Poznavanje industrije bakra: Uvod u kompozitne materijale na bazi bakra visokih performansi
Bakar i legure bakra imaju dobra mehanička svojstva i odlične performanse procesa. Lako se lijevaju i obrađuju plastikom. Što je još važnije, bakar i legure bakra imaju dobru otpornost na koroziju, toplotnu provodljivost i električnu provodljivost, tako da se mogu široko koristiti u elektronskoj i električnoj, mehaničkoj proizvodnji i drugim industrijskim poljima. Međutim, čvrstoća bakra na sobnoj temperaturi, performanse na visokim temperaturama i performanse habanja su nedovoljni, što ograničava njegovu širu primjenu. Brzim razvojem savremene vazduhoplovne i elektronske tehnologije postavljaju se sve veći zahtevi za korišćenje bakra, odnosno na osnovu obezbeđivanja dobre električne provodljivosti bakra, toplotne provodljivosti i drugih fizičkih svojstava, od bakra se zahteva visoka čvrstoća, posebno dobra mehanička svojstva pri visokim temperaturama, a od materijala se zahtijeva nizak koeficijent toplinskog širenja i dobre performanse trenja i habanja. Ukupna investicija prve brze željezničke linije Peking-Šangaj u mojoj zemlji iznosi oko 20 milijardi američkih dolara. Izgradnja je počela 2008. Godišnja potražnja za kontaktnom žicom je skoro 10,000 tona. Očigledno, istraživanje i razvoj kontaktne žice, odnosno istraživanje i razvoj funkcionalnih materijala od legure bakra visoke čvrstoće, visoke provodljivosti i otpornosti na habanje, ima veliko domaće i strano tržište. Elektrode za otporno zavarivanje, valjci za zavarivanje šavova i olovni okviri integriranog kola također zahtijevaju legure bakra visoke čvrstoće i visoke provodljivosti. Teško je uzeti u obzir visoku čvrstoću i visoku provodljivost postojećeg bakra i legura bakra. Stoga, uvođenjem odgovarajućih metoda kompozitnog ojačanja u fazi ojačanja, dajući punu igru sinergističkom učinku matrice i faze funkcionalnog ojačanja, istraživanje i razvoj funkcionalnih kompozitnih materijala visokih performansi na bazi bakra (legura) postalo je vruća tema u današnjem svijetu. .
Takozvana legura bakra visoke čvrstoće i visoke provodljivosti općenito se odnosi na leguru bakra čija je vlačna čvrstoća (Gb) 2-10 puta veća od čistog bakra (350-2000MPa) i provodljivost od 50 %~95% bakra, odnosno 50-95% IACS legure bakra. Međunarodno priznati idealni indeks je δb=600-800MPa, a provodljivost je veća ili jednaka 80% IACSE. Glavna područja primjene legura bakra velike čvrstoće i visoke provodljivosti su olovni okviri ultra velikih integriranih kola u industriji elektroničkih informacija, elektronske protumjere za nacionalnu odbranu i vojnu industriju, radari, vojne mikrovalne cijevi velike snage, visoko- provodnici impulsnog magnetnog polja, nuklearna oprema i lansirna vozila, nadzemne žice za tranzit željeznicom velike brzine, 300-1250Kw frekventno modulirani asinhroni vučni motori velike snage i krajnji prstenovi za regulaciju brzine, glave elektroda za otporno zavarivanje za automobile industrija, kristalizatori mašina za kontinualno livenje za metaluršku industriju, električni vakuum uređaji i kontaktni mostovi prekidača za elektrotehniku, itd. Stoga ova vrsta materijala ima široku perspektivu primene u mnogim oblastima visoke tehnologije.
Uvod u klasifikaciju kompozitnih materijala na bazi bakra visokih performansi:
1. Kompozitni materijali na bazi bakra ojačani česticama
Ojačanje je uglavnom od silicijum karbida i aluminijum oksida, a tu je i mala količina čestica titanijum oksida i titan borida (veličina čestica je uglavnom oko 10 μm). Brkovi ne samo da sami imaju superiorna mehanička svojstva, već imaju i određeni odnos širine i visine, tako da imaju značajniji efekat ojačanja na metalnu matricu od čestica. Brkovi su najčešće korišćeni brkovi od silicijum karbida i aluminijum borata. Proces legiranja može pripremiti kompozitne materijale na bazi bakra ojačane oksidnom disperzijom i ojačane karbidnom disperzijom.
2. Kompozitni materijali na bazi bakra ojačani vlaknima
Kompoziti napravljeni od bakra ili legura bakra i nemetalnih ili metalnih vlakana ne samo da održavaju visoku električnu provodljivost i toplotnu provodljivost bakra, već imaju i visoku čvrstoću i otpornost na visoke temperature. Pri proizvodnji takvih kompozitnih materijala na bazi bakra koriste se i duga i kratka vlakna. Kompozitni materijali od ugljeničnih vlakana i bakra imaju karakteristike dobre toplotne provodljivosti i električne provodljivosti bakra, kao i samopodmazivanja, otpornosti na habanje i niskog koeficijenta toplotnog širenja ugljeničnih vlakana, pa se koriste u kliznim električnim kontaktnim materijalima, četkama, energetske poluvodičke potporne elektrode, hladnjaci integriranog kola itd. Još jedan primjer primjene kompozitnih materijala od bakra i karbonskih vlakana u industrijskoj proizvodnji je klizač na električnom pantografu tramvaja, te ranjivi dijelovi kliznih tramvaja i električnih lokomotiva. Isprva su korišteni metalni klizači, a trenutno se koriste karbonski klizači, ali oba imaju nedostatke. Nakon upotrebe kompozitnih materijala od karbonskih vlakana i bakra, otpornost na kontakt se smanjuje, izbjegava se pregrijavanje, a snaga i struja preopterećenja se istovremeno poboljšavaju, te ima odlično podmazivanje i otpornost na habanje.
3. Mikrokompozitna legura bakra visokih performansi
Materijali od mikrokompozitnih legura bakra visokih performansi otkriveni su 1970-ih prilikom proučavanja supravodljivih materijala. Godine 1978, Bark et al. sa Univerziteta Harvard u Sjedinjenim Državama prvi je predložio koncept legure Cu-X visokih performansi, Cu-X binarne legure, X uključuje vatrostalne metale W, Mo, Nb, Ta i Cr, Fe, V i druge elemente. Nakon kovanja, izvlačenja ili valjanja, X metal se raspoređuje u smjeru deformacije u obliku žice ili vrpce kako bi se formirao mikrokompozitni materijal. Ovaj mikrokompozitni materijal od legure bakra karakterizira ultra-visoka čvrstoća (najveća vlačna čvrstoća može doseći više od 2000MPa), električna provodljivost može doseći 82% IACS, dobra otpornost na toplinu, mikrokompozitna struktura i orijentacija zrna. Osim što se koristi kao elektrode za točkasto zavarivanje, ovaj materijal se može koristiti i kao propeler i izmjenjivač topline. U poređenju sa tradicionalnim materijalima od legura bakra, sadrži više ukupnih legura elemenata, ali manje tipova legura elemenata. Cu-X legura privukla je pažnju ljudi svojom ultra-visokom čvrstoćom, visokom električnom provodljivošću i dobrom otpornošću na toplinu. Trenutno, Univerzitet u Ajovi, Odeljenje za materijale Univerziteta Harvard, Laboratorija AMES, Tehnološki institut u Mičigenu i Univerzitet Zhejiang u Kini uradili su mnoga istraživanja u tom pogledu, ali još uvek postoje mnogi teorijski i praktični problemi primene koje treba rešiti. .
Uvod u metode pripreme kompozitnih materijala visoke čvrstoće i visoke provodljivosti na bazi bakra:
1. Metoda metalurgije praha
Metalurgija praha je prvo razvijena za pripremu kompozitnih materijala na bazi metala ojačanih česticama, općenito uključujući miješanje praha, zbijanje, otplinjavanje, sinterovanje i druge procese. Metalurgija praha je proces formiranja skoro mreže sa visokom iskorištenošću materijala, koji može eliminirati organizacionu i komponentnu segregaciju, a veličina čestica i volumenski udio faze ojačanja čestica mogu se podesiti u velikom rasponu. Ova metoda je glavno sredstvo za proizvodnju strukturnih dijelova, frikcionih materijala i materijala visoke provodljivosti u kompozitima na bazi bakra. Zbog slabe kvašljivosti bakra i većine keramičkih čestica armature i velike razlike u gustoći, lako je proizvesti agregaciju armature pri pripremi kompozitnih materijala tečnom metodom, što rezultira neravnomjernom raspodjelom druge faze. Metalurgija praha može ravnomjerno pomiješati metalni prah i armaturu u potrebnom omjeru, rješavajući problem raspodjele armature. Kako bi se poboljšala čvrstoća međupovršinske veze između bakra i čestica armature, obično se koriste kemijsko taloženje i druge metode za premazivanje površine čestica armature metalnim premazima kao što su Cu i Ni, a zatim se čestice ravnomjerno miješaju s bakrenim prahom kako bi se dobilo kompozitni materijali primjenom metalurgije praha [11]. Budući da su čestice armature ravnomjernije raspoređene u metalu matriksa nakon prevlačenja metalnim premazima, direktni kontakt između materijala za ojačanje je smanjen, a učinak ojačanja je učinkovitiji. Istovremeno, premazivanjem različitim metalima, struktura interfejsa se može poboljšati, jačina vezivanja interfejsa može biti poboljšana, a sveobuhvatne performanse kompozitnog materijala mogu se poboljšati.
2. Metoda kompozitnog livenja
Lijevanje je poželjna metoda za industrijsku masovnu proizvodnju. Međutim, nakon livenja, općenito postoji pomoćni proces deformacije za ovaj kompozitni materijal. Efekt deformacijskog jačanja će biti poništen zbog rekristalizacije hladno deformiranog metala. Budući da je temperatura rekristalizacije većine metala samo oko 40% njihove tačke topljenja, otpornost na visoke temperature materijala dobijenog livenjem je relativno slaba. Proces livenja kompozita predložili su MC Flemings et al. sa Massachusetts Institute of Technology. Ova metoda ima dobro rješenje za odvajanje faze armiranja, jednostavan proizvodni proces i prilagođava se trendu velike industrijske proizvodnje kompozitnih materijala, uz velike razvojne prednosti. Međutim, zbog visoke viskoznosti taline, kompozitno livenje ne pogoduje pražnjenju gasa i inkluzija, tako da u pripremljenom materijalu često postoje pore i inkluzije; osim toga, ovom metodom je također teško kontrolirati temperaturu.
3. Metoda unutrašnje oksidacije
Metoda unutrašnje oksidacije jedna je od najčešće korištenih metoda za pripremu kompozitnih materijala na bazi bakra. Može dobiti ravnomjerno raspoređene fine dispergirane čestice i može precizno kontrolirati broj faza ojačanja. Tipična primjena ovog procesa je priprema Cu-A1203 kompozitnih materijala na bazi bakra ojačanih disperzijom. U ovom procesu, mala količina aluminija, legirajućeg elementa koji je u čvrstom stanju otopljen u bakru, ali ima veću sklonost stvaranju oksida od bakra, dodaje se bakru kako bi se dobio prah legure bakra i aluminija. Kiseonik se difunduje sa površine praha u unutrašnjost, tako da raspršeni prah legure podleže unutrašnjoj oksidaciji na visokoj temperaturi i atmosferi kiseonika, a aluminijum se pretvara u aluminijum oksid. Zatim se oksidirani bakar reducira u atmosferi vodika, ali se aluminij oksid ne može reducirati, te se pravi prah miješanog bakra i aluminij oksida koji se na kraju sinterira pod određenim pritiskom. Postoje određeni problemi u tehnologiji formiranja i očvršćavanja Cu-A1203 napravljenog metodom unutrašnje oksidacije. Izuzetno je teško sinterovati prah, a proces je komplikovan i visoka cena. Nedostaci metode unutrašnje oksidacije su složenost procesa, mnogo faktora koji utiču na proces pripreme, kvalitet materijala je teško kontrolisati i visok trošak proizvodnje, što u velikoj meri ograničava primenu ovog procesa. .
4. Metoda tečnog metala na licu mjesta
Metoda reakcije na tekući metal na licu mjesta jedna je od novih tehnologija pripreme kompozitnih materijala na bazi bakra koja je razvijena posljednjih godina. Lee et al. prvi uspješno pripremljeni TiB2/Cu kompozitni materijali. Ova metoda u potpunosti miješa i miješa dvije ili više tekućina od legure i proizvodi ravnomjerno dispergirana ojačanja na nano-razmjerima kroz kemijske reakcije. Provodljivost kompozitnog materijala na bazi Cu koji sadrži 5 vol1% TiB2 bila je 76% IACS. Chrysanhou et al. dodala čađu, B203 ili W čađu u rastvor Cu-Ti, respektivno, i reagovala da stvori fine i ravnomerno raspoređene TiC, TiB2 i WC čestice in-situ da ojača kompozitni materijal na bazi bakra. Budući da armatura u kompozitu pripremljenom ovim postupkom nema kontaminaciju interfejsa i ima dobru kompatibilnost interfejsa sa matricom, ima veću provodljivost i mehaničku čvrstoću od tradicionalnih kompozitnih materijala.
5. Metoda brzog očvršćavanja
Zbog velike brzine hlađenja, velikog početnog nukleacionog superhlađenja i visoke stope rasta tokom procesa skrućivanja, metoda brzog skrućivanja uzrokuje odstupanje sučelja čvrsta-tečnost od ravnoteže, predstavljajući tako niz organizacijskih i strukturnih karakteristika različitih od konvencionalnih legura. Metoda brzog očvršćavanja ima sljedeće karakteristike za pripremu kompozitnih materijala na bazi bakra:
(1) Čvrsta rastvorljivost legirajućeg elementa bakra je značajno povećana;
(2) Zrna su veoma rafinirana;
(3) Mikrosegregacija hemijskih komponenti je značajno smanjena;
(4) Gustoća kristalnih defekata je znatno povećana;
(5) Formira se nova metastabilna fazna struktura;
(6) Nakon tretmana starenjem, sadržaj druge faze u bakrenoj matrici se povećava i stepen disperzije se povećava.
S blagim smanjenjem provodljivosti, čvrstoća legure je značajno poboljšana, a otpornost legure na habanje i koroziju je poboljšana. Tehnologija brzog skrućivanja otvorila je novo polje za pripremu kompozitnih materijala visoke čvrstoće i visoke provodljivosti na bazi bakra. U budućnosti će fokus istraživanja brze pripreme za očvršćavanje kompozitnih materijala na bazi bakra visoke čvrstoće i visoke vodljivosti biti optimizacija sastava materijala, kinetičkih parametara očvršćavanja i procesa starenja kroz analizu procesa skrućivanja i procesa starenja, te poboljšanje mikrostruktura i performanse.
6. Metoda mehaničkog legiranja
Mehaničko legiranje koristi visokoenergetski kuglični mlin za miješanje metalnog praha ili keramičkih čestica u određenom omjeru i melje ih više puta. Kompozitni prah se podvrgava ponavljanim procesima deformacije, hladnog zavarivanja, drobljenja, ponovnog zavarivanja i ponovnog drobljenja, koji mogu rafinirati zrna do nanometarskog nivoa i imati veliku površinsku aktivnost [17]. Zbog unošenja velikog broja defekata distorzije, povećava se sposobnost međusobne difuzije i smanjuje se energija aktivacije, što proces legiranja čini drugačijim od običnog procesa u čvrstom stanju. Stoga je moguće pripremiti mnoge nove materijale koje je teško sintetizirati u konvencionalnim uvjetima. Nedostatak mehaničkog legiranja za pripremu kompozitnih materijala na bazi bakra je to što se elementi nečistoće lako unose tokom procesa mljevenja kuglicom, što smanjuje svojstva materijala, posebno provodljivost. Istovremeno, efikasnost proizvodnje je niska zbog dugog vremena mljevenja kuglica.
