Cunoștințe în industria cuprului: Introducere în materialele compozite de înaltă performanță pe bază de cupru
Cuprul și aliajele de cupru au proprietăți mecanice bune și performanțe excelente ale procesului. Sunt ușor de turnat și procesate din plastic. Mai important, cuprul și aliajele de cupru au o bună rezistență la coroziune, conductivitate termică și conductivitate electrică, astfel încât pot fi utilizate pe scară largă în fabricarea electronică și electrică, mecanică și în alte domenii industriale. Cu toate acestea, rezistența la temperatura camerei a cuprului, performanța la temperaturi ridicate și performanța la uzură sunt insuficiente, ceea ce limitează aplicarea sa mai largă. Odată cu dezvoltarea rapidă a tehnologiei aerospațiale și electronice moderne, sunt prezentate cerințe din ce în ce mai mari pentru utilizarea cuprului, adică pe baza asigurării bunei conductivitati electrice, conductibilității termice și a altor proprietăți fizice a cuprului, este necesar ca cuprul să aibă un nivel ridicat. rezistență, în special proprietăți mecanice bune la temperatură înaltă, iar materialul trebuie să aibă un coeficient de dilatare termică scăzut și o bună frecare și performanță la uzură. Investiția totală a primei linii feroviare de mare viteză din țara mea Beijing-Shanghai este de aproximativ 20 de miliarde de dolari SUA. Construcția a început în 2008. Cererea anuală de fire de contact este de aproape 10,000 tone. În mod evident, cercetarea și dezvoltarea firului de contact, adică cercetarea și dezvoltarea materialelor funcționale din aliaj de cupru de înaltă rezistență, conductivitate ridicată și rezistente la uzură, are o piață internă și externă mare. Electrozii de sudură prin rezistență, rolele de sudare a cusăturilor și ramele de circuite integrate necesită, de asemenea, aliaje de cupru de înaltă rezistență și conductivitate ridicată. Este dificil de luat în considerare rezistența ridicată și conductibilitatea ridicată a cuprului și aliajelor de cupru existente. Prin urmare, prin introducerea unor metode adecvate de consolidare a compozitelor în faza de armare, dând joc deplin efectului sinergetic al fazei de întărire a matricei și funcționale, cercetarea și dezvoltarea materialelor compozite funcționale pe bază de cupru (aliaje) de înaltă performanță a devenit un subiect fierbinte în lumea de astăzi. .
Așa-numitul aliaj de cupru de înaltă rezistență și conductivitate înaltă se referă în general la un aliaj de cupru cu o rezistență la rupere (Gb) de 2-10 ori mai mare decât cea a cuprului pur (350-2000MPa) și o conductivitate de 50 %~95% din cupru, adică 50-95% aliaj de cupru IACS. Indicele ideal recunoscut la nivel internațional este δb=600-800MPa, iar conductivitatea este mai mare sau egală cu 80% IACSE. Principalele domenii de aplicare ale aliajelor de cupru de înaltă rezistență și conductivitate înaltă sunt cadrele de plumb pentru circuite integrate la scară foarte mare în industria informațiilor electronice, contramăsurile electronice pentru apărarea națională și industria militară, radare, tuburi militare cu microunde de mare putere, conductori de câmp magnetic de impulsuri, echipamente nucleare și vehicule de lansare, fire aeriene pentru tranzitul feroviar de mare viteză, 300-1250Kw bare și inele de capăt asincrone de tracțiune asincrone cu reglare a vitezei cu frecvență modulată, capete de electrozi de sudare cu rezistență pentru industria auto industrie, cristalizatoare de mașini de turnare continuă pentru industria metalurgică, dispozitive electrice de vid și punți de contact comutatoare pentru inginerie electrică etc. Prin urmare, acest tip de material are perspective largi de aplicare în multe domenii de înaltă tehnologie.
Introducere în clasificarea materialelor compozite pe bază de cupru de înaltă performanță:
1. Materiale compozite pe bază de cupru armate cu particule
Armătura este în principal carbură de siliciu și oxid de aluminiu și există, de asemenea, o cantitate mică de particule de oxid de titan și borură de titan (dimensiunea particulelor este în general de aproximativ 10 μm). Mustații nu numai că au proprietăți mecanice superioare în sine, dar au și un anumit raport de aspect, astfel încât au un efect de întărire mai semnificativ asupra matricei metalice decât particulele. Mustații sunt de obicei utilizate în carbură de siliciu și în borat de aluminiu. Procesul de aliere poate prepara materiale compozite pe bază de cupru întărite cu dispersie de oxid și cu dispersie de carbură.
2. Materiale compozite pe bază de cupru armate cu fibre
Compozitele din cupru sau aliaje de cupru și fibre nemetalice sau metalice nu numai că mențin conductivitatea electrică și conductibilitatea termică ridicate a cuprului, dar au și rezistență ridicată și rezistență la temperaturi ridicate. La fabricarea unor astfel de materiale compozite pe bază de cupru, sunt utilizate atât fibre lungi, cât și fibre scurte. Materialele compozite din fibră de carbon-cupru au caracteristicile unei bune conductivitate termică și conductivitate electrică a cuprului, precum și auto-ungere, rezistență la uzură și coeficient scăzut de dilatare termică a fibrei de carbon, deci sunt utilizate în materiale de contact electric de alunecare, perii, electrozi de susținere a semiconductoarelor de putere, radiatoare cu circuite integrate etc. Un alt exemplu de aplicare a materialelor compozite din fibră de cupru-carbon în producția industrială este glisorul de pe pantograful electric al tramvaielor și părțile vulnerabile ale tramvaielor glisante și locomotivelor electrice. S-au folosit la început glisoare metalice, iar în prezent se folosesc glisoare de carbon, dar ambele au deficiențe. După utilizarea materialelor compozite din fibră de carbon-cupru, rezistența de contact este redusă, supraîncălzirea este evitată, iar rezistența și curentul de suprasarcină sunt îmbunătățite în același timp și are o lubrifiere excelentă și rezistență la uzură.
3. Aliaj de cupru micro-compozit de înaltă performanță
Materiale de aliaje de cupru micro-compozite de înaltă performanță au fost descoperite în anii 1970 când se studiau materialele supraconductoare. În 1978, Bark și colab. de la Universitatea Harvard din Statele Unite a propus pentru prima dată conceptul de aliaj de înaltă performanță Cu-X, aliaj binar Cu-X, X include metale refractare W, Mo, Nb, Ta și Cr, Fe, V și alte elemente. După forjare, trefilare sau laminare, metalul X este distribuit în direcția deformarii sub formă de sârmă sau panglică pentru a forma un material micro-compozit. Acest material de aliaj de cupru micro-compozit se caracterizează prin rezistență ultra-înaltă (cea mai mare rezistență la tracțiune poate ajunge la mai mult de 2000MPa), conductivitatea electrică poate ajunge la 82% IACS, rezistență bună la căldură, structură micro-compozită și orientare a granulelor. Pe lângă faptul că este folosit ca electrozi de sudare în puncte, acest material poate fi folosit și ca elice și schimbător de căldură. În comparație cu materialele tradiționale din aliaj de cupru, conține mai multe elemente de aliaj total, dar mai puține tipuri de elemente de aliaj. Aliajul Cu-X a atras atenția oamenilor datorită rezistenței sale ultra-înalte, conductibilității electrice ridicate și rezistenței bune la căldură. În prezent, Universitatea din Iowa, Departamentul de Materiale al Universității Harvard, Laboratorul AMES, Institutul de Tehnologie Michigan și Universitatea Zhejiang din China au făcut o mulțime de cercetări în acest sens, dar există încă multe probleme de aplicare teoretică și practică de rezolvat. .
Introducere în metodele de preparare a materialelor compozite pe bază de cupru de înaltă rezistență și conductivitate ridicată:
1. Metoda metalurgiei pulberilor
Metalurgia pulberilor a fost dezvoltată mai întâi pentru prepararea materialelor compozite pe bază de metal armate cu particule, incluzând în general amestecarea pulberilor, compactarea, degazarea, sinterizarea și alte procese. Metalurgia pulberilor este un proces de formare aproape netă cu utilizare ridicată a materialului, care poate elimina segregarea organizatorică și a componentelor, iar dimensiunea particulelor și fracția de volum a fazei de armare a particulelor pot fi ajustate într-un interval mare. Această metodă este principalul mijloc de producere a pieselor structurale, materialelor de frecare și materialelor de înaltă conductivitate în compozite pe bază de cupru. Datorită umectabilității slabe a cuprului și a majorității particulelor de armare ceramică și a diferenței mari de densitate, este ușor să se producă agregare de armătură atunci când se prepară materiale compozite prin metoda lichidă, rezultând o distribuție neuniformă a fazei a doua. Metalurgia pulberilor poate amesteca pulberea metalică și armătura uniform în proporția necesară, rezolvând problema distribuției armăturii. Pentru a spori puterea de legare a interfeței dintre cupru și particulele de armare, depunerea chimică și alte metode sunt de obicei utilizate pentru a acoperi suprafața particulelor de armare cu acoperiri metalice, cum ar fi Cu și Ni, iar apoi particulele sunt amestecate uniform cu pulbere de cupru pentru a obține materiale compozite folosind metalurgia pulberilor [11]. Deoarece particulele de armare sunt distribuite mai uniform în metalul matricei după ce au fost acoperite cu acoperiri metalice, contactul direct dintre materialele de armare este redus, iar efectul de armare este exercitat mai eficient. În același timp, prin acoperirea cu diferite metale, structura interfeței poate fi îmbunătățită, puterea de legătură a interfeței poate fi îmbunătățită și performanța cuprinzătoare a materialului compozit poate fi îmbunătățită.
2. Metoda de turnare compozită
Turnarea este metoda preferată pentru producția industrială în masă. Cu toate acestea, după turnare, există în general un proces auxiliar de deformare pentru acest material compozit. Efectul de întărire a deformării va fi invalidat din cauza recristalizării metalului deformat la rece. Deoarece temperatura de recristalizare a majorității metalelor este de numai aproximativ 40% din punctul lor de topire, rezistența la temperatură ridicată a materialului obținut prin turnare este relativ slabă. Procesul de turnare compozit a fost propus de MC Flemings et al. al Institutului de Tehnologie din Massachusetts. Această metodă are o soluție bună la segregarea fazei de armare, un proces de producție simplu și se adaptează tendinței de producție industrială pe scară largă a materialelor compozite, cu mari avantaje de dezvoltare. Cu toate acestea, datorită vâscozității ridicate a topiturii, turnarea compozitului nu este propice pentru descărcarea de gaz și incluziuni, astfel încât există adesea pori și incluziuni în materialul preparat; în plus, această metodă este, de asemenea, dificil de controlat temperatura.
3. Metoda de oxidare internă
Metoda de oxidare internă este una dintre cele mai frecvent utilizate metode pentru prepararea materialelor compozite pe bază de cupru. Poate obține particule fine dispersate uniform distribuite și poate controla cu precizie numărul de faze de întărire. Aplicația tipică a acestui procedeu este prepararea materialelor compozite pe bază de cupru întărite cu dispersie Cu-A1203. În acest proces, o cantitate mică de aluminiu, un element de aliere care este solid dizolvat în cupru, dar are o tendință mai mare de a forma oxizi decât cuprul, este adăugată la cupru pentru a face pulbere de aliaj de cupru-aluminiu. Oxigenul este difuzat de la suprafața pulberii spre interior, astfel încât pulberea atomizată din aliaj suferă oxidare internă la temperatură ridicată și atmosferă de oxigen, iar aluminiul este transformat în oxid de aluminiu. Apoi, cuprul oxidat este redus într-o atmosferă de hidrogen, dar oxidul de aluminiu nu poate fi redus și se face o pulbere amestecată de cupru și oxid de aluminiu și, în final, se sinterizează sub o anumită presiune. Există unele probleme în tehnologia de formare și întărire a Cu-A1203 realizată prin metoda de oxidare internă. Este extrem de dificil de sinterizat pulberea, iar procesul este complicat, iar costul este mare. Dezavantajele metodei de oxidare internă sunt că procesul este complicat, există mulți factori care afectează procesul de preparare, calitatea materialului este greu de controlat și costul de producție este ridicat, ceea ce limitează foarte mult aplicarea acestui proces. .
4. Metoda metalului lichid in situ
Metoda de reacție in situ a metalului lichid este una dintre noile tehnologii de preparare a materialelor compozite pe bază de cupru care a fost dezvoltată în ultimii ani. Lee şi colab. materialele compozite TiB2/Cu au fost mai întâi preparate cu succes. Această metodă amestecă și amestecă complet două sau mai multe lichide de aliaj și produce armături la scară nanometrică dispersate uniform prin reacții chimice. Conductivitatea materialului compozit pe bază de Cu care conține 5vol1% TiB2 a fost de 76% IACS. Chrysanthou și colab. a adăugat negru de fum, B203 sau, respectiv, negru de fum W la soluția de Cu-Ti și a reacționat pentru a genera particule fine și uniform distribuite de TiC, TiB2 și WC in situ pentru a întări materialul compozit pe bază de cupru. Deoarece armătura din compozitul preparat prin acest proces nu are contaminare a interfeței și are o bună compatibilitate cu interfața cu matricea, are o conductivitate și o rezistență mecanică mai mare decât materialele compozite tradiționale.
5. Metoda de solidificare rapidă
Datorită vitezei rapide de răcire, suprarăcirii mari de nucleare inițială și vitezei mari de creștere în timpul procesului de solidificare, metoda de solidificare rapidă face ca interfața solid-lichid să devieze de la echilibru, prezentând astfel o serie de caracteristici organizatorice și structurale diferite de aliajele convenționale. Metoda de solidificare rapidă are următoarele caracteristici pentru prepararea materialelor compozite pe bază de cupru:
(1) Solubilitatea solidă a elementului de aliere cuprul este semnificativ crescută;
(2) Boabele sunt foarte rafinate;
(3) Microsegregarea componentelor chimice este redusă semnificativ;
(4) Densitatea defectelor de cristal este mult crescută;
(5) Se formează o nouă structură de fază metastabilă;
(6) După tratamentul de îmbătrânire, conținutul celei de-a doua faze în matricea de cupru este crescut și gradul de dispersie este crescut.
Cu o scădere ușoară a conductibilității, rezistența aliajului este îmbunătățită semnificativ, iar rezistența la uzură și la coroziune a aliajului este îmbunătățită. Tehnologia de solidificare rapidă a deschis un nou domeniu pentru prepararea materialelor compozite pe bază de cupru de înaltă rezistență și conductivitate ridicată. În viitor, concentrarea cercetării privind pregătirea rapidă a solidificării a materialelor compozite pe bază de cupru de înaltă rezistență și conductivitate va fi optimizarea compoziției materialului, parametrii cinetici de solidificare și procesul de îmbătrânire prin analiza procesului de solidificare și a procesului de îmbătrânire și îmbunătățirea microstructura și performanța.
6. Metoda de aliere mecanică
Alierea mecanică folosește o moară cu bile de înaltă energie pentru a amesteca pulbere metalică sau particule ceramice într-o anumită proporție și le macină în mod repetat. Pulberea compozită suferă procese repetate de deformare, sudare la rece, zdrobire, re-sudare și re-zdrobire, care pot rafina boabele la nivel de nanometri și au o activitate de suprafață mare [17]. Datorită introducerii unui număr mare de defecte de distorsiune, capacitatea de difuzie reciprocă este îmbunătățită și energia de activare este redusă, făcând procesul de aliere diferit de procesul obișnuit în stare solidă. Prin urmare, este posibil să se pregătească multe materiale noi care sunt greu de sintetizat în condiții convenționale. Dezavantajul alierei mecanice pentru prepararea materialelor compozite pe bază de cupru este că elementele de impurități sunt ușor introduse în timpul procesului de măcinare cu bile, ceea ce reduce proprietățile materialului, în special conductivitatea. În același timp, eficiența producției este scăzută datorită timpului lung de frezare cu bile.
