استخدامات النحاس
الصناعة الكهربائية
نقل الطاقة
يتطلب نقل الطاقة كمية كبيرة من النحاس ذو الموصلية العالية، والذي يستخدم بشكل أساسي في أسلاك الطاقة والكابلات والحافلات والمحولات والمفاتيح ومكونات المكونات الإضافية والموصلات.
في عملية نقل الطاقة من الأسلاك والكابلات، يتم إهدار الطاقة الكهربائية بسبب التسخين بالمقاومة. من منظور توفير الطاقة والاقتصاد، يتم حاليًا الترويج لمعيار "المقطع العرضي الأمثل للكابل" في العالم. كانت المعايير الشائعة في الماضي تستند ببساطة إلى منظور تقليل الاستثمار في التركيب لمرة واحدة. من أجل تقليل المقطع العرضي للكابل، تم تحديد الحد الأدنى المسموح به لحجم الكابل لمنع ارتفاع درجة الحرارة الخطير تحت التيار المقدر المطلوب من قبل التصميم. على الرغم من أن تكلفة تركيب الكابل الموضوع وفقًا لهذا المعيار منخفضة، إلا أن استهلاك طاقة المقاومة كبير نسبيًا أثناء الاستخدام طويل الأمد. يأخذ معيار "المقطع العرضي الأمثل للكابل" في الاعتبار كل من تكلفة التركيب لمرة واحدة واستهلاك الطاقة، ويوسع حجم الكابل بشكل مناسب لتحقيق غرض توفير الطاقة وأفضل الفوائد الاقتصادية الشاملة. وفقًا للمعيار الجديد، غالبًا ما يكون المقطع العرضي للكابل أكثر من ضعف المعيار القديم، مما يمكن أن يحقق تأثير توفير الطاقة بنحو 50٪.
في الفترة الماضية، وبسبب نقص الفولاذ في بلدي، تم استخدام الألومنيوم بدلاً من النحاس في خطوط نقل الجهد العالي العلوية على أمل تقليل الوزن، مع الأخذ في الاعتبار أن الوزن النوعي للألومنيوم لا يتجاوز 30% من وزن النحاس. الكابلات تحت الأرض. في هذه الحالة، يتضاءل الألومنيوم مقارنة بالنحاس بسبب ضعف توصيله وحجم الكابل الكبير.
ولنفس السبب، يعد أيضًا خيارًا حكيمًا استبدال محول لف الألومنيوم القديم بمحول لف نحاسي موفر للطاقة وفعال.
تصنيع المحركات
في تصنيع المحركات، تُستخدم سبائك النحاس عالية التوصيل والقوة على نطاق واسع. الأجزاء النحاسية الرئيسية هي الدوارات والدوارات ورؤوس الأعمدة. في المحركات الكبيرة، يتم تبريد اللفات بالماء أو الهيدروجين، وهو ما يسمى بالتبريد الداخلي المزدوج بالماء أو محركات التبريد الهيدروجيني، والتي تتطلب طولًا طويلاً من الأسلاك المجوفة.
المحركات هي مستخدمون كبار للكهرباء، حيث تمثل حوالي 60٪ من إجمالي إمدادات الكهرباء. فاتورة الكهرباء التراكمية لتشغيل المحرك مرتفعة للغاية، وتصل عمومًا إلى تكلفة المحرك نفسه في غضون أول 500 ساعة من التشغيل، أي ما يعادل 4 إلى 16 ضعف التكلفة في غضون عام، ويمكن أن تصل إلى 200 ضعف التكلفة خلال عمر العمل بالكامل. إن الزيادة الطفيفة في كفاءة المحرك لا يمكن أن توفر الطاقة فحسب، بل تحقق أيضًا فوائد اقتصادية كبيرة. يعد تطوير وتطبيق المحركات عالية الكفاءة موضوعًا ساخنًا في العالم اليوم. نظرًا لأن استهلاك الطاقة داخل المحرك يأتي بشكل أساسي من فقدان مقاومة اللف، فإن زيادة المقطع العرضي للسلك النحاسي هو مقياس رئيسي لتطوير المحركات عالية الكفاءة. بالمقارنة مع المحركات التقليدية، زاد استخدام اللفات النحاسية في بعض المحركات عالية الكفاءة التي تم تطويرها لأول مرة بنسبة 25٪ إلى 100٪. تمول وزارة الطاقة الأمريكية مشروع تطوير لإنتاج دوارات المحرك باستخدام تقنية النحاس المصبوب.
كابلات الاتصالات
منذ ثمانينيات القرن العشرين، وبسبب مزايا قدرة كابلات الألياف الضوئية على حمل التيار الكبير، تم استبدالها بسرعة بكابلات النحاس على خطوط الاتصالات الرئيسية. ومع ذلك، لا تزال هناك حاجة إلى كمية كبيرة من النحاس لتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ضوئية وخطوط الإدخال للمستخدمين. ومع تطور صناعة الاتصالات، أصبح الناس يعتمدون بشكل متزايد على الاتصالات، وسيستمر الطلب على كابلات الألياف الضوئية والأسلاك النحاسية في الزيادة.
خطوط الكهرباء السكنية
مع تحسن مستويات معيشة شعبنا، أصبحت الأجهزة المنزلية شائعة بشكل سريع، كما تنمو أحمال الكهرباء المنزلية بسرعة. وكما هو موضح في الشكل 6.6، في عام 1987، بلغ استهلاك الكهرباء المنزلية 26.96 مليار كيلووات ساعة (1 كيلووات ساعة=1 كيلووات ساعة)، وبعد عشر سنوات في عام 1996 ارتفع إلى 113.1 مليار كيلووات ساعة، بزيادة قدرها 3.2 مرة. وعلى الرغم من ذلك، لا تزال هناك فجوة كبيرة مقارنة بالدول المتقدمة. على سبيل المثال، في عام 1995، كان استهلاك الكهرباء للفرد في الولايات المتحدة 14.6 ضعف استهلاك بلدي، وكان استهلاك اليابان 8.6 ضعف استهلاك بلدي. سيظل استهلاك الكهرباء المنزلية في بلدي يشهد تطوراً كبيراً في المستقبل. ومن المتوقع أن يزيد بمقدار 1.4 مرة من عام 1996 إلى عام 2005.
الصناعة الالكترونية
تعد صناعة الإلكترونيات صناعة ناشئة. وفي عملية تطورها المزدهرة، طورت باستمرار منتجات جديدة ومجالات تطبيق جديدة. وتطورت تطبيقاتها من الأجهزة الفراغية والدوائر المطبوعة إلى الإلكترونيات الدقيقة والدوائر المتكاملة لأشباه الموصلات.
أجهزة الفراغ
تتكون الأجهزة الفراغية بشكل أساسي من أنابيب إرسال عالية التردد وترددات عالية جدًا، وموجهات موجية، ومغنطرونات، وما إلى ذلك، والتي تتطلب النحاس الخالي من الأكسجين عالي النقاء والنحاس الخالي من الأكسجين المعزز بالتشتت.
دائرة مطبوعة
تتمثل الدائرة المطبوعة النحاسية في استخدام رقائق النحاس كسطح ولصقها على اللوحة البلاستيكية كدعم؛ وطباعة مخطط توصيل الدائرة على اللوحة النحاسية بالتصوير الفوتوغرافي؛ وإزالة الجزء الزائد عن طريق الحفر وترك الدائرة المترابطة. ثم، قم بثقب الثقوب عند الاتصال بالجزء الخارجي من لوحة الدائرة المطبوعة، وأدخل موصلات المكونات المنفصلة أو أجزاء أخرى من المحطات الطرفية، ولحامها على هذه الفتحة، بحيث يتم تجميع الدائرة الكاملة. إذا تم استخدام طريقة الطلاء بالغمر، يمكن إكمال لحام جميع الموصلات في وقت واحد. بهذه الطريقة، في تلك المناسبات التي تتطلب تخطيطًا دقيقًا للدوائر، مثل الراديو والتلفزيون والكمبيوتر وما إلى ذلك، يمكن أن يوفر استخدام الدوائر المطبوعة الكثير من العمالة في الأسلاك ودوائر التثبيت؛ لذلك، يتم استخدامها على نطاق واسع وتتطلب كمية كبيرة من رقائق النحاس. بالإضافة إلى ذلك، هناك حاجة أيضًا إلى مواد لحام مختلفة منخفضة السعر ومنخفضة نقطة الانصهار وعالية السيولة تعتمد على النحاس في توصيل الدوائر.
دارة متكاملة
إن جوهر تكنولوجيا الإلكترونيات الدقيقة هو الدائرة المتكاملة. تشير الدائرة المتكاملة إلى دائرة مصغرة تستخدم مواد بلورية شبه موصلة كركائز (رقائق) وتستخدم تقنيات معالجة خاصة لدمج المكونات والوصلات التي تشكل الدائرة داخلها أو على سطحها أو على الركيزة. هذه الدائرة الدقيقة أصغر بآلاف المرات في الحجم والوزن من أكثر الدوائر المكونة من مكونات منفصلة إحكاما في البنية. تسبب مظهرها في تغيير كبير في أجهزة الكمبيوتر وأصبحت أساس تكنولوجيا المعلومات الحديثة. يمكن للدوائر المتكاملة فائقة الحجم التي تم تطويرها إنتاج أكثر من 10 أو حتى ملايين الترانزستورات على شريحة واحدة أصغر من ظفر الإبهام. حققت شركة آي بي إم (شركة آلات الأعمال الدولية)، وهي شركة كمبيوتر مشهورة عالميًا، اختراقًا باستخدام النحاس بدلاً من الألومنيوم في رقائق السيليكون كوصلات. يمكن لهذا النوع الجديد من الرقائق الدقيقة النحاسية تحقيق زيادة في الأداء بنسبة 30%، ويمكن تقليل حجم خط الدائرة إلى 0.12 ميكرون، ويمكن أن يصل عدد الترانزستورات المدمجة في شريحة واحدة إلى 2 مليون. وقد أدى هذا إلى خلق وضع جديد لتطبيق معدن النحاس القديم في أحدث مجال تكنولوجيا الدوائر المتكاملة لأشباه الموصلات.
إطار رصاص
من أجل حماية التشغيل الطبيعي للدائرة المتكاملة أو الدائرة الهجينة، يجب تعبئتها؛ وعند التعبئة، يتم إخراج عدد كبير من الموصلات الموجودة في الدائرة من الجسم المختوم. يجب أن تتمتع هذه الموصلات بقوة معينة وتشكل الهيكل الداعم لدائرة الحزمة المتكاملة، والذي يسمى إطار الرصاص. في الإنتاج الفعلي، للإنتاج الضخم عالي السرعة، يتم عادةً ختم إطارات الرصاص بشكل مستمر على شريط معدني في ترتيب معين. تمثل مواد الإطار 1/3 إلى 1/4 من التكلفة الإجمالية للدوائر المتكاملة، ويتم استخدامها بكميات كبيرة؛ لذلك، يجب أن تكون تكاليفها منخفضة.
سبائك النحاس رخيصة الثمن، وتتمتع بقوة عالية، وموصلية كهربائية وموصلية حرارية، وأداء معالجة ممتاز، ولحام الإبرة ومقاومة للتآكل، ويمكن التحكم في أدائها في نطاق واسع من خلال السبائك. يمكنها تلبية متطلبات أداء إطارات الرصاص بشكل أفضل وأصبحت مادة مهمة لإطارات الرصاص. وهي حاليًا أكثر مادة نحاسية مستخدمة في الأجهزة الإلكترونية الدقيقة.
صناعة النقل
بناء السفن
بسبب مقاومتها الجيدة للتآكل بمياه البحر، أصبحت العديد من سبائك النحاس، مثل البرونز الألومنيوم، والبرونز المنغنيز، والنحاس الأصفر الألومنيوم، والبرونز المعدني (برونز القصدير والزنك)، والفولاذ الأبيض وسبائك النيكل والنحاس (سبائك المونيل)، مواد قياسية لبناء السفن. بشكل عام، يشكل النحاس وسبائك النحاس ما بين 2 إلى 3% من الوزن الميت للسفن الحربية والسفن التجارية.
تُصنع مراوح السفن الحربية ومعظم السفن التجارية الكبيرة من البرونز أو الألومنيوم أو النحاس. يبلغ وزن كل مروحة في السفينة الكبيرة من 20 إلى 25 طنًا. تزن مراوح حاملتي الطائرات كوين إليزابيث وكوين ماري 35 طنًا لكل منهما. غالبًا ما تكون أعمدة الذيل الثقيلة للسفن الكبيرة مصنوعة من مدفع "أدميرال"، كما تُصنع البراغي المدببة للدفات والمراوح من نفس المادة. تُستخدم سبائك الفولاذ والنحاس أيضًا بكميات كبيرة في غرف المحرك والغلايات. استخدمت أول سفينة تجارية تعمل بالطاقة النووية في العالم مكثفًا من النحاس الأبيض يزن 30- طن. تُستخدم أنابيب الألومنيوم والنحاس كملفات تسخين كبيرة لخزانات الزيت. يوجد 12 خزان تخزين زيت من هذا القبيل على سفينة تزن 100،000- طن، ونظام التدفئة المقابل كبير جدًا. المعدات الكهربائية على متن السفينة معقدة للغاية أيضًا. يعتمد المحرك والمحرك ونظام الاتصالات وما إلى ذلك بالكامل تقريبًا على النحاس وسبائك النحاس للعمل. غالبًا ما يتم تزيين كبائن السفن الكبيرة والصغيرة بسبائك الفولاذ والنحاس. حتى القوارب الخشبية يتم تثبيتها بشكل أفضل باستخدام براغي ومسامير مصنوعة من سبائك الفولاذ (عادةً البرونز السليكوني)، والتي يمكن إنتاجها بكميات كبيرة عن طريق الدرفلة.
ولمنع تلوث هيكل السفينة بالكائنات البحرية والتأثير على الملاحة، يتم في كثير من الأحيان استخدام طلاء النحاس للحماية؛ أو يكون الحل هو تنظيف الطلاء المحتوي على النحاس.
في الحرب العالمية الثانية، من أجل الدفاع ضد الألغام المغناطيسية الألمانية، تم تطوير جهاز مضاد للألغام المغناطيسية. تم ربط حزام نحاسي حول الهيكل الفولاذي، وتم تمرير تيار كهربائي لتحييد المجال المغناطيسي للسفينة، حتى لا ينفجر اللغم. منذ عام 1944، تم تجهيز جميع سفن الحلفاء، التي يبلغ مجموعها حوالي 18،000 سفينة، بجهاز إزالة المغناطيسية هذا وحمايتها. تتطلب بعض البوارج الكبيرة الكثير من النحاس لهذا الغرض. على سبيل المثال، يبلغ طول سلك نحاسي واحد منها 28 ميلاً ويزن حوالي 30 طنًا.
السيارات
تستخدم كل سيارة من 10 إلى 21 كيلوغرامًا من النحاس، اعتمادًا على نوع السيارة وحجمها. بالنسبة للسيارة، يمثل النحاس حوالي 6 إلى 9٪ من وزنها. يستخدم النحاس وسبائك النحاس بشكل أساسي في المبردات وأنابيب نظام الفرامل والأجهزة الهيدروليكية والتروس والمحامل ووسادات احتكاك الفرامل وتوزيع الطاقة وأنظمة الطاقة والحشيات والمفاصل والملحقات المختلفة. من بينها، يستخدم المبرد كمية كبيرة نسبيًا من الفولاذ. يتم لحام المبردات الأنبوبية الحديثة في أنابيب المبرد بشرائط نحاسية وثنيها في أحواض حرارية بشرائط نحاسية رقيقة.
من أجل تحسين أداء مشعات النحاس بشكل أكبر وتعزيز قدرتها التنافسية ضد مشعات الألومنيوم، تم إجراء العديد من التحسينات. من حيث المواد، تتم إضافة العناصر النزرة إلى النحاس لتحسين قوته ونقطة تليينه دون فقدان التوصيل الحراري، وبالتالي تقليل سمك الشريط وتوفير الفولاذ؛ من حيث تكنولوجيا التصنيع، يتم اعتماد اللحام عالي التردد أو الليزر لأنابيب النحاس، ويتم استخدام اللحام الفولاذي بدلاً من اللحام الناعم الذي يكون عرضة للتلوث بالرصاص لتجميع قلب المبرد. تظهر نتائج هذه الجهود في الجدول 6.2. بالمقارنة مع مشعات الألومنيوم الملحومة، في ظل نفس ظروف تبديد الحرارة، أي تحت نفس انخفاض ضغط الهواء والمبرد، فإن المبرد النحاسي الجديد أخف وزناً وأصغر حجماً بشكل ملحوظ؛ إلى جانب مقاومة التآكل الجيدة وعمر الخدمة الطويل للصلب، فإن مزايا مشعات النحاس أكثر وضوحًا. بالإضافة إلى ذلك، من أجل حماية البيئة، وتعزيز وتطوير المركبات الكهربائية بقوة، وستزداد كمية الفولاذ المستخدمة في كل سيارة بشكل كبير.
السكك الحديدية
تتطلب كهربة السكك الحديدية كمية كبيرة من النحاس وسبائك النحاس. ويتطلب كل كيلومتر من الأسلاك العلوية أكثر من طنين من الأسلاك النحاسية ذات الأشكال الخاصة. ومن أجل تحسين قوتها، غالبًا ما تتم إضافة كمية صغيرة من النحاس (حوالي 1%) أو الفضة (حوالي 0.5%). بالإضافة إلى ذلك، تعتمد المحركات والمقومات وأنظمة التحكم والفرامل والكهرباء والإشارات في القطار على النحاس وسبائك النحاس للعمل.
الطائرات
كما أن الملاحة الجوية لا تنفصل عن النحاس. على سبيل المثال: تتطلب الأسلاك والأنظمة الهيدروليكية والتبريد والهوائية في الطائرات مواد نحاسية، وتستخدم حوامل المحامل ومحامل عجلات الهبوط أنابيب برونزية من الألومنيوم، وتستخدم أدوات الملاحة سبائك فولاذية مضادة للمغناطيسية، وتستخدم العديد من الأدوات عناصر مرنة من النحاس المكسور.
صناعة خفيفة
ترتبط منتجات الصناعة الخفيفة ارتباطًا وثيقًا بحياة الناس، حيث تتنوع أصنافها. ولأن النحاس يتمتع بخصائص شاملة جيدة، فيمكن رؤيته في كل مكان. وفيما يلي بعض الأمثلة:
مكيفات الهواء والثلاجات
يتم تحقيق وظيفة التحكم في درجة الحرارة لمكيفات الهواء والثلاجات بشكل أساسي من خلال تبخر وتكثيف أنابيب النحاس للمبادل الحراري. يحدد حجم وأداء نقل الحرارة لأنبوب نقل الحرارة للمبادل الحراري إلى حد كبير كفاءة وصغر حجم مكيف الهواء بالكامل وجهاز التبريد. يتم استخدام أنابيب نحاسية ذات أشكال خاصة ذات موصلية حرارية عالية في هذه الآلات. بالاستفادة من خصائص المعالجة الجيدة للصلب، تم تطوير وإنتاج أنابيب حرارية ذات أخاديد داخلية وزعانف عالية لتصنيع المبادلات الحرارية في مكيفات الهواء والثلاجات وأجهزة جمع الحرارة الكيميائية والنفايات. يمكن زيادة معامل نقل الحرارة الإجمالي للمبادل الحراري الجديد إلى 2 إلى 3 مرات من الأنابيب العادية و1.2 إلى 1.3 مرة من الأنابيب العادية ذات الزعانف المنخفضة. تم استخدامه في الصين، مما يوفر 40٪ من النحاس ويقلل حجم المبادل الحراري بأكثر من 1/3.
الساعات
تُصنع أغلب أجزاء العمل في الساعات والمؤقتات والأجهزة ذات آليات الساعة من "نحاس الساعة". يحتوي هذا السبائك على 1.5-2% من الرصاص، وله خصائص معالجة جيدة، وهو مناسب للإنتاج على نطاق واسع. على سبيل المثال، تُقطع التروس من قضبان نحاسية طويلة مبثوقة، وتُثقب العجلات المسطحة من شرائط ذات سمك مماثل، ويُستخدم النحاس أو سبائك النحاس الأخرى لصنع أسطح الساعات المحفورة والبراغي والمفاصل، وما إلى ذلك. يُصنع عدد كبير من الساعات الرخيصة من البرونز (القصدير والزنك البرونزي) أو مطلي بالنيكل الفضي (النحاس الأبيض). تُصنع بعض الساعات الشهيرة من الفولاذ وسبائك النحاس. عقرب الساعات في "بيج بن" البريطانية مصنوع من قضبان برونزية صلبة، وعقرب الدقائق مصنوع من أنابيب نحاسية بطول 14- قدم.
يمكن لمصنع ساعات حديث يستخدم سبائك النحاس كمادة أساسية، ومكابس وقوالب دقيقة، أن ينتج 10 إلى 30 ساعة يوميًا بتكلفة منخفضة للغاية.
صناعة الورق
في مجتمع المعلومات المتغير باستمرار اليوم، يعد استهلاك الورق كبيرًا جدًا. يبدو الورق بسيطًا على السطح، لكن عملية تصنيع الورق معقدة للغاية، وتتطلب العديد من الخطوات وتطبيق العديد من الآلات، بما في ذلك المبردات والمبخرات والمضارب وآلات الورق، وما إلى ذلك. العديد من المكونات، مثل أنابيب التبادل الحراري المختلفة، والبكرات، والمضارب، والمضخات شبه السائلة والشاشات، مصنوعة في الغالب من سبائك الصلب.
على سبيل المثال، تقوم آلة صناعة الورق ذات الشبكة الطويلة برش اللب المحضر على شبكة سريعة الحركة ذات شبكة دقيقة (40-60 شبكة). تُنسج الشبكة من أسلاك النحاس والبرونز الفسفوري. وهي عريضة جدًا، وعادةً ما يزيد طولها عن 20 قدمًا (6 أمتار)، ويجب أن تظل مستقيمة تمامًا. تتحرك الشبكة على سلسلة من بكرات النحاس أو النحاس الصغيرة، وعندما تمر عبر اللب المرشوش عليها، يتم امتصاص الرطوبة من الهواء أدناه. تهتز الشبكة أيضًا لربط الألياف الصغيرة في اللب معًا. حجم شبكة آلات الورق الكبيرة كبير جدًا، يصل إلى 26 قدمًا و8 بوصات (8.1 مترًا) عرضًا و100 قدم (30.5 مترًا) طولاً. لا يحتوي اللب الرطب على الماء فحسب، بل يحتوي أيضًا على مواد كيميائية تستخدم في عملية صناعة الورق، وهي شديدة التآكل. لضمان جودة الورق، فإن مادة الشبكة صعبة للغاية. يجب ألا تتمتع بقوة ومرونة عالية فحسب؛ بل يجب أن تكون أيضًا مقاومة لتآكل اللب. سبائك النحاس قادرة تمامًا على القيام بذلك.
الطباعة
في الطباعة، تُستخدم ألواح النحاس في الطباعة الضوئية. تُحَسَّن ألواح النحاس المصقولة باستخدام مستحلب حساس للضوء، ثم تُصوَّر عليها. تحتاج ألواح النحاس المُحَسَّنة إلى التسخين لتصلب الغراء. ولمنع التليين بسبب الحرارة، غالبًا ما يحتوي النحاس على كمية صغيرة من الفضة أو الزرنيخ لزيادة درجة حرارة التليين. بعد ذلك، تُحفَر الألواح لتشكيل سطح طباعة بنمط من النقاط المقعرة والمحدبة.
في آلة الطباعة الأوتوماتيكية، يتم تصنيع الحروف عن طريق ترتيب كتل الحروف النحاسية، وهو استخدام مهم آخر للنحاس في الطباعة. عادة ما تكون كتل الحروف مصنوعة من النحاس المرصص، وأحيانًا النحاس أو البرونز.
الدواء
في صناعة الأدوية، يتم تصنيع جميع أنواع أجهزة التبخير والغليان والفراغ من النحاس النقي. يستخدم النحاس الأبيض الزنكي على نطاق واسع في المعدات الطبية. كما تُستخدم سبائك النحاس أيضًا بشكل شائع في إطارات النظارات، وما إلى ذلك.
