Познавање индустрије бакра: Увод у композитне материјале на бази бакра високих перформанси
Бакар и легуре бакра имају добре механичке особине и одличне перформансе процеса. Лако се изливају и обрађују пластиком. Што је још важније, бакар и легуре бакра имају добру отпорност на корозију, топлотну проводљивост и електричну проводљивост, тако да се могу широко користити у електронској и електричној, механичкој производњи и другим индустријским пољима. Међутим, чврстоћа бакра на собној температури, перформансе на високим температурама и перформансе хабања су недовољни, што ограничава његову ширу примену. Брзим развојем савремене ваздухопловне и електронске технологије постављају се све већи захтеви за коришћење бакра, односно, на основу обезбеђивања добре електричне проводљивости, топлотне проводљивости и других физичких својстава бакра, бакар мора имати високе чврстоћа, посебно добра механичка својства при високим температурама, а од материјала се захтева низак коефицијент топлотног ширења и добре перформансе трења и хабања. Укупна инвестиција прве брзе железничке пруге моје земље Пекинг-Шангај је око 20 милијарди америчких долара. Изградња је почела 2008. Годишња потражња за контактном жицом је скоро 10,000 тона. Очигледно, истраживање и развој контактне жице, односно истраживање и развој функционалних материјала од легуре бакра високе чврстоће, високе проводљивости и високе отпорности на хабање, има велико домаће и страно тржиште. Електроде за заваривање отпором, ваљци за заваривање шавова и оловни оквири интегрисаних кола такође захтевају легуре бакра високе чврстоће и високе проводљивости. Тешко је узети у обзир високу чврстоћу и високу проводљивост постојећих бакра и легура бакра. Стога, увођењем одговарајућих метода композитног ојачања у фази ојачања, дајући пуну игру синергистичком ефекту матрице и фазе функционалног ојачања, истраживање и развој функционалних композитних материјала на бази бакра (легура) високих перформанси постало је врућа тема у данашњем свету. .
Такозвана легура бакра високе чврстоће и високе проводљивости се генерално односи на легуру бакра чија је затезна чврстоћа (Гб) 2-10 пута већа од чистог бакра (350-2000МПа) и проводљивост од 50 %~95% бакра, односно 50-95% ИАЦС легуре бакра. Међународно признати идеални индекс је δб=600-800МПа, а проводљивост је већа или једнака 80% ИАЦСЕ. Главне области примене легура бакра велике чврстоће и високе проводљивости су оловни оквири ултра великих интегрисаних кола у индустрији електронских информација, електронске противмере за националну одбрану и војну индустрију, радари, војне микроталасне цеви велике снаге, високо- проводници импулсног магнетног поља, нуклеарна опрема и лансирна возила, надземне жице за транзит железницом велике брзине, 300-1250Кв фреквентно модулисани асинхрони вучни мотори велике снаге и крајњи прстенови за регулацију брзине, главе електрода за отпорно заваривање за аутомобиле индустрија, кристализатори машина за континуално ливење за металуршку индустрију, електрични вакуум уређаји и прекидачки контактни мостови за електротехнику, итд. Стога ова врста материјала има широку перспективу примене у многим областима високе технологије.
Увод у класификацију композитних материјала на бази бакра високих перформанси:
1. Композитни материјали на бази бакра ојачани честицама
Ојачање је углавном силицијум карбид и алуминијум оксид, а постоји и мала количина честица титанијум оксида и титан борида (величина честица је углавном око 10 μм). Бркови не само да сами имају супериорна механичка својства, већ имају и одређени однос ширине и висине, тако да имају значајнији ефекат ојачања на металну матрицу од честица. Бркови су обично коришћени бркови од силицијум карбида и алуминијум бората. Процес легирања може припремити композитне материјале на бази бакра ојачане оксидном дисперзијом и ојачане дисперзијом карбида.
2. Композитни материјали на бази бакра ојачани влакнима
Композити направљени од бакра или легура бакра и неметалних или металних влакана не само да одржавају високу електричну проводљивост и топлотну проводљивост бакра, већ имају и високу чврстоћу и отпорност на високе температуре. Приликом производње таквих композитних материјала на бази бакра користе се и дуга и кратка влакна. Композитни материјали од угљеничних влакана и бакра имају карактеристике добре топлотне проводљивости и електричне проводљивости бакра, као и самоподмазивања, отпорности на хабање и ниског коефицијента топлотног ширења угљеничних влакана, па се користе у клизним електричним контактним материјалима, четкама, електроде за подршку полупроводницима, хладњаци интегрисаних кола, итд. Други пример примене композитних материјала од бакра и угљеничних влакана у индустријској производњи је клизач на електричном пантографу трамваја и рањиви делови клизних трамваја и електричних локомотива. У почетку су коришћени метални клизачи, а тренутно се користе карбонски клизачи, али оба имају недостатке. Након употребе композитних материјала од угљеничних влакана и бакра, отпорност на контакт се смањује, избегава се прегревање, а снага и струја преоптерећења се истовремено побољшавају и има одлично подмазивање и отпорност на хабање.
3. Микро-композитна легура бакра високих перформанси
Материјали од микрокомпозитних легура бакра високих перформанси откривени су 1970-их када су проучавани суправодљиви материјали. Године 1978. Барк ет ал. са Универзитета Харвард у Сједињеним Државама први је предложио концепт легуре Цу-Кс високих перформанси, бинарне легуре Цу-Кс, Кс укључује ватросталне метале В, Мо, Нб, Та и Цр, Фе, В и друге елементе. Након ковања, извлачења или ваљања, Кс метал се дистрибуира у правцу деформације у облику жице или траке да би се формирао микрокомпозитни материјал. Овај микрокомпозитни материјал од легуре бакра карактерише ултра-висока чврстоћа (највећа затезна чврстоћа може да достигне више од 2000МПа), електрична проводљивост може да достигне 82% ИАЦС, добра отпорност на топлоту, микро-композитна структура и оријентација зрна. Осим што се користи као електроде за тачкасто заваривање, овај материјал се може користити и као пропелер и измењивач топлоте. У поређењу са традиционалним материјалима од легуре бакра, садржи више укупних елемената легуре, али мање типова легура. Цу-Кс легура је привукла пажњу људи својом ултра-високом чврстоћом, високом електричном проводљивошћу и добром отпорношћу на топлоту. Тренутно, Универзитет у Ајови, Одељење за материјале Универзитета Харвард, лабораторија АМЕС, Технолошки институт у Мичигену и Универзитет Џеђианг у Кини урадили су многа истраживања у том погледу, али још увек има много теоријских и практичних проблема примене које треба решити. .
Увод у методе припреме композитних материјала високе чврстоће и високе проводљивости на бази бакра:
1. Метода металургије праха
Металургија праха је прво развијена за припрему композитних материјала на бази метала ојачаних честицама, углавном укључујући мешање праха, сабијање, дегазацију, синтеровање и друге процесе. Металургија праха је процес формирања скоро мреже са високим искоришћењем материјала, који може елиминисати организациону и компонентну сегрегацију, а величина честица и запремински удео у фази ојачања честица могу се подесити у великом опсегу. Ова метода је главно средство за производњу структурних делова, фрикционих материјала и материјала високе проводљивости у композитима на бази бакра. Због слабе квашљивости бакра и већине керамичких честица арматуре и велике разлике у густини, лако је произвести агрегацију арматуре приликом припреме композитних материјала течном методом, што резултира неравномерном расподелом друге фазе. Металургија праха може равномерно мешати метални прах и арматуру у потребној пропорцији, решавајући проблем дистрибуције арматуре. Да би се побољшала снага везе између бакра и честица за ојачање, хемијско наношење и друге методе се обично користе за премазивање површине честица за ојачање металним премазима као што су Цу и Ни, а затим се честице равномерно мешају са бакарним прахом да би се добило композитних материјала применом металургије праха [11]. Пошто су честице за ојачање равномерније распоређене у металу матрикса након што су премазане металним премазима, директан контакт између материјала за ојачање је смањен, а ефекат ојачања се ефикасније испољава. Истовремено, премазивањем различитим металима, структура интерфејса се може побољшати, снага везивања интерфејса може се побољшати, а свеобухватне перформансе композитног материјала могу се побољшати.
2. Метода ливења композита
Ливење је пожељна метода за индустријску масовну производњу. Међутим, након ливења, генерално постоји помоћни процес деформације за овај композитни материјал. Ефекат јачања деформације ће бити поништен због рекристализације хладно деформисаног метала. Пошто је температура рекристализације већине метала само око 40% њихове тачке топљења, отпорност материјала на високе температуре добијеног ливењем је релативно лоша. Процес ливења композита предложили су МЦ Флемингс ет ал. са Масачусетског технолошког института. Ова метода има добро решење за одвајање фазе армирања, једноставан производни процес, прилагођава се тренду велике индустријске производње композитних материјала, са великим развојним предностима. Међутим, због високог вискозитета растопа, ливење композита није погодно за испуштање гаса и инклузија, тако да у припремљеном материјалу често постоје поре и инклузије; поред тога, овим методом је такође тешко контролисати температуру.
3. Метода унутрашње оксидације
Метода унутрашње оксидације је једна од најчешће коришћених метода за припрему композитних материјала на бази бакра. Може да добије равномерно распоређене фине дисперговане честице и може прецизно да контролише број фаза јачања. Типична примена овог процеса је припрема Цу-А1203 композитних материјала на бази бакра ојачаних дисперзијом. У овом процесу, мала количина алуминијума, легирајућег елемента који је чврсто растворен у бакру, али има већу тенденцију да формира оксиде од бакра, додаје се бакру да би се направио прах легуре бакра и алуминијума. Кисеоник се дифундује са површине праха у унутрашњост, тако да распршени прах легуре подлеже унутрашњој оксидацији на високој температури и атмосфери кисеоника, а алуминијум се претвара у алуминијум оксид. Затим, оксидовани бакар се редукује у атмосфери водоника, али алуминијум оксид се не може редуковати, а мешани прах бакра и алуминијум оксида се прави и коначно синтерује под одређеним притиском. Постоје неки проблеми у технологији формирања и очвршћавања Цу-А1203 направљене методом унутрашње оксидације. Изузетно је тешко синтеровати прах, а процес је компликован и цена је висока. Недостаци методе унутрашње оксидације су што је процес компликован, постоји много фактора који утичу на процес припреме, квалитет материјала је тешко контролисати и висок трошак производње, што у великој мери ограничава примену овог процеса. .
4. Метода течног метала на лицу места
Метода реакције течног метала ин ситу је једна од нових технологија припреме композитних материјала на бази бакра која је развијена последњих година. Лее ет ал. први успешно припремљени ТиБ2/Цу композитни материјали. Овај метод у потпуности меша и меша две или више течности легуре и производи униформно диспергована ојачања на нано-размери кроз хемијске реакције. Проводљивост композитног материјала на бази Цу који садржи 5 вол1% ТиБ2 била је 76% ИАЦС. Цхрисантхоу и др. додала чађу, Б203 или В чађу у раствор Цу-Ти, респективно, и реаговала да би створила фине и равномерно распоређене ТиЦ, ТиБ2 и ВЦ честице ин-ситу да би се ојачао композитни материјал на бази бакра. Пошто арматура у композиту припремљеном овим поступком нема контаминацију интерфејса и има добру компатибилност интерфејса са матрицом, има већу проводљивост и механичку чврстоћу од традиционалних композитних материјала.
5. Метода брзог очвршћавања
Због велике брзине хлађења, великог почетног суперхлађења нуклеације и високе стопе раста током процеса очвршћавања, метода брзог очвршћавања узрокује да интерфејс чврста и течност одступа од равнотеже, представљајући тако низ организационих и структурних карактеристика различитих од конвенционалних легура. Метода брзог очвршћавања има следеће карактеристике за припрему композитних материјала на бази бакра:
(1) Чврста растворљивост легирајућег елемента бакра је значајно повећана;
(2) Зрна су веома рафинирана;
(3) Микросегрегација хемијских компоненти је значајно смањена;
(4) Густина кристалних дефеката је знатно повећана;
(5) Формира се нова метастабилна фазна структура;
(6) Након третмана старењем, садржај друге фазе у бакарној матрици се повећава и степен дисперзије се повећава.
Са благим смањењем проводљивости, чврстоћа легуре је значајно побољшана, а отпорност легуре на хабање и корозију је побољшана. Технологија брзог очвршћавања отворила је ново поље за припрему композитних материјала високе чврстоће и високе проводљивости на бази бакра. У будућности, фокус истраживања брзе припреме за очвршћавање композитних материјала високе чврстоће и високе проводљивости на бази бакра биће оптимизација састава материјала, кинетичких параметара очвршћавања и процеса старења кроз анализу процеса очвршћавања и процеса старења, и побољшање микроструктура и перформансе.
6. Метода механичког легирања
Механичко легирање користи високоенергетски куглични млин за мешање металног праха или керамичких честица у одређеној пропорцији и меље их више пута. Композитни прах се подвргава понављаним процесима деформације, хладног заваривања, дробљења, поновног заваривања и поновног дробљења, који могу да рафинишу зрна до нанометарског нивоа и имају велику површинску активност [17]. Због уношења великог броја дефеката дисторзије, побољшана је способност међусобне дифузије и смањена је енергија активације, чинећи процес легирања другачијим од обичног процеса у чврстом стању. Стога је могуће припремити много нових материјала које је тешко синтетизовати у конвенционалним условима. Недостатак механичког легирања за припрему композитних материјала на бази бакра је у томе што се елементи нечистоће лако уводе током процеса млевења куглицом, што смањује својства материјала, посебно проводљивост. Истовремено, ефикасност производње је ниска због дугог времена млевења куглица.
