Kennis van de koperindustrie: Inleiding tot hoogwaardige composietmaterialen op koperbasis
Koper en koperlegeringen hebben goede mechanische eigenschappen en uitstekende procesprestaties. Ze zijn gemakkelijk te gieten en te verwerken in kunststof. Nog belangrijker is dat koper en koperlegeringen een goede corrosiebestendigheid, thermische geleidbaarheid en elektrische geleidbaarheid hebben, zodat ze op grote schaal kunnen worden gebruikt in elektronische en elektrische, mechanische productie en andere industriële gebieden. De sterkte bij kamertemperatuur, de prestaties bij hoge temperaturen en de slijtageprestaties van koper zijn echter onvoldoende, wat de bredere toepassing ervan beperkt. Met de snelle ontwikkeling van moderne lucht- en ruimtevaart- en elektronische technologie worden er meer en hogere eisen gesteld aan het gebruik van koper, dat wil zeggen, op basis van het waarborgen van de goede elektrische geleidbaarheid, thermische geleidbaarheid en andere fysieke eigenschappen van koper, moet koper een hoge sterkte hebben, met name goede mechanische eigenschappen bij hoge temperaturen, en moet het materiaal een lage thermische uitzettingscoëfficiënt en goede wrijvings- en slijtageprestaties hebben. De totale investering van de eerste hogesnelheidslijn Beijing-Shanghai van mijn land bedraagt ongeveer 20 miljard Amerikaanse dollars. De bouw begon in 2008. De jaarlijkse vraag naar rijdraad is bijna 10,000 ton. Het is duidelijk dat het onderzoek en de ontwikkeling van rijdraad, dat wil zeggen het onderzoek en de ontwikkeling van hoogwaardige, geleidende en slijtvaste koperlegeringsfunctionele materialen, een grote binnenlandse en buitenlandse markt heeft. Weerstandslaselektroden, naadlasrollen en geïntegreerde circuit-leadframes vereisen ook hoogwaardige en geleidende koperlegeringen. Het is moeilijk om rekening te houden met de hoge sterkte en hoge geleidbaarheid van bestaande koper- en koperlegeringen. Daarom is het onderzoek en de ontwikkeling van hoogwaardige koper (legering) gebaseerde functionele composietmaterialen een hot topic geworden in de wereld van vandaag door de introductie van geschikte versterkende fase composietversterkingsmethoden, waarbij het synergetische effect van matrix- en functionele versterkingsfase volledig tot zijn recht komt.
De zogenaamde koperlegering met hoge sterkte en hoge geleidbaarheid verwijst over het algemeen naar een koperlegering met een treksterkte (Gb) van 2-10 keer die van puur koper (350-2000MPa) en een geleidbaarheid van 50%~95% van koper, dat wil zeggen 50-95% IACS-koperlegering. De internationaal erkende ideale index is δb=600-800MPa en de geleidbaarheid is groter dan of gelijk aan 80% IACSE. De belangrijkste toepassingsgebieden van koperlegeringen met hoge sterkte en hoge geleidbaarheid zijn ultra-grootschalige geïntegreerde circuit-leadframes in de elektronische informatie-industrie, elektronische tegenmaatregelen voor de nationale defensie en militaire industrie, radars, krachtige militaire microgolfbuizen, geleiders voor magnetische velden met hoge pulsen, nucleaire apparatuur en lanceervoertuigen, bovenleidingen voor hogesnelheidstreinen, 300-1250Kw krachtige frequentiegemoduleerde snelheidsregulerende asynchrone tractiemotorstaven en eindringen, weerstandlaselektrodekoppen voor de automobielindustrie, kristallisatoren voor continugietmachines voor de metallurgische industrie, elektrische vacuümapparaten en schakelcontactbruggen voor elektrotechniek, enz. Daarom heeft dit type materiaal brede toepassingsmogelijkheden in veel hightechvelden.
Inleiding tot hoogwaardige kopergebaseerde composietmaterialen - classificatie:
1. Deeltjesversterkte kopergebaseerde composietmaterialen
De versterking is voornamelijk siliciumcarbide en aluminiumoxide, en er zijn ook een kleine hoeveelheid titaniumoxide en titaniumboridedeeltjes (de deeltjesgrootte is over het algemeen ongeveer 10 μm). Whiskers hebben niet alleen zelf superieure mechanische eigenschappen, maar hebben ook een bepaalde aspectverhouding, dus ze hebben een significanter versterkend effect op de metaalmatrix dan deeltjes. Whiskers zijn veelgebruikte siliciumcarbide en aluminiumboraatwhiskers. Het legeringsproces kan oxidedispersieversterkte en carbidedispersieversterkte kopergebaseerde composietmaterialen bereiden.
2. Met vezels versterkte composietmaterialen op koperbasis
Composieten van koper of koperlegeringen en niet-metalen of metalen vezels behouden niet alleen de hoge elektrische geleidbaarheid en thermische geleidbaarheid van koper, maar hebben ook een hoge sterkte en hoge temperatuurbestendigheid. Bij de productie van dergelijke op koper gebaseerde composietmaterialen worden zowel lange vezels als korte vezels gebruikt. Koolstofvezel-kopercomposietmaterialen hebben de kenmerken van goede thermische geleidbaarheid en elektrische geleidbaarheid van koper, evenals zelf-smering, slijtvastheid en lage thermische uitzettingscoëfficiënt van koolstofvezel, dus ze worden gebruikt in glijdende elektrische contactmaterialen, borstels, vermogenshalfgeleiderondersteuningselektroden, geïntegreerde circuitkoellichamen, enz. Een ander toepassingsvoorbeeld van koper-koolstofvezelcomposietmaterialen in industriële productie is de schuif op de elektrische pantograaf van trams en de kwetsbare delen van schuiftrams en elektrische locomotieven. In eerste instantie werden metalen schuifregelaars gebruikt en momenteel worden koolstofschuifregelaars gebruikt, maar beide hebben tekortkomingen. Door het gebruik van koolstofvezel-kopercomposietmaterialen wordt de contactweerstand verlaagd, wordt oververhitting vermeden en worden de sterkte en overbelastingsstroom tegelijkertijd verbeterd. Bovendien heeft het een uitstekende smering en slijtvastheid.
3. Hoogwaardige microcomposiet koperlegering
Hoogwaardige microcomposiet koperlegeringsmaterialen werden ontdekt in de jaren 70 bij het bestuderen van supergeleidende materialen. In 1978 stelden Bark et al. van Harvard University in de Verenigde Staten voor het eerst het concept van hoogwaardige Cu-X-legering voor, Cu-X binaire legering, X omvat vuurvaste metalen W, Mo, Nb, Ta en Cr, Fe, V en andere elementen. Na het smeden, trekken of walsen wordt het X-metaal in de richting van de vervorming verdeeld in de vorm van draad of lint om een microcomposietmateriaal te vormen. Dit microcomposiet koperlegeringsmateriaal wordt gekenmerkt door ultrahoge sterkte (de hoogste treksterkte kan meer dan 2000 MPa bereiken), elektrische geleidbaarheid kan 82% IACS bereiken, goede hittebestendigheid, microcomposietstructuur en korreloriëntatie. Naast het gebruik als puntlaselektroden kan dit materiaal ook worden gebruikt als propeller en warmtewisselaar. Vergeleken met traditionele koperlegeringsmaterialen bevat het meer totale legeringselementen, maar minder soorten legeringselementen. Cu-X-legering heeft de aandacht van mensen getrokken met zijn ultrahoge sterkte, hoge elektrische geleidbaarheid en goede hittebestendigheid. Momenteel hebben de University of Iowa, Harvard University Department of Materials, AMES Laboratory, Michigan Institute of Technology en Zhejiang University in China veel onderzoek gedaan in dit opzicht, maar er zijn nog veel theoretische en praktische toepassingsproblemen die opgelost moeten worden.
Inleiding tot hoogwaardige en geleidende kopergebaseerde composietmaterialen - bereidingsmethoden:
1. Poedermetallurgiemethode
Poedermetallurgie werd voor het eerst ontwikkeld voor de bereiding van met deeltjes versterkte metaalgebaseerde composietmaterialen, over het algemeen inclusief poedermenging, verdichting, ontgassing, sinteren en andere processen. Poedermetallurgie is een near-net-vormingsproces met een hoog materiaalgebruik, dat organisatorische en componentscheiding kan elimineren, en de deeltjesgrootte en volumefractie van de deeltjesversterkingsfase kunnen binnen een groot bereik worden aangepast. Deze methode is het belangrijkste middel voor het produceren van structurele onderdelen, wrijvingsmaterialen en materialen met een hoge geleidbaarheid in op koper gebaseerde composieten. Vanwege de slechte bevochtigbaarheid van koper en de meeste keramische versterkingsdeeltjes en het grote verschil in dichtheid, is het gemakkelijk om versterkingsaggregatie te produceren bij het bereiden van composietmaterialen met behulp van de vloeibare methode, wat resulteert in een ongelijkmatige verdeling van de tweede fase. Poedermetallurgie kan metaalpoeder en versterking gelijkmatig mengen in de vereiste verhouding, waardoor het probleem van de verdeling van de versterking wordt opgelost. Om de interfacebindingssterkte tussen koper en versterkende deeltjes te verbeteren, worden chemische depositie en andere methoden gewoonlijk gebruikt om het oppervlak van versterkende deeltjes te coaten met metaalcoatings zoals Cu en Ni, en vervolgens worden de deeltjes gelijkmatig gemengd met koperpoeder om composietmaterialen te verkrijgen met behulp van poedermetallurgie [11]. Omdat de versterkende deeltjes gelijkmatiger verdeeld zijn in het matrixmetaal nadat ze zijn gecoat met metaalcoatings, wordt het directe contact tussen de versterkende materialen verminderd en wordt het versterkende effect effectiever uitgeoefend. Tegelijkertijd kan door te coaten met verschillende metalen de interfacestructuur worden verbeterd, kan de interfacebindingssterkte worden verbeterd en kunnen de algehele prestaties van het composietmateriaal worden verbeterd.
2. Composiet gietmethode
Gieten is de voorkeursmethode voor industriële massaproductie. Na het gieten is er echter over het algemeen een hulpvervormingsproces voor dit composietmateriaal. Het vervormingsversterkende effect wordt ongeldig door de herkristallisatie van het koudvervormde metaal. Omdat de herkristallisatietemperatuur van de meeste metalen slechts ongeveer 40% van hun smeltpunt bedraagt, is de hoge temperatuurbestendigheid van het door gieten verkregen materiaal relatief slecht. Het composietgietproces werd voorgesteld door MC Flemings et al. van het Massachusetts Institute of Technology. Deze methode heeft een goede oplossing voor de segregatie van de versterkende fase, een eenvoudig productieproces, en past zich aan de trend van grootschalige industriële productie van composietmaterialen aan, met grote ontwikkelingsvoordelen. Vanwege de hoge viscositeit van de smelt is composietgieten echter niet bevorderlijk voor de afvoer van gas en insluitsels, dus er zijn vaak poriën en insluitsels in het voorbereide materiaal; bovendien is deze methode ook moeilijk om de temperatuur te regelen.
3. Interne oxidatiemethode
De interne oxidatiemethode is een van de meest gebruikte methoden voor het bereiden van op koper gebaseerde composietmaterialen. Het kan gelijkmatig verdeelde fijne verspreide deeltjes verkrijgen en kan het aantal versterkende fasen nauwkeurig regelen. De typische toepassing van dit proces is het bereiden van Cu-A1203 dispersieversterkte op koper gebaseerde composietmaterialen. In dit proces wordt een kleine hoeveelheid aluminium, een legeringselement dat vast is opgelost in koper maar een grotere neiging heeft om oxiden te vormen dan koper, toegevoegd aan koper om koper-aluminiumlegeringpoeder te maken. Zuurstof wordt van het oppervlak van het poeder naar binnen gediffundeerd, zodat het geatomiseerde legeringpoeder interne oxidatie ondergaat bij hoge temperatuur en zuurstofatmosfeer, en aluminium wordt omgezet in aluminiumoxide. Vervolgens wordt het geoxideerde koper gereduceerd in een waterstofatmosfeer, maar aluminiumoxide kan niet worden gereduceerd, en wordt een gemengd koper- en aluminiumoxidepoeder gemaakt, en uiteindelijk gesinterd onder een bepaalde druk. Er zijn enkele problemen in de vorm- en uithardingstechnologie van Cu-A1203 gemaakt door de interne oxidatiemethode. Het is extreem moeilijk om poeder te sinteren, en het proces is ingewikkeld en de kosten zijn hoog. De nadelen van de interne oxidatiemethode zijn dat het proces ingewikkeld is, er zijn veel factoren die het voorbereidingsproces beïnvloeden, de materiaalkwaliteit is moeilijk te controleren en de productiekosten zijn hoog, wat de toepassing van dit proces sterk beperkt. .
4. Vloeibaar metaal in-situ methode
De vloeibare metaal in-situ reactiemethode is een van de nieuwe bereidingstechnologieën voor kopergebaseerde composietmaterialen die de afgelopen jaren is ontwikkeld. Lee et al. bereidden als eersten succesvol TiB2/Cu composietmaterialen. Deze methode roert en mengt twee of meer legeringsvloeistoffen volledig en produceert uniform verspreide nanoschaalversterkingen door chemische reacties. De geleidbaarheid van het Cu-gebaseerde composietmateriaal dat 5vol1% TiB2 bevatte, was 76% IACS. Chrysanthou et al. voegden respectievelijk roet, B203 of W-roet toe aan de Cu-Ti-oplossing en reageerden om fijne en uniform verdeelde TiC-, TiB2- en WC-deeltjes in-situ te genereren om het kopergebaseerde composietmateriaal te versterken. Omdat de versterking in het composietmateriaal dat door dit proces is bereid geen grensvlakverontreiniging heeft en een goede grensvlakcompatibiliteit met de matrix heeft, heeft het een hogere geleidbaarheid en mechanische sterkte dan traditionele composietmaterialen.
5. Snelle stollingsmethode
Vanwege de snelle afkoelsnelheid, grote initiële nucleatie-superkoeling en hoge groeisnelheid tijdens het stollingsproces, zorgt de snelle stollingsmethode ervoor dat de vaste-vloeistofinterface afwijkt van het evenwicht, waardoor een reeks organisatorische en structurele kenmerken ontstaat die verschillen van conventionele legeringen. De snelle stollingsmethode heeft de volgende kenmerken voor het bereiden van op koper gebaseerde composietmaterialen:
(1) De vaste oplosbaarheid van het legeringselement koper wordt aanzienlijk verhoogd;
(2) De granen zijn zeer verfijnd;
(3) De microsegregatie van chemische componenten wordt aanzienlijk verminderd;
(4) De dichtheid van kristaldefecten is sterk toegenomen;
(5) Er wordt een nieuwe metastabiele fasestructuur gevormd;
(6) Na de verouderingsbehandeling wordt het gehalte van de tweede fase in de kopermatrix verhoogd en wordt de mate van dispersie vergroot.
Met een lichte afname van de geleidbaarheid wordt de sterkte van de legering aanzienlijk verbeterd en worden de slijtage- en corrosiebestendigheid van de legering verbeterd. Snelle stollingstechnologie heeft een nieuw veld geopend voor de bereiding van kopercomposietmaterialen met hoge sterkte en hoge geleidbaarheid. In de toekomst zal de onderzoeksfocus van snelle stollingsbereiding van kopercomposietmaterialen met hoge sterkte en hoge geleidbaarheid liggen op het optimaliseren van de materiaalsamenstelling, stollingskinetische parameters en verouderingsproces door analyse van het stollingsproces en verouderingsproces, en het verbeteren van de microstructuur en prestaties.
6. Mechanische legeringsmethode
Bij mechanisch legeren wordt een kogelmolen met hoge energie gebruikt om metaalpoeder of keramische deeltjes in een bepaalde verhouding te mengen en deze herhaaldelijk te vermalen. Het composietpoeder ondergaat herhaaldelijk vervormings-, koudlas-, verbrijzelings-, herlas- en herverbrijzelingsprocessen, die de korrels tot op nanometerniveau kunnen verfijnen en een grote oppervlakteactiviteit hebben [17]. Door de introductie van een groot aantal vervormingsdefecten wordt het wederzijdse diffusievermogen verbeterd en wordt de activeringsenergie verminderd, waardoor het legeringsproces verschilt van het gewone vastestofproces. Daarom is het mogelijk om veel nieuwe materialen te bereiden die moeilijk te synthetiseren zijn onder conventionele omstandigheden. Het nadeel van mechanisch legeren om op koper gebaseerde composietmaterialen te bereiden, is dat onzuiverheden gemakkelijk worden geïntroduceerd tijdens het kogelmaalproces, wat de materiaaleigenschappen, met name de geleidbaarheid, vermindert. Tegelijkertijd is de productie-efficiëntie laag vanwege de lange kogelmaaltijd.
