrične in funkcionalne faze ojačitve. .
Tako imenovana bakrova zlitina z visoko trdnostjo in visoko prevodnostjo se na splošno nanaša na zlitino z natezno trdnostjo (Gb), ki je 2-10-krat večja od čistega bakra (350-2000MPa) in prevodnostjo 50 %~95 % bakra, to je 50-95% bakrove zlitine IACS. Mednarodno priznani idealni indeks je δb=600-800MPa, prevodnost pa je večja ali enaka 80 % IACSE. Glavna področja uporabe bakrovih zlitin z visoko trdnostjo in visoko prevodnostjo so vodilni okvirji integriranih vezij ultra velikega obsega v elektronski informacijski industriji, elektronski protiukrepi za nacionalno obrambo in vojaško industrijo, radarji, vojaške mikrovalovne cevi visoke moči, prevodniki impulznega magnetnega polja, jedrska oprema in nosilna vozila, nadzemne žice za železniški tranzit za visoke hitrosti, 300-1250kw močnostni frekvenčno modulirani asinhroni vlečni motorji z regulacijo hitrosti in končni obroči, glave elektrod za uporovno varjenje za avtomobile industrijo, kristalizatorje strojev za kontinuirano litje za metalurško industrijo, električne vakuumske naprave in preklopne kontaktne mostove za elektrotehniko itd. Zato ima ta vrsta materiala široke možnosti uporabe na številnih visokotehnoloških področjih.
Uvod v visoko zmogljive kompozitne materiale na osnovi bakra – klasifikacija:
1. Kompozitni materiali na osnovi bakra, ojačani z delci
Ojačitev je v glavnem silicijev karbid in aluminijev oksid, obstaja pa tudi majhna količina delcev titanovega oksida in titanovega borida (velikost delcev je na splošno približno 10 μm). Viskirji nimajo samo vrhunskih mehanskih lastnosti, ampak imajo tudi določeno razmerje stranic, tako da imajo pomembnejši ojačitveni učinek na kovinsko matrico kot delci. Brki so običajno uporabljeni brki iz silicijevega karbida in aluminijevega borata. Postopek legiranja lahko pripravi kompozitne materiale na osnovi bakra, ojačane z oksidno disperzijo, in karbidne disperzije.
2. Kompozitni materiali na osnovi bakra, ojačani z vlakni
Kompoziti iz bakra ali bakrovih zlitin in nekovinskih ali kovinskih vlaken ne ohranjajo le visoke električne in toplotne prevodnosti bakra, temveč imajo tudi visoko trdnost in odpornost na visoke temperature. Pri izdelavi takšnih kompozitnih materialov na osnovi bakra se uporabljajo tako dolga vlakna kot kratka vlakna. Kompozitni materiali ogljikovih vlaken in bakra imajo značilnosti dobre toplotne prevodnosti in električne prevodnosti bakra, pa tudi samomazanja, odpornosti proti obrabi in nizkega toplotnega razteznega koeficienta ogljikovih vlaken, zato se uporabljajo v drsnih električnih kontaktnih materialih, ščetkah, močnostne polprevodniške podporne elektrode, hladilna telesa integriranega vezja itd. Drug primer uporabe kompozitnih materialov bakra in ogljikovih vlaken v industrijski proizvodnji je drsnik na električnem odjemniku toka tramvajev ter ranljivi deli drsnikov in električnih lokomotiv. Sprva so bili uporabljeni kovinski drsniki, trenutno pa karbonski, vendar imata oba pomanjkljivosti. Po uporabi kompozitnih materialov iz ogljikovih vlaken in bakra se kontaktni upor zmanjša, prepreči se pregrevanje, hkrati pa se izboljša moč in preobremenitveni tok ter ima odlično mazanje in odpornost proti obrabi.
3. Visoko zmogljiva mikrokompozitna bakrova zlitina
Visoko zmogljive mikrokompozitne bakrove zlitine so bile odkrite v sedemdesetih letih prejšnjega stoletja pri preučevanju superprevodnih materialov. Leta 1978 so Bark et al. z Univerze Harvard v Združenih državah je prvi predlagal koncept visoko zmogljive zlitine Cu-X, binarne zlitine Cu-X, X vključuje ognjevzdržne kovine W, Mo, Nb, Ta in Cr, Fe, V in druge elemente. Po kovanju, vlečenju ali valjanju se kovina X porazdeli v smeri deformacije v obliki žice ali traku, da se tvori mikrokompozitni material. Za ta mikrokompozitni material iz bakrove zlitine je značilna ultra visoka trdnost (največja natezna trdnost lahko doseže več kot 2000 MPa), električna prevodnost lahko doseže 82 % IACS, dobra toplotna odpornost, mikrokompozitna struktura in orientacija zrn. Poleg uporabe kot elektrode za točkovno varjenje se ta material lahko uporablja tudi kot propeler in toplotni izmenjevalec. V primerjavi s tradicionalnimi materiali iz bakrovih zlitin vsebuje več vseh zlitin, vendar manj vrst zlitin. Cu-X zlitina je pritegnila pozornost ljudi s svojo ultra visoko trdnostjo, visoko električno prevodnostjo in dobro toplotno odpornostjo. Trenutno so Univerza v Iowi, Oddelek za materiale Univerze Harvard, Laboratorij AMES, Michiganski inštitut za tehnologijo in Univerza Zhejiang na Kitajskem opravili veliko raziskav v zvezi s tem, vendar je treba rešiti še veliko teoretičnih in praktičnih aplikacijskih problemov. .
Uvod v metode priprave visokotrdnih in visokoprevodnih kompozitnih materialov na osnovi bakra:
1. Metoda metalurgije prahu
Praškasta metalurgija je bila najprej razvita za pripravo kompozitnih materialov na osnovi kovine, ojačanih z delci, ki na splošno vključuje mešanje prahu, stiskanje, razplinjevanje, sintranje in druge postopke. Metalurgija prahu je skoraj neto proces oblikovanja z visoko porabo materiala, ki lahko odpravi organizacijsko in komponentno segregacijo, velikost delcev in volumski delež faze ojačitve delcev pa je mogoče prilagoditi v širokem razponu. Ta metoda je glavno sredstvo za proizvodnjo strukturnih delov, tornih materialov in visokoprevodnih materialov v kompozitih na osnovi bakra. Zaradi slabe omočljivosti bakra in večine keramičnih ojačitvenih delcev ter velike razlike v gostoti je pri pripravi kompozitnih materialov po tekoči metodi enostavno izdelati agregacijo ojačitve, kar povzroči neenakomerno porazdelitev druge faze. Praškasta metalurgija lahko enakomerno zmeša kovinski prah in ojačitev v zahtevanem razmerju, s čimer se reši problem porazdelitve ojačitve. Da bi povečali mejno vezno trdnost med bakrom in ojačitvenimi delci, se običajno uporabljajo kemično nanašanje in druge metode za prevleko površine ojačitvenih delcev s kovinskimi prevlekami, kot sta Cu in Ni, nato pa se delci enakomerno pomešajo z bakrenim prahom, da dobimo kompozitni materiali z uporabo prašne metalurgije [11]. Ker so ojačitveni delci bolj enakomerno porazdeljeni v kovinski matriki, potem ko so prevlečeni s kovinskimi prevlekami, se zmanjša neposreden stik med ojačitvenimi materiali, učinek ojačitve pa se izvaja učinkoviteje. Hkrati je mogoče s prevleko z različnimi kovinami izboljšati strukturo vmesnika, povečati moč lepljenja vmesnika in izboljšati celovito delovanje kompozitnega materiala.
2. Metoda kompozitnega litja
Ulivanje je prednostna metoda za industrijsko masovno proizvodnjo. Vendar pa po ulivanju na splošno obstaja pomožni postopek deformacije za ta kompozitni material. Učinek deformacijske ojačitve bo izničen zaradi rekristalizacije hladno deformirane kovine. Ker je rekristalizacijska temperatura večine kovin le približno 40 % njihovega tališča, je visokotemperaturna odpornost materiala, pridobljenega z ulivanjem, razmeroma slaba. Postopek ulivanja kompozitov so predlagali MC Flemings et al. Tehnološkega inštituta Massachusetts. Ta metoda ima dobro rešitev za ločevanje ojačitvene faze, enostaven proizvodni proces in se prilagaja trendu obsežne industrijske proizvodnje kompozitnih materialov z velikimi razvojnimi prednostmi. Vendar pa zaradi visoke viskoznosti taline ulivanje kompozitov ne prispeva k odvajanju plina in vključkov, zato so v pripravljenem materialu pogosto pore in vključki; poleg tega je s to metodo tudi težko nadzorovati temperaturo.
3. Metoda notranje oksidacije
Metoda notranje oksidacije je ena najpogosteje uporabljenih metod za pripravo kompozitnih materialov na osnovi bakra. Lahko pridobi enakomerno porazdeljene fine razpršene delce in lahko natančno nadzoruje število faz krepitve. Tipična uporaba tega postopka je priprava kompozitnih materialov na osnovi bakra, utrjenih z disperzijo Cu-A1203. V tem postopku se bakru doda majhna količina aluminija, legirnega elementa, ki je trdno raztopljen v bakru, vendar ima večjo nagnjenost k tvorbi oksidov kot baker, da nastane prah zlitine bakra in aluminija. Kisik se razprši s površine prahu v notranjost, tako da je atomiziran prah zlitine podvržen notranji oksidaciji pri visoki temperaturi in atmosferi kisika, aluminij pa se pretvori v aluminijev oksid. Nato se oksidirani baker reducira v vodikovi atmosferi, vendar aluminijevega oksida ni mogoče reducirati, zato se naredi mešani prah bakra in aluminijevega oksida, ki se končno sintra pod določenim pritiskom. Obstaja nekaj težav pri tehnologiji oblikovanja in utrjevanja Cu-A1203, izdelanega z metodo notranje oksidacije. Zelo težko je sintrati prah, postopek pa je zapleten in strošek visok. Slabosti metode notranje oksidacije so, da je postopek zapleten, obstaja veliko dejavnikov, ki vplivajo na postopek priprave, kakovost materiala je težko nadzorovati in stroški proizvodnje so visoki, kar močno omejuje uporabo tega postopka. .
4. Metoda tekoče kovine in situ
Reakcijska metoda tekoče kovine in situ je ena od novih tehnologij priprave kompozitnih materialov na osnovi bakra, ki je bila razvita v zadnjih letih. Lee et al. prvi uspešno pripravljeni kompozitni materiali TiB2/Cu. Ta metoda v celoti premeša in zmeša dve ali več tekočin zlitin in s kemičnimi reakcijami proizvede enakomerno razpršene ojačitve v nano merilu. Prevodnost kompozitnega materiala na osnovi bakra, ki je vseboval 5vol1 % TiB2, je bila 76 % IACS. Chrysanthou et al. dodal saje, B203 ali W saje v raztopino Cu-Ti in reagiral tako, da je na kraju samem ustvaril fine in enakomerno porazdeljene delce TiC, TiB2 in WC za ojačitev kompozitnega materiala na osnovi bakra. Ker ojačitev v kompozitu, pripravljenem s tem postopkom, nima kontaminacije vmesnika in ima dobro združljivost vmesnika z matrico, ima večjo prevodnost in mehansko trdnost kot tradicionalni kompozitni materiali.
5. Metoda hitrega strjevanja
Zaradi hitre hitrosti ohlajanja, velikega začetnega nukleacijskega podhlajevanja in visoke stopnje rasti med postopkom strjevanja metoda hitrega strjevanja povzroči odstopanje meje med trdno in tekočino od ravnovesja, kar predstavlja vrsto organizacijskih in strukturnih značilnosti, ki se razlikujejo od običajnih zlitin. Metoda hitrega strjevanja ima naslednje značilnosti za pripravo kompozitnih materialov na osnovi bakra:
(1) Topnost legirnega elementa bakra v trdnem stanju je znatno povečana;
(2) zrna so močno prečiščena;
(3) Mikrosegregacija kemičnih sestavin je znatno zmanjšana;
(4) Gostota kristalnih napak se močno poveča;
(5) Nastane nova metastabilna fazna struktura;
(6) Po obdelavi s staranjem se vsebnost druge faze v bakreni matrici poveča in stopnja disperzije se poveča.
Z rahlim zmanjšanjem prevodnosti se močno izboljša trdnost zlitine, izboljšata pa se odpornost zlitine proti obrabi in koroziji. Tehnologija hitrega strjevanja je odprla novo področje za pripravo kompozitnih materialov na osnovi bakra z visoko trdnostjo in visoko prevodnostjo. V prihodnosti bo raziskovalni poudarek priprave hitrega strjevanja visokotrdnih in visokoprevodnih kompozitnih materialov na osnovi bakra optimizacija materialne sestave, kinetičnih parametrov strjevanja in procesa staranja z analizo procesa strjevanja in procesa staranja ter izboljšanje mikrostrukturo in delovanje.
6. Metoda mehanskega legiranja
Mehansko legiranje uporablja visokoenergijski kroglični mlin za mešanje kovinskega prahu ali keramičnih delcev v določenem razmerju in njihovo večkratno mletje. Kompozitni prah je podvržen postopkom ponavljajoče se deformacije, hladnega varjenja, drobljenja, ponovnega varjenja in ponovnega drobljenja, ki lahko prečistijo zrna do nanometrske ravni in imajo veliko površinsko aktivnost [17]. Zaradi uvedbe velikega števila distorzijskih napak se medsebojna difuzijska sposobnost poveča in aktivacijska energija zmanjša, zaradi česar se postopek legiranja razlikuje od običajnega postopka v trdnem stanju. Zato je mogoče pripraviti veliko novih materialov, ki jih je težko sintetizirati v običajnih pogojih. Pomanjkljivost mehanskega legiranja za pripravo kompozitnih materialov na osnovi bakra je, da se med postopkom krogličnega mletja zlahka vnesejo elementi nečistoč, kar zmanjša lastnosti materiala, zlasti prevodnost. Hkrati je proizvodna učinkovitost nizka zaradi dolgega časa krogličnega rezkanja.
