Coneixement de la indústria del coure: Introducció als materials compostos a base de coure d'alt rendiment
El coure i els aliatges de coure tenen bones propietats mecàniques i un excel·lent rendiment del procés. Són fàcils de colar i de plàstic. Més important encara, el coure i els aliatges de coure tenen una bona resistència a la corrosió, conductivitat tèrmica i conductivitat elèctrica, de manera que es poden utilitzar àmpliament en la fabricació electrònica i elèctrica, mecànica i altres camps industrials. Tanmateix, la resistència a la temperatura ambient del coure, el rendiment a alta temperatura i el rendiment del desgast són insuficients, cosa que limita la seva aplicació més àmplia. Amb el ràpid desenvolupament de la tecnologia aeroespacial i electrònica moderna, es plantegen requisits cada vegada més elevats per a l'ús del coure, és a dir, a partir de garantir la bona conductivitat elèctrica, conductivitat tèrmica i altres propietats físiques del coure, cal que el coure tingui un alt nivell. resistència, especialment bones propietats mecàniques a alta temperatura, i el material ha de tenir un baix coeficient d'expansió tèrmica i un bon rendiment de fricció i desgast. La inversió total de la primera línia de tren d'alta velocitat Pequín-Xangai del meu país és d'uns 20.000 milions de dòlars nord-americans. La construcció va començar el 2008. La demanda anual de cable de contacte és de gairebé 10,000 tones. Òbviament, la investigació i desenvolupament de cables de contacte, és a dir, la investigació i desenvolupament de materials funcionals d'aliatge de coure d'alta resistència, alta conductivitat i alta resistència al desgast, té un gran mercat nacional i estranger. Els elèctrodes de soldadura per resistència, els corrons de soldadura de costura i els marcs de circuit integrat també requereixen aliatges de coure d'alta resistència i alta conductivitat. És difícil tenir en compte l'alta resistència i alta conductivitat del coure i els aliatges de coure existents. Per tant, mitjançant la introducció de mètodes d'enfortiment de compostos de fase de reforç adequats, donant joc a l'efecte sinèrgic de la matriu i la fase d'enfortiment funcional, la investigació i desenvolupament de materials compostos funcionals basats en coure (aliatge) d'alt rendiment s'ha convertit en un tema candent al món actual. .
L'anomenat aliatge de coure d'alta resistència i alta conductivitat es refereix generalment a un aliatge de coure amb una resistència a la tracció (Gb) de 2-10 vegades la del coure pur (350-2000MPa) i una conductivitat de 50 %~95% de coure, és a dir, 50-95% aliatge de coure IACS. L'índex ideal reconegut internacionalment és δb=600-800MPa i la conductivitat és superior o igual al 80% IACSE. Les principals àrees d'aplicació dels aliatges de coure d'alta resistència i alta conductivitat són marcs de plom de circuits integrats a gran escala a la indústria de la informació electrònica, contramesures electròniques per a la defensa nacional i la indústria militar, radars, tubs de microones militars d'alta potència, conductors de camp magnètic d'impulsos, equips nuclears i vehicles de llançament, cables aèries per al trànsit ferroviari d'alta velocitat, 300-1250Barres i anells finals de motor de tracció asíncron de regulació de velocitat modulada per freqüència d'alta potència, capçals d'elèctrode de soldadura per resistència per a l'automoció indústria, cristal·litzadors de màquines de colada contínua per a la indústria metal·lúrgica, dispositius elèctrics de buit i ponts de contacte d'interruptor per a enginyeria elèctrica, etc. Per tant, aquest tipus de material té àmplies perspectives d'aplicació en molts camps d'alta tecnologia.
Introducció a la classificació de materials compostos basats en coure d'alt rendiment:
1. Materials compostos a base de coure reforçats amb partícules
El reforç és principalment carbur de silici i òxid d'alumini, i també hi ha una petita quantitat d'òxid de titani i partícules de borur de titani (la mida de la partícula és generalment d'uns 10 μm). Els bigotis no només tenen propietats mecàniques superiors, sinó que també tenen una certa relació d'aspecte, de manera que tenen un efecte de reforç més significatiu sobre la matriu metàl·lica que les partícules. Els bigotis s'utilitzen habitualment bigotis de carbur de silici i borat d'alumini. El procés d'aliatge pot preparar materials compostos a base de coure reforçats amb dispersió d'òxids i dispersió de carburs reforçats.
2. Materials compostos a base de coure reforçats amb fibra
Els compostos fets de coure o aliatges de coure i fibres no metàl·liques o metàl·liques no només mantenen l'alta conductivitat elèctrica i la conductivitat tèrmica del coure, sinó que també tenen una gran resistència i resistència a alta temperatura. Quan es fabriquen aquests materials compostos a base de coure, s'utilitzen tant fibres llargues com fibres curtes. Els materials compostos de fibra de carboni-coure tenen les característiques d'una bona conductivitat tèrmica i conductivitat elèctrica del coure, així com autolubricació, resistència al desgast i baix coeficient d'expansió tèrmica de la fibra de carboni, de manera que s'utilitzen en materials de contacte elèctric lliscant, raspalls, Elèctrodes de suport de semiconductors de potència, dissipadors de calor de circuits integrats, etc. Un altre exemple d'aplicació de materials compostos de fibra de coure i carboni en la producció industrial és el control lliscant del pantògraf elèctric dels tramvies i les parts vulnerables dels tramvies lliscants i les locomotores elèctriques. Al principi es van utilitzar lliscants metàl·lics i actualment s'utilitzen lliscants de carboni, però tots dos tenen deficiències. Després d'utilitzar materials compostos de fibra de carboni i coure, la resistència de contacte es redueix, s'evita el sobreescalfament i la força i el corrent de sobrecàrrega es milloren alhora, i té una excel·lent lubricació i resistència al desgast.
3. Aliatge de coure microcompost d'alt rendiment
Els materials d'aliatge de coure microcompostos d'alt rendiment es van descobrir a la dècada de 1970 quan s'estudiava materials superconductors. El 1978, Bark et al. de la Universitat de Harvard als Estats Units va proposar per primera vegada el concepte d'aliatge Cu-X d'alt rendiment, aliatge binari Cu-X, X inclou metalls refractaris W, Mo, Nb, Ta i Cr, Fe, V i altres elements. Després de forjar, estirar o laminar, el metall X es distribueix en la direcció de la deformació en forma de filferro o cinta per formar un material microcompost. Aquest material d'aliatge de coure microcompost es caracteritza per una resistència ultra alta (la resistència a la tracció més alta pot arribar a més de 2000MPa), la conductivitat elèctrica pot arribar al 82% IACS, bona resistència a la calor, estructura microcomposita i orientació del gra. A més d'utilitzar-se com a elèctrodes de soldadura per punts, aquest material també es pot utilitzar com a hèlix i intercanviador de calor. En comparació amb els materials tradicionals d'aliatge de coure, conté més elements d'aliatge total, però menys tipus d'elements d'aliatge. L'aliatge Cu-X ha cridat l'atenció de la gent amb la seva resistència ultra alta, alta conductivitat elèctrica i bona resistència a la calor. Actualment, la Universitat d'Iowa, el Departament de Materials de la Universitat de Harvard, el Laboratori AMES, l'Institut Tecnològic de Michigan i la Universitat de Zhejiang a la Xina han fet moltes investigacions en aquest sentit, però encara queden molts problemes d'aplicació teòrica i pràctica per resoldre. .
Introducció als mètodes de preparació de materials compostos a base de coure d'alta resistència i alta conductivitat:
1. Mètode de la pulvimetal·lúrgia
La metal·lúrgia de pols es va desenvolupar per primera vegada per a la preparació de materials compostos basats en metalls reforçats amb partícules, que inclouen generalment la barreja de pols, la compactació, la desgasificació, la sinterització i altres processos. La metal·lúrgia de pols és un procés de formació propera a la xarxa amb una gran utilització de material, que pot eliminar la segregació organitzativa i de components, i la mida de les partícules i la fracció de volum de la fase de reforç de partícules es poden ajustar dins d'un gran rang. Aquest mètode és el mitjà principal per produir peces estructurals, materials de fricció i materials d'alta conductivitat en compostos a base de coure. A causa de la poca humectabilitat del coure i de la majoria de les partícules de reforç ceràmics i la gran diferència de densitat, és fàcil produir agregacions de reforç quan es preparen materials compostos per mètode líquid, donant lloc a una distribució desigual de la segona fase. La pulvimetal·lúrgia pot barrejar la pols metàl·lica i el reforç uniformement en la proporció requerida, solucionant el problema de la distribució del reforç. Per tal de millorar la força d'unió de la interfície entre el coure i les partícules de reforç, la deposició química i altres mètodes s'utilitzen normalment per revestir la superfície de les partícules de reforç amb recobriments metàl·lics com ara Cu i Ni, i després les partícules es barregen uniformement amb pols de coure per obtenir-ne. materials compostos mitjançant la metal·lúrgia de pols [11]. Com que les partícules de reforç es distribueixen de manera més uniforme en el metall de la matriu després d'haver estat recobertes amb recobriments metàl·lics, el contacte directe entre els materials de reforç es redueix i l'efecte de reforç s'exerceix de manera més eficaç. Al mateix temps, mitjançant el recobriment amb diferents metalls, es pot millorar l'estructura de la interfície, es pot millorar la força d'unió de la interfície i es pot millorar el rendiment integral del material compost.
2. Mètode de fosa compost
La fosa és el mètode preferit per a la producció industrial en massa. Tanmateix, després de la fosa, generalment hi ha un procés de deformació auxiliar per a aquest material compost. L'efecte de reforç de la deformació quedarà invalidat a causa de la recristal·lització del metall deformat en fred. Atès que la temperatura de recristal·lització de la majoria dels metalls és només al voltant del 40% del seu punt de fusió, la resistència a alta temperatura del material obtingut per fosa és relativament pobre. El procés de fosa compost va ser proposat per MC Flemings et al. de l'Institut Tecnològic de Massachusetts. Aquest mètode té una bona solució per a la segregació de la fase de reforç, un procés de producció senzill i s'adapta a la tendència de la producció industrial a gran escala de materials compostos, amb grans avantatges de desenvolupament. Tanmateix, a causa de l'alta viscositat de la fosa, la fosa composta no afavoreix la descàrrega de gasos i inclusions, de manera que sovint hi ha porus i inclusions al material preparat; a més, aquest mètode també és difícil de controlar la temperatura.
3. Mètode d'oxidació interna
El mètode d'oxidació interna és un dels mètodes més utilitzats per a la preparació de materials compostos a base de coure. Pot obtenir partícules fines disperses uniformement distribuïdes i pot controlar amb precisió el nombre de fases d'enfortiment. L'aplicació típica d'aquest procés és preparar materials compostos a base de coure reforçats amb dispersió de Cu-A1203. En aquest procés, s'afegeix al coure una petita quantitat d'alumini, un element d'aliatge sòlid dissolt en coure però que té una tendència més gran a formar òxids que el coure per fer pols d'aliatge de coure-alumini. L'oxigen es difon des de la superfície de la pols cap a l'interior, de manera que la pols atomitzada d'aliatge experimenta una oxidació interna a alta temperatura i atmosfera d'oxigen, i l'alumini es converteix en òxid d'alumini. Aleshores, el coure oxidat es redueix en una atmosfera d'hidrogen, però l'òxid d'alumini no es pot reduir i es fa una pols barrejada de coure i òxid d'alumini, i finalment es sinteritza sota una determinada pressió. Hi ha alguns problemes en la tecnologia de conformació i curat de Cu-A1203 feta pel mètode d'oxidació interna. És extremadament difícil sinteritzar la pols, i el procés és complicat i el cost és elevat. Els desavantatges del mètode d'oxidació interna són que el procés és complicat, hi ha molts factors que afecten el procés de preparació, la qualitat del material és difícil de controlar i el cost de producció és elevat, la qual cosa limita molt l'aplicació d'aquest procés. .
4. Mètode in situ de metall líquid
El mètode de reacció in situ de metall líquid és una de les noves tecnologies de preparació de materials compostos a base de coure que s'ha desenvolupat en els darrers anys. Lee et al. primers materials compostos TiB2/Cu preparats amb èxit. Aquest mètode remena i barreja completament dos o més líquids d'aliatge i produeix reforços a nanoescala uniformement dispersos mitjançant reaccions químiques. La conductivitat del material compost a base de Cu que contenia 5vol1% TiB2 era del 76% IACS. Chrysanthou et al. va afegir negre de carboni, B203 o negre de carboni W a la solució de Cu-Ti respectivament i va reaccionar per generar partícules de TiC, TiB2 i WC fines i uniformement distribuïdes in situ per reforçar el material compost a base de coure. Atès que el reforç del compost preparat per aquest procés no té contaminació de la interfície i té una bona compatibilitat de la interfície amb la matriu, té una conductivitat i una resistència mecànica més altes que els materials compostos tradicionals.
5. Mètode de solidificació ràpida
A causa de la velocitat de refredament ràpida, la gran superrefrigeració de nucleació inicial i l'alta velocitat de creixement durant el procés de solidificació, el mètode de solidificació ràpida fa que la interfície sòlid-líquid es desviï de l'equilibri, presentant així una sèrie de característiques organitzatives i estructurals diferents dels aliatges convencionals. El mètode de solidificació ràpida té les característiques següents per a la preparació de materials compostos a base de coure:
(1) La solubilitat sòlida de l'element d'aliatge de coure augmenta significativament;
(2) Els grans són molt refinats;
(3) La microsegregació dels components químics es redueix significativament;
(4) La densitat dels defectes del cristall augmenta molt;
(5) Es forma una nova estructura de fase metaestable;
(6) Després del tractament d'envelliment, augmenta el contingut de la segona fase a la matriu de coure i augmenta el grau de dispersió.
Amb una lleugera disminució de la conductivitat, la resistència de l'aliatge es millora significativament i la resistència al desgast i a la corrosió de l'aliatge es millora. La tecnologia de solidificació ràpida ha obert un nou camp per a la preparació de materials compostos a base de coure d'alta resistència i alta conductivitat. En el futur, el focus de recerca de la preparació de solidificació ràpida de materials compostos a base de coure d'alta resistència i alta conductivitat serà optimitzar la composició del material, els paràmetres cinètics de solidificació i el procés d'envelliment mitjançant l'anàlisi del procés de solidificació i el procés d'envelliment, i millorar-ne. la microestructura i el rendiment.
6. Mètode d'aliatge mecànic
L'aliatge mecànic utilitza un molí de boles d'alta energia per barrejar pols metàl·lic o partícules ceràmiques en una proporció determinada i les tritura repetidament. La pols composta experimenta processos de deformació repetida, soldadura en fred, trituració, resoldadura i trituració, que poden refinar els grans fins al nivell nanomètric i tenir una gran activitat superficial [17]. A causa de la introducció d'un gran nombre de defectes de distorsió, es millora la capacitat de difusió mútua i es redueix l'energia d'activació, fent que el procés d'aliatge sigui diferent del procés ordinari d'estat sòlid. Per tant, és possible preparar molts materials nous que són difícils de sintetitzar en condicions convencionals. El desavantatge de l'aliatge mecànic per preparar materials compostos a base de coure és que els elements d'impureses s'introdueixen fàcilment durant el procés de fresat de boles, la qual cosa redueix les propietats del material, especialment la conductivitat. Al mateix temps, l'eficiència de producció és baixa a causa del llarg temps de fresat de boles.
