Познания в медната индустрия: Въведение във високоефективните композитни материали на базата на мед
Медта и медните сплави имат добри механични свойства и отлично представяне на процеса. Те са лесни за отливане и пластична обработка. По-важното е, че медта и медните сплави имат добра устойчивост на корозия, топлопроводимост и електрическа проводимост, така че могат да бъдат широко използвани в електронното и електрическото, механичното производство и други индустриални области. Въпреки това, якостта на медта при стайна температура, ефективността при висока температура и ефективността на износване са недостатъчни, което ограничава нейното по-широко приложение. С бързото развитие на съвременните космически и електронни технологии се поставят все по-високи изисквания за използването на мед, т.е. въз основа на осигуряването на добра електрическа проводимост, топлопроводимост и други физични свойства на медта се изисква медта да има високи якост, особено добри механични свойства при висока температура и се изисква материалът да има нисък коефициент на топлинно разширение и добро триене и износване. Общата инвестиция в първата в моята страна високоскоростна железопътна линия Пекин-Шанхай е около 20 милиарда щатски долара. Строителството започна през 2008 г. Годишното търсене на контактен проводник е близо 10,000 тона. Очевидно изследването и разработването на контактен проводник, тоест изследването и разработването на функционални материали от медна сплав с висока якост, висока проводимост и висока устойчивост на износване, има голям вътрешен и външен пазар. Електродите за електросъпротивително заваряване, ролките за заваряване на шевове и оловните рамки за интегрални схеми също изискват високоякостни и високопроводими медни сплави. Трудно е да се вземе предвид високата якост и висока проводимост на съществуващата мед и медни сплави. Ето защо, чрез въвеждане на подходящи методи за укрепване на композитни усилващи фази, като се дава пълна игра на синергичния ефект на фазата на матрицата и функционалното укрепване, изследването и разработването на високоефективни функционални композитни материали на основата на мед (сплав) се превърна в гореща тема в света днес .
Така наречената медна сплав с висока якост и висока проводимост обикновено се отнася до медна сплав с якост на опън (Gb) 2-10 пъти по-голяма от тази на чистата мед (350-2000MPa) и проводимост 50 %~95% мед, тоест 50-95% IACS медна сплав. Международно признатият идеален индекс е δb=600-800MPa, а проводимостта е по-голяма или равна на 80% IACSE. Основните области на приложение на високоякостни и високопроводими медни сплави са ултра-мащабни оловни рамки за интегрални схеми в електронната информационна индустрия, електронни противодействия за националната отбрана и военната индустрия, радари, мощни военни микровълнови тръби, високо- импулсни проводници за магнитно поле, ядрено оборудване и ракети-носители, надземни проводници за високоскоростен железопътен транспорт, 300-1250Kw високомощни честотно модулирани асинхронни тягови двигатели с регулиране на скоростта и крайни пръстени, електродни глави за съпротивително заваряване за автомобилостроенето промишленост, кристализатори за машини за непрекъснато леене за металургичната промишленост, електрически вакуумни устройства и превключващи контактни мостове за електротехниката и др. Следователно този тип материал има широки перспективи за приложение в много високотехнологични области.
Въведение във високоефективните композитни материали на базата на мед - класификация:
1. Композитни материали на основата на мед, подсилени с частици
Подсилването е основно силициев карбид и алуминиев оксид, а има и малко количество частици от титанов оксид и титанов борид (размерът на частиците обикновено е около 10 μm). Мустаците не само имат превъзходни механични свойства, но също така имат определено аспектно съотношение, така че имат по-значителен ефект на подсилване върху металната матрица, отколкото частиците. Мустаците са често използвани мустаци от силициев карбид и алуминиев борат. Процесът на легиране може да подготви композитни материали на основата на мед, подсилени с оксидна дисперсия и усилени с карбидна дисперсия.
2. Усилени с влакна композитни материали на основата на мед
Композитите, изработени от мед или медни сплави и неметални или метални влакна, не само поддържат високата електропроводимост и топлопроводимост на медта, но също така имат висока якост и устойчивост на висока температура. При производството на такива композитни материали на основата на мед се използват както дълги, така и къси влакна. Композитните материали от въглеродни влакна и мед имат характеристиките на добра топлопроводимост и електрическа проводимост на медта, както и самосмазване, устойчивост на износване и нисък коефициент на топлинно разширение на въглеродните влакна, така че те се използват в плъзгащи се електрически контактни материали, четки, захранващи полупроводникови опорни електроди, радиатори на интегрални схеми и др. Друг пример за приложение на композитни материали мед-въглеродни влакна в промишленото производство е плъзгачът на електрическия пантограф на трамваите и уязвимите части на плъзгащите се трамваи и електрическите локомотиви. Първоначално са използвани метални плъзгачи, а в момента се използват въглеродни плъзгачи, но и двете имат недостатъци. След използване на композитни материали от въглеродни влакна и мед съпротивлението на контакт се намалява, прегряването се избягва и силата и токът на претоварване се подобряват едновременно и има отлично смазване и устойчивост на износване.
3. Високоефективна микрокомпозитна медна сплав
Високоефективните микрокомпозитни материали от медни сплави са открити през 70-те години на миналия век при изучаване на свръхпроводящи материали. През 1978 г. Bark et al. от Харвардския университет в Съединените щати за първи път предложи концепцията за високоефективна сплав Cu-X, бинарна сплав Cu-X, X включва огнеупорни метали W, Mo, Nb, Ta и Cr, Fe, V и други елементи. След коване, изтегляне или валцуване металът X се разпределя в посоката на деформация под формата на тел или лента, за да се образува микрокомпозитен материал. Този микрокомпозитен материал от медна сплав се характеризира с ултрависока якост (най-високата якост на опън може да достигне повече от 2000MPa), електрическа проводимост може да достигне 82% IACS, добра устойчивост на топлина, микрокомпозитна структура и ориентация на зърното. Освен като електроди за точково заваряване, този материал може да се използва и като витло и топлообменник. В сравнение с традиционните материали от медни сплави, той съдържа повече общо сплавни елементи, но по-малко видове сплавни елементи. Сплавта Cu-X привлече вниманието на хората със своята свръхвисока якост, висока електропроводимост и добра устойчивост на топлина. Понастоящем Университетът на Айова, Катедрата по материали на Харвардския университет, лабораторията AMES, Мичиганският технологичен институт и университетът Zhejiang в Китай са направили много изследвания в това отношение, но все още има много теоретични и практически проблеми, които трябва да бъдат решени .
Въведение в методите за получаване на композитни материали с висока якост и висока проводимост на медна основа:
1. Метод на праховата металургия
Праховата металургия е разработена за първи път за получаване на подсилени с частици композитни материали на основата на метал, като цяло включва смесване на прах, уплътняване, обезгазяване, синтероване и други процеси. Праховата металургия е процес на почти мрежово формоване с високо оползотворяване на материала, който може да елиминира организационната и компонентна сегрегация, а размерът на частиците и обемната фракция на фазата на подсилване на частиците могат да се регулират в широк диапазон. Този метод е основното средство за производство на структурни части, фрикционни материали и материали с висока проводимост в композити на медна основа. Поради слабата омокряемост на медните и повечето керамични усилващи частици и голямата разлика в плътността, лесно е да се произведе усилваща агрегация при приготвяне на композитни материали по течен метод, което води до неравномерно разпределение на втората фаза. Праховата металургия може да смеси метален прах и армировка равномерно в необходимата пропорция, решавайки проблема с разпределението на армировката. За да се повиши здравината на свързване на интерфейса между мед и усилващи частици, обикновено се използват химическо отлагане и други методи за покриване на повърхността на усилващите частици с метални покрития като Cu и Ni, след което частиците се смесват равномерно с меден прах, за да се получи композитни материали, използващи прахова металургия [11]. Тъй като усилващите частици са по-равномерно разпределени в металната матрица, след като са покрити с метални покрития, директният контакт между усилващите материали се намалява и усилващият ефект се упражнява по-ефективно. В същото време, чрез покритие с различни метали, структурата на интерфейса може да бъде подобрена, силата на свързване на интерфейса може да бъде подобрена и цялостната производителност на композитния материал може да бъде подобрена.
2. Композитен метод на отливане
Леенето е предпочитаният метод за индустриално масово производство. Въпреки това, след отливането, обикновено има допълнителен процес на деформация за този композитен материал. Ефектът на укрепване на деформацията ще бъде анулиран поради прекристализацията на студено деформирания метал. Тъй като температурата на рекристализация на повечето метали е само около 40% от тяхната точка на топене, устойчивостта на висока температура на материала, получен чрез леене, е относително лоша. Процесът на композитно леене е предложен от MC Flemings et al. от Масачузетския технологичен институт. Този метод има добро решение за разделянето на усилващата фаза, прост производствен процес и се адаптира към тенденцията на широкомащабно промишлено производство на композитни материали, с големи предимства за развитие. Въпреки това, поради високия вискозитет на стопилката, композитното леене не е благоприятно за отделяне на газ и включвания, така че често има пори и включвания в подготвения материал; в допълнение, този метод също е труден за контролиране на температурата.
3. Метод на вътрешно окисление
Методът на вътрешно окисление е един от най-често използваните методи за получаване на композитни материали на медна основа. Той може да получи равномерно разпределени фини диспергирани частици и може точно да контролира броя на фазите на укрепване. Типичното приложение на този процес е за приготвяне на Cu-A1203 дисперсно укрепени композитни материали на медна основа. При този процес към медта се добавя малко количество алуминий, легиращ елемент, който е твърдо разтворен в медта, но има по-голяма склонност да образува оксиди от медта, за да се получи прах от медно-алуминиева сплав. Кислородът се дифундира от повърхността на праха към вътрешността, така че атомизираният прах от сплавта претърпява вътрешно окисление при висока температура и кислородна атмосфера, а алуминият се превръща в алуминиев оксид. След това окислената мед се редуцира във водородна атмосфера, но алуминиевият оксид не може да бъде редуциран и се получава смесен прах от мед и алуминиев оксид, който накрая се синтерува под определено налягане. Има някои проблеми в технологията на формоване и втвърдяване на Cu-A1203, произведена по метода на вътрешно окисление. Изключително трудно е да се синтероват прахове, процесът е сложен и цената е висока. Недостатъците на метода на вътрешно окисление са, че процесът е сложен, има много фактори, които влияят върху процеса на приготвяне, качеството на материала е трудно да се контролира и производствените разходи са високи, което значително ограничава приложението на този процес. .
4. Метод на място с течен метал
Методът за реакция на течен метал in situ е една от новите технологии за подготовка на композитни материали на медна основа, разработена през последните години. Лий и др. първите успешно получени композитни материали TiB2/Cu. Този метод напълно разбърква и смесва две или повече течности от сплави и произвежда равномерно диспергирани наномащабни подсилвания чрез химични реакции. Проводимостта на композитния материал на основата на Cu, съдържащ 5 vol 1% TiB2, беше 76% IACS. Хрисанту и др. добавя сажди, B203 или W сажди съответно към разтвора на Cu-Ti и реагира, за да генерира фини и равномерно разпределени TiC, TiB2 и WC частици на място, за да подсили композитния материал на медна основа. Тъй като армировката в композита, получен чрез този процес, няма замърсяване на интерфейса и има добра съвместимост на интерфейса с матрицата, той има по-висока проводимост и механична якост от традиционните композитни материали.
5. Метод за бързо втвърдяване
Поради бързата скорост на охлаждане, голямото първоначално суперохлаждане на ядрото и високата скорост на растеж по време на процеса на втвърдяване, методът на бързото втвърдяване води до отклонение на интерфейса твърдо-течно вещество от равновесие, като по този начин представя серия от организационни и структурни характеристики, различни от конвенционалните сплави. Методът за бързо втвърдяване има следните характеристики за получаване на композитни материали на медна основа:
(1) Твърдата разтворимост на легиращия елемент мед е значително повишена;
(2) Зърната са силно рафинирани;
(3) Микросегрегацията на химическите компоненти е значително намалена;
(4) Плътността на кристалните дефекти е значително увеличена;
(5) Образува се нова метастабилна фазова структура;
(6) След обработка със стареене съдържанието на втората фаза в медната матрица се увеличава и степента на дисперсия се увеличава.
С леко намаляване на проводимостта, якостта на сплавта се подобрява значително и устойчивостта на износване и корозия на сплавта се подобрява. Технологията за бързо втвърдяване отвори ново поле за получаване на високоякостни и високопроводими композитни материали на основата на мед. В бъдеще изследователският фокус на бързото втвърдяване на високоякостни и високопроводими композитни материали на базата на мед ще бъде оптимизиране на състава на материала, кинетичните параметри на втвърдяване и процеса на стареене чрез анализ на процеса на втвърдяване и процеса на стареене и подобряване микроструктурата и производителността.
6. Метод на механично легиране
Механичното легиране използва високоенергийна топкова мелница за смесване на метален прах или керамични частици в определена пропорция и ги смила многократно. Композитният прах претърпява повтарящи се процеси на деформация, студено заваряване, раздробяване, повторно заваряване и повторно раздробяване, които могат да рафинират зърната до нанометрово ниво и да имат голяма повърхностна активност [17]. Поради въвеждането на голям брой дефекти на изкривяване, способността за взаимна дифузия се подобрява и енергията на активиране се намалява, което прави процеса на легиране различен от обикновения процес в твърдо състояние. Следователно е възможно да се приготвят много нови материали, които е трудно да се синтезират при конвенционални условия. Недостатъкът на механичното легиране за получаване на композитни материали на медна основа е, че примесните елементи лесно се въвеждат по време на процеса на смилане на топка, което намалява свойствата на материала, особено проводимостта. В същото време ефективността на производството е ниска поради дългото време за топково смилане.
