Znalosti medeného priemyslu: Úvod do vysokovýkonných kompozitných materiálov na báze medi
Meď a zliatiny medi majú dobré mechanické vlastnosti a vynikajúci procesný výkon. Ľahko sa odlievajú a spracovávajú plastom. Ešte dôležitejšie je, že meď a zliatiny medi majú dobrú odolnosť proti korózii, tepelnú vodivosť a elektrickú vodivosť, takže môžu byť široko používané v elektronickej a elektrickej, mechanickej výrobe a iných priemyselných oblastiach. Pevnosť medi pri izbovej teplote, výkon pri vysokých teplotách a odolnosť proti opotrebovaniu sú však nedostatočné, čo obmedzuje jej širšie použitie. S rýchlym rozvojom moderných leteckých a elektronických technológií sa kladú stále vyššie požiadavky na používanie medi, to znamená, že na základe zabezpečenia dobrej elektrickej vodivosti, tepelnej vodivosti a iných fyzikálnych vlastností medi sa vyžaduje, aby mala vysokú pevnosť, obzvlášť dobré mechanické vlastnosti pri vysokých teplotách a od materiálu sa vyžaduje nízky koeficient tepelnej rozťažnosti a dobré trenie a opotrebenie. Celková investícia do prvej vysokorýchlostnej železničnej trate v mojej krajine medzi Pekingom a Šanghajom je asi 20 miliárd amerických dolárov. Výstavba sa začala v roku 2008. Ročný dopyt po trolejovom drôte je takmer 10,000 ton. Je zrejmé, že výskum a vývoj trolejového drôtu, to znamená výskum a vývoj funkčných materiálov zo zliatiny medi s vysokou pevnosťou, vysokou vodivosťou a vysokou odolnosťou voči opotrebovaniu, má veľký domáci a zahraničný trh. Elektródy na odporové zváranie, valčeky na zváranie švom a rámy integrovaného obvodu tiež vyžadujú zliatiny medi s vysokou pevnosťou a vysokou vodivosťou. Je ťažké vziať do úvahy vysokú pevnosť a vysokú vodivosť existujúcej medi a zliatin medi. Zavedením vhodných metód spevňovania kompozitov vo výstužnej fáze, ktoré naplno využívajú synergický efekt matrice a funkčnej spevňovacej fázy, sa preto výskum a vývoj vysokovýkonných funkčných kompozitných materiálov na báze medi (zliatin) stal v dnešnom svete horúcou témou. .
Takzvaná zliatina medi s vysokou pevnosťou a vysokou vodivosťou sa vo všeobecnosti vzťahuje na zliatinu medi s pevnosťou v ťahu (Gb) 2-10-krát väčšou ako čistá meď (350-2000MPa) a vodivosťou 50 %~95 % medi, tj 50-95 % zliatiny medi IACS. Medzinárodne uznávaný ideálny index je δb=600-800MPa a vodivosť je väčšia alebo rovná 80 % IACSE. Hlavnými oblasťami použitia zliatin medi s vysokou pevnosťou a vysokou vodivosťou sú olovené rámy s integrovanými obvodmi v elektronickom informačnom priemysle, elektronické protiopatrenia pre národnú obranu a vojenský priemysel, radary, vysokovýkonné vojenské mikrovlnné trubice, vysokovýkonné vodiče pulzného magnetického poľa, jadrové zariadenia a nosné rakety, trolejové vedenia pre vysokorýchlostnú železničnú dopravu, 300-1250kw vysokovýkonné frekvenčne modulované tyče a koncové krúžky asynchrónneho trakčného motora s reguláciou rýchlosti, odporové zváracie elektródové hlavy pre automobilový priemysel priemysel, kryštalizátory strojov na plynulé odlievanie pre hutnícky priemysel, elektrické vákuové zariadenia a spínacie kontaktné mostíky pre elektrotechniku atď. Preto má tento typ materiálu široké uplatnenie v mnohých high-tech oblastiach.
Úvod do klasifikácie vysokovýkonných kompozitných materiálov na báze medi:
1. Kompozitné materiály na báze medi vystužené časticami
Výstužou je hlavne karbid kremíka a oxid hlinitý a je tu tiež malé množstvo častíc oxidu titánu a boridu titánu (veľkosť častíc je zvyčajne asi 10 μm). Whiskery majú nielen vynikajúce mechanické vlastnosti samotné, ale majú aj určitý pomer strán, takže majú výraznejší výstužný účinok na kovovú matricu ako častice. Whiskery sú bežne používané fúzy z karbidu kremíka a boritanu hliníka. Procesom legovania možno pripraviť kompozitné materiály na báze medi spevnené oxidovou disperziou a disperziou karbidu.
2. Vláknami vystužené kompozitné materiály na báze medi
Kompozity vyrobené z medi alebo zliatin medi a nekovových alebo kovových vlákien si zachovávajú nielen vysokú elektrickú vodivosť a tepelnú vodivosť medi, ale majú aj vysokú pevnosť a odolnosť voči vysokej teplote. Pri výrobe takýchto kompozitných materiálov na báze medi sa používajú dlhé vlákna aj krátke vlákna. Kompozitné materiály z uhlíkových vlákien a medi majú vlastnosti dobrej tepelnej vodivosti a elektrickej vodivosti medi, ako aj samomazanie, odolnosť proti opotrebovaniu a nízky koeficient tepelnej rozťažnosti uhlíkových vlákien, takže sa používajú v materiáloch posuvných elektrických kontaktov, kefách, podporné výkonové polovodičové elektródy, chladiče integrovaného obvodu atď. Ďalším príkladom použitia kompozitných materiálov z medi a uhlíkových vlákien v priemyselnej výrobe je posúvač na elektrickom pantografe električiek a zraniteľné časti posúvačov električiek a elektrických lokomotív. Najprv sa používali kovové jazdce a v súčasnosti sa používajú karbónové jazdce, ale oba majú nedostatky. Po použití kompozitných materiálov z uhlíkových vlákien a medi sa zníži kontaktný odpor, zabráni sa prehrievaniu a súčasne sa zlepší pevnosť a prúd pri preťažení a má vynikajúcu odolnosť proti mazaniu a opotrebovaniu.
3. Vysokovýkonná mikrokompozitná zliatina medi
Vysokovýkonné mikrokompozitné materiály zo zliatiny medi boli objavené v 70. rokoch minulého storočia pri štúdiu supravodivých materiálov. V roku 1978 Bark a spol. z Harvardskej univerzity v USA prvýkrát navrhol koncept vysokovýkonnej zliatiny Cu-X, binárnej zliatiny Cu-X, X zahŕňa žiaruvzdorné kovy W, Mo, Nb, Ta a Cr, Fe, V a ďalšie prvky. Po kovaní, ťahaní alebo valcovaní sa kov X rozdelí v smere deformácie vo forme drôtu alebo stuhy za vzniku mikrokompozitného materiálu. Tento mikrokompozitný materiál zo zliatiny medi sa vyznačuje ultra vysokou pevnosťou (najvyššia pevnosť v ťahu môže dosiahnuť viac ako 2000 MPa), elektrická vodivosť môže dosiahnuť 82% IACS, dobrá tepelná odolnosť, mikrokompozitná štruktúra a orientácia zrna. Okrem použitia ako elektródy na bodové zváranie je možné tento materiál použiť aj ako vrtuľu a výmenník tepla. V porovnaní s tradičnými materiálmi zliatiny medi obsahuje viac celkových zliatinových prvkov, ale menej typov zliatinových prvkov. Zliatina Cu-X upútala pozornosť ľudí svojou ultra vysokou pevnosťou, vysokou elektrickou vodivosťou a dobrou tepelnou odolnosťou. V súčasnosti University of Iowa, Harvard University Department of Materials, AMES Laboratory, Michigan Institute of Technology a Zhejiang University v Číne vykonali v tomto ohľade veľa výskumu, ale stále je potrebné vyriešiť veľa teoretických a praktických aplikačných problémov. .
Úvod do metód prípravy kompozitných materiálov na báze medi s vysokou pevnosťou a vysokou vodivosťou:
1. Metóda práškovej metalurgie
Prášková metalurgia bola prvýkrát vyvinutá na prípravu časticami vystužených kompozitných materiálov na báze kovu, vo všeobecnosti zahŕňajúcich miešanie práškov, zhutňovanie, odplyňovanie, spekanie a iné procesy. Prášková metalurgia je proces tvarovania v blízkosti siete s vysokým využitím materiálu, ktorý môže eliminovať organizačnú a komponentnú segregáciu a veľkosť častíc a objemový podiel fázy vystužovania častíc je možné nastaviť vo veľkom rozsahu. Táto metóda je hlavným prostriedkom výroby konštrukčných dielov, trecích materiálov a materiálov s vysokou vodivosťou v kompozitoch na báze medi. Kvôli zlej zmáčavosti medi a väčšiny keramických výstužných častíc a veľkému rozdielu v hustote je ľahké vytvárať agregáciu výstuže pri príprave kompozitných materiálov kvapalným spôsobom, čo vedie k nerovnomernému rozloženiu druhej fázy. Prášková metalurgia dokáže zmiešať kovový prášok a výstuž rovnomerne v požadovanom pomere, čím sa vyrieši problém rozloženia výstuže. Aby sa zvýšila pevnosť spojenia medzi meďou a výstužnými časticami, chemické nanášanie a iné metódy sa zvyčajne používajú na potiahnutie povrchu výstužných častíc kovovými povlakmi, ako sú Cu a Ni, a potom sa častice rovnomerne zmiešajú s medeným práškom, aby sa získali kompozitné materiály pomocou práškovej metalurgie [11]. Pretože výstužné častice sú rovnomernejšie rozložené v matricovom kove po potiahnutí kovovými povlakmi, priamy kontakt medzi výstužnými materiálmi je znížený a výstužný účinok sa uplatňuje efektívnejšie. Súčasne je možné potiahnutím rôznymi kovmi zlepšiť štruktúru rozhrania, zvýšiť pevnosť spojenia na rozhraní a zlepšiť komplexný výkon kompozitného materiálu.
2. Metóda kompozitného odlievania
Odlievanie je preferovanou metódou pre priemyselnú hromadnú výrobu. Po odliatí však vo všeobecnosti pre tento kompozitný materiál existuje pomocný proces deformácie. Účinok deformačného spevnenia bude zrušený v dôsledku rekryštalizácie kovu deformovaného za studena. Pretože teplota rekryštalizácie väčšiny kovov je len asi 40 % ich teploty topenia, odolnosť materiálu získaného odlievaním voči vysokej teplote je relatívne nízka. Proces odlievania kompozitu navrhli MC Flemings a kol. z Massachusettského technologického inštitútu. Táto metóda má dobré vyriešenie segregácie výstužnej fázy, jednoduchý výrobný proces a prispôsobuje sa trendu priemyselnej veľkovýroby kompozitných materiálov s veľkými vývojovými výhodami. Vzhľadom na vysokú viskozitu taveniny však kompozitné odlievanie neprispieva k vypúšťaniu plynu a inklúzií, takže v pripravenom materiáli sú často póry a inklúzie; okrem toho je táto metóda tiež náročná na kontrolu teploty.
3. Metóda vnútornej oxidácie
Metóda vnútornej oxidácie je jednou z najčastejšie používaných metód na prípravu kompozitných materiálov na báze medi. Môže získať rovnomerne rozdelené jemné rozptýlené častice a môže presne kontrolovať počet spevňujúcich fáz. Typickou aplikáciou tohto procesu je príprava kompozitných materiálov na báze medi spevnených disperziou Cu-A1203. V tomto procese sa do medi pridáva malé množstvo hliníka, legujúceho prvku, ktorý je v medi rozpustený v tuhom stave, ale má väčšiu tendenciu tvoriť oxidy ako meď, aby sa vyrobil prášok zliatiny medi a hliníka. Kyslík je difundovaný z povrchu prášku dovnútra, takže atomizovaný prášok zliatiny podlieha vnútornej oxidácii pri vysokej teplote a kyslíkovej atmosfére a hliník sa premieňa na oxid hlinitý. Potom sa oxidovaná meď redukuje vo vodíkovej atmosfére, ale oxid hlinitý sa redukovať nedá a vyrobí sa zmiešaný prášok medi a oxidu hlinitého, ktorý sa nakoniec speká pod určitým tlakom. Existujú určité problémy v technológii tvarovania a vytvrdzovania Cu-A1203 vyrobenej metódou vnútornej oxidácie. Je mimoriadne ťažké spekať prášok a proces je komplikovaný a náklady sú vysoké. Nevýhody metódy vnútornej oxidácie spočívajú v tom, že proces je komplikovaný, existuje veľa faktorov, ktoré ovplyvňujú proces prípravy, kvalitu materiálu je ťažké kontrolovať a výrobné náklady sú vysoké, čo značne obmedzuje použitie tohto procesu. .
4. Metóda tekutého kovu in-situ
Metóda reakcie tekutého kovu in situ je jednou z nových technológií prípravy kompozitných materiálov na báze medi, ktorá bola vyvinutá v posledných rokoch. Lee a spol. prvý úspešne pripravený kompozitný materiál TiB2/Cu. Táto metóda plne mieša a mieša dve alebo viac zliatinových kvapalín a vytvára rovnomerne rozptýlené výstuže v nanoúrovni prostredníctvom chemických reakcií. Vodivosť kompozitného materiálu na báze Cu obsahujúceho 5 obj. % TiB2 bola 76 % IACS. Chrysanthou a kol. pridali sadze, sadze B203 alebo W do roztoku Cu-Ti v tomto poradí a reagovali za vzniku jemných a rovnomerne distribuovaných častíc TiC, TiB2 a WC in situ, aby sa spevnil kompozitný materiál na báze medi. Pretože výstuž v kompozite pripravenom týmto procesom nemá žiadnu kontamináciu rozhrania a má dobrú kompatibilitu rozhrania s matricou, má vyššiu vodivosť a mechanickú pevnosť ako tradičné kompozitné materiály.
5. Metóda rýchleho tuhnutia
Vďaka rýchlej rýchlosti ochladzovania, veľkému počiatočnému nukleačnému podchladeniu a vysokej rýchlosti rastu počas procesu tuhnutia spôsobuje metóda rýchleho tuhnutia odchýlku rozhrania tuhá látka-kvapalina od rovnováhy, čím predstavuje rad organizačných a štrukturálnych charakteristík odlišných od bežných zliatin. Metóda rýchleho tuhnutia má na prípravu kompozitných materiálov na báze medi tieto vlastnosti:
(1) Pevná rozpustnosť legujúceho prvku medi je výrazne zvýšená;
(2) Zrná sú značne rafinované;
(3) Mikrosegregácia chemických zložiek je výrazne znížená;
(4) Hustota kryštálových defektov je značne zvýšená;
(5) Vytvorí sa nová metastabilná fázová štruktúra;
(6) Po ošetrení starnutím sa zvýši obsah druhej fázy v medenej matrici a zvýši sa stupeň disperzie.
S miernym poklesom vodivosti sa výrazne zlepší pevnosť zliatiny a zlepší sa odolnosť zliatiny voči opotrebovaniu a korózii. Technológia rýchleho tuhnutia otvorila nové pole pre prípravu vysoko pevných a vysoko vodivých kompozitných materiálov na báze medi. V budúcnosti bude zameraním výskumu rýchlej prípravy tuhnutia vysokopevnostných a vysokovodivých kompozitných materiálov na báze medi optimalizovať materiálové zloženie, kinetické parametre tuhnutia a proces starnutia prostredníctvom analýzy procesu tuhnutia a procesu starnutia a zlepšiť mikroštruktúra a výkon.
6. Metóda mechanického legovania
Mechanické legovanie využíva vysokoenergetický guľový mlyn na miešanie kovového prášku alebo keramických častíc v určitom pomere a opakovane ich melie. Kompozitný prášok prechádza procesmi opakovanej deformácie, zvárania za studena, drvenia, opätovného zvárania a opätovného drvenia, ktoré dokážu zjemniť zrná na nanometrovú úroveň a majú veľkú povrchovú aktivitu [17]. V dôsledku zavedenia veľkého počtu defektov skreslenia sa zvyšuje vzájomná difúzna schopnosť a znižuje sa aktivačná energia, čím sa proces legovania líši od bežného procesu v tuhom stave. Preto je možné pripraviť mnoho nových materiálov, ktoré sa za bežných podmienok ťažko syntetizujú. Nevýhodou mechanického legovania na prípravu kompozitných materiálov na báze medi je to, že nečistoty sa ľahko zavádzajú počas procesu guľového mletia, čo znižuje vlastnosti materiálu, najmä vodivosť. Zároveň je efektivita výroby nízka v dôsledku dlhého času guľového frézovania.
