معرفة صناعة النحاس: مقدمة عن المواد المركبة عالية الأداء القائمة على النحاس
النحاس وسبائك النحاس لها خصائص ميكانيكية جيدة وأداء عملية ممتاز. فهي سهلة الصب والمعالجة البلاستيكية. والأهم من ذلك، أن النحاس وسبائك النحاس تتمتع بمقاومة جيدة للتآكل والتوصيل الحراري والتوصيل الكهربائي، لذلك يمكن استخدامها على نطاق واسع في التصنيع الإلكتروني والكهربائي والميكانيكي وغيرها من المجالات الصناعية. ومع ذلك، فإن قوة النحاس في درجة حرارة الغرفة وأدائه في درجات الحرارة العالية وأدائه في مقاومة التآكل غير كافية، مما يحد من تطبيقه على نطاق أوسع. مع التطور السريع لتكنولوجيا الفضاء والإلكترونيات الحديثة، يتم طرح المزيد من المتطلبات الأعلى لاستخدام النحاس، أي على أساس ضمان الموصلية الكهربائية الجيدة للنحاس والتوصيل الحراري وغيرها من الخصائص الفيزيائية، يلزم أن يتمتع النحاس بقوة عالية، وخاصة الخصائص الميكانيكية الجيدة في درجات الحرارة العالية، ويلزم أن يكون للمادة معامل تمدد حراري منخفض وأداء احتكاك وتآكل جيد. يبلغ إجمالي الاستثمار في أول خط سكة حديد عالي السرعة في بلدي بين بكين وشنغهاي حوالي 20 مليار دولار أمريكي. بدأ البناء في عام 2008. الطلب السنوي على أسلاك الاتصال ما يقرب من 10،000 طن. من الواضح أن البحث والتطوير في سلك التلامس، أي البحث والتطوير في المواد الوظيفية المصنوعة من سبائك النحاس عالية القوة والموصلية العالية ومقاومة التآكل العالية، لها سوق محلية وأجنبية كبيرة. تتطلب أقطاب اللحام بالمقاومة وبكرات اللحام بالدرزات وإطارات الرصاص للدوائر المتكاملة أيضًا سبائك نحاسية عالية القوة والموصلية العالية. من الصعب مراعاة القوة العالية والموصلية العالية للنحاس وسبائك النحاس الموجودة. لذلك، من خلال إدخال طرق تقوية مركبة الطور التعزيزي المناسبة، وإعطاء اللعب الكامل للتأثير التآزري لمرحلة التعزيز الوظيفية، أصبح البحث والتطوير للمواد المركبة الوظيفية عالية الأداء القائمة على النحاس (السبائك) موضوعًا ساخنًا في العالم اليوم.
يشير ما يسمى بسبائك النحاس عالية القوة وعالية الموصلية عمومًا إلى سبائك النحاس ذات قوة الشد (Gb) بمقدار 2-10 مرة من النحاس النقي (350-2000MPa) وموصلية 50٪ ~ 95٪ من النحاس، أي سبيكة نحاس IACS 50-95٪. المؤشر المثالي المعترف به دوليًا هو δb=600-800MPa، والموصلية أكبر من أو تساوي 80٪ IACSE. مجالات التطبيق الرئيسية لسبائك النحاس عالية القوة وعالية الموصلية هي إطارات الرصاص للدوائر المتكاملة فائقة الحجم في صناعة المعلومات الإلكترونية، والتدابير الإلكترونية المضادة للدفاع الوطني والصناعة العسكرية، والرادارات، وأنابيب الميكروويف العسكرية عالية الطاقة، وموصلات المجال المغناطيسي عالية النبض، والمعدات النووية ومركبات الإطلاق، والأسلاك العلوية لقطارات النقل عالية السرعة، وقضبان وحلقات نهاية محركات الجر غير المتزامنة ذات السرعة المعدلة بتردد عالي الطاقة 300-1250 كيلو وات، ورؤوس أقطاب اللحام بالمقاومة لصناعة السيارات، ومبلورات آلات الصب المستمر لصناعة المعادن، وأجهزة الفراغ الكهربائية وجسور اتصال التبديل للهندسة الكهربائية، إلخ. لذلك، فإن هذا النوع من المواد له آفاق تطبيق واسعة في العديد من المجالات ذات التقنية العالية.
مقدمة عن المواد المركبة عالية الأداء القائمة على النحاس - التصنيف:
1. المواد المركبة القائمة على النحاس المعززة بالجسيمات
التعزيز هو في الأساس كربيد السيليكون وأكسيد الألومنيوم، وهناك أيضًا كمية صغيرة من أكسيد التيتانيوم وجزيئات بوريد التيتانيوم (حجم الجسيمات عادة حوالي 10 ميكرومتر). لا تتمتع الشعيرات بخصائص ميكانيكية متفوقة فحسب، بل لها أيضًا نسبة عرض إلى ارتفاع معينة، لذلك يكون لها تأثير تعزيز أكثر أهمية على مصفوفة المعدن من الجسيمات. الشعيرات هي عادة شعيرات كربيد السيليكون وبورات الألومنيوم المستخدمة. يمكن لعملية السبائك تحضير مواد مركبة قائمة على النحاس معززة بتشتت الأكسيد ومعززة بتشتت الكربيد.
2. المواد المركبة القائمة على النحاس المقوى بالألياف
لا تحافظ المواد المركبة المصنوعة من النحاس أو سبائك النحاس والألياف غير المعدنية أو المعدنية على الموصلية الكهربائية العالية والتوصيل الحراري للنحاس فحسب، بل تتمتع أيضًا بقوة عالية ومقاومة عالية لدرجات الحرارة العالية. عند تصنيع مثل هذه المواد المركبة القائمة على النحاس، يتم استخدام كل من الألياف الطويلة والألياف القصيرة. تتميز المواد المركبة من ألياف الكربون والنحاس بخصائص التوصيل الحراري الجيد والتوصيل الكهربائي للنحاس، بالإضافة إلى التشحيم الذاتي ومقاومة التآكل ومعامل التمدد الحراري المنخفض لألياف الكربون، لذلك يتم استخدامها في مواد التلامس الكهربائي المنزلقة والفرش وأقطاب دعم أشباه الموصلات للطاقة ومبددات الحرارة للدوائر المتكاملة وما إلى ذلك. مثال آخر لتطبيق المواد المركبة من ألياف النحاس والكربون في الإنتاج الصناعي هو المنزلق على البانتوغراف الكهربائي للترام والأجزاء الضعيفة من الترام المنزلق والقاطرات الكهربائية. تم استخدام المنزلقات المعدنية في البداية، ويتم استخدام منزلقات الكربون في الوقت الحاضر، ولكن كلاهما به عيوب. بعد استخدام المواد المركبة من ألياف الكربون والنحاس، يتم تقليل مقاومة التلامس، وتجنب ارتفاع درجة الحرارة، وتحسين القوة والتيار الزائد في نفس الوقت، ولها تزييت ممتاز ومقاومة للتآكل.
3. سبائك النحاس المركبة الدقيقة عالية الأداء
تم اكتشاف مواد سبائك النحاس الدقيقة عالية الأداء في سبعينيات القرن العشرين عند دراسة المواد الفائقة التوصيل. في عام 1978، اقترح بارك وآخرون من جامعة هارفارد في الولايات المتحدة لأول مرة مفهوم سبيكة Cu-X عالية الأداء، سبيكة ثنائية Cu-X، تتضمن X معادن مقاومة للحرارة W وMo وNb وTa وCr وFe وV وعناصر أخرى. بعد التشكيل أو السحب أو الدرفلة، يتم توزيع معدن X في اتجاه التشوه على شكل سلك أو شريط لتشكيل مادة مركبة دقيقة. تتميز مادة سبائك النحاس الدقيقة هذه بقوة فائقة (يمكن أن تصل أعلى قوة شد إلى أكثر من 2000 ميجا باسكال)، ويمكن أن تصل الموصلية الكهربائية إلى 82٪ IACS، ومقاومة جيدة للحرارة، وبنية مركبة دقيقة واتجاه حبيبات. بالإضافة إلى استخدامها كأقطاب لحام نقطية، يمكن أيضًا استخدام هذه المادة كمروحة ومبادل حراري. بالمقارنة مع مواد سبائك النحاس التقليدية، فإنها تحتوي على المزيد من عناصر السبائك الإجمالية، ولكن أنواعًا أقل من عناصر السبائك. وقد جذبت سبائك Cu-X انتباه الناس بقوتها الفائقة، وموصليتها الكهربائية العالية ومقاومتها الجيدة للحرارة. في الوقت الحاضر، أجرت جامعة أيوا، وقسم المواد بجامعة هارفارد، ومختبر AMES، ومعهد ميشيغان للتكنولوجيا، وجامعة تشجيانغ في الصين الكثير من الأبحاث في هذا الصدد، ولكن لا يزال هناك العديد من مشاكل التطبيق النظرية والعملية التي يتعين حلها.
مقدمة عن المواد المركبة القائمة على النحاس ذات القوة العالية والموصلية العالية - طرق التحضير:
1. طريقة مسحوق المعادن
تم تطوير مسحوق المعادن لأول مرة لإعداد المواد المركبة القائمة على المعادن المقواة بالجسيمات، والتي تشمل عمومًا خلط المسحوق والضغط وإزالة الغازات والتلبيد وغيرها من العمليات. مسحوق المعادن هو عملية تشكيل شبه شبكية ذات استخدام عالٍ للمواد، والتي يمكن أن تقضي على الفصل التنظيمي والمكونات، ويمكن تعديل حجم الجسيمات ونسبة حجم مرحلة تعزيز الجسيمات ضمن نطاق كبير. هذه الطريقة هي الوسيلة الرئيسية لإنتاج الأجزاء الهيكلية ومواد الاحتكاك والمواد عالية الموصلية في المركبات القائمة على النحاس. نظرًا لضعف قابلية النحاس ومعظم جزيئات التعزيز الخزفية للرطوبة والاختلاف الكبير في الكثافة، فمن السهل إنتاج تكتل التعزيز عند تحضير المواد المركبة بطريقة السائل، مما يؤدي إلى توزيع غير متساوٍ للمرحلة الثانية. يمكن لمسحوق المعادن خلط مسحوق المعدن والتعزيز بالتساوي في النسبة المطلوبة، مما يحل مشكلة توزيع التعزيز. من أجل تعزيز قوة الترابط بين النحاس وجزيئات التسليح، تُستخدم عادةً الترسيب الكيميائي والطرق الأخرى لطلاء سطح جزيئات التسليح بطلاءات معدنية مثل Cu وNi، ثم تُخلط الجزيئات بالتساوي مع مسحوق النحاس للحصول على مواد مركبة باستخدام مسحوق المعادن [11]. نظرًا لأن جزيئات التسليح موزعة بالتساوي في المعدن المصفوف بعد طلائها بطلاءات معدنية، يتم تقليل الاتصال المباشر بين مواد التسليح، ويتم ممارسة تأثير التسليح بشكل أكثر فعالية. في الوقت نفسه، من خلال الطلاء بمعادن مختلفة، يمكن تحسين بنية الواجهة، ويمكن تعزيز قوة الترابط بين الواجهة، ويمكن تحسين الأداء الشامل للمادة المركبة.
2. طريقة الصب المركب
الصب هو الطريقة المفضلة للإنتاج الصناعي الضخم. ومع ذلك، بعد الصب، توجد عمومًا عملية تشوه مساعدة لهذه المادة المركبة. سيتم إبطال تأثير تقوية التشوه بسبب إعادة تبلور المعدن المشوه البارد. نظرًا لأن درجة حرارة إعادة تبلور معظم المعادن تبلغ حوالي 40٪ فقط من نقطة انصهارها، فإن مقاومة درجات الحرارة العالية للمادة التي يتم الحصول عليها عن طريق الصب ضعيفة نسبيًا. تم اقتراح عملية الصب المركب من قبل MC Flemings وآخرين من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. تتمتع هذه الطريقة بحل جيد لفصل مرحلة التعزيز، وعملية إنتاج بسيطة، وتتكيف مع اتجاه الإنتاج الصناعي واسع النطاق للمواد المركبة، مع مزايا تطوير كبيرة. ومع ذلك، نظرًا للزوجة العالية للصهر، فإن الصب المركب غير مواتٍ لتصريف الغاز والشوائب، لذلك غالبًا ما تكون هناك مسام وشوائب في المادة المحضرة؛ بالإضافة إلى ذلك، يصعب أيضًا التحكم في درجة الحرارة بهذه الطريقة.
3. طريقة الأكسدة الداخلية
طريقة الأكسدة الداخلية هي واحدة من أكثر الطرق المستخدمة شيوعًا لإعداد المواد المركبة القائمة على النحاس. يمكنها الحصول على جزيئات دقيقة موزعة بالتساوي ويمكنها التحكم بدقة في عدد مراحل التعزيز. التطبيق النموذجي لهذه العملية هو تحضير مواد مركبة قائمة على النحاس معززة بتشتت Cu-A1203. في هذه العملية، تتم إضافة كمية صغيرة من الألومنيوم، وهو عنصر سبائك يذوب في النحاس بشكل صلب ولكنه يميل إلى تكوين أكاسيد أكثر من النحاس، إلى النحاس لصنع مسحوق سبائك النحاس والألومنيوم. يتم نشر الأكسجين من سطح المسحوق إلى الداخل، بحيث يخضع مسحوق السبائك الذري للأكسدة الداخلية في درجة حرارة عالية وجو أكسجين، ويتحول الألومنيوم إلى أكسيد الألومنيوم. بعد ذلك، يتم اختزال النحاس المؤكسد في جو هيدروجيني، ولكن لا يمكن اختزال أكسيد الألومنيوم، ويتم صنع مسحوق مختلط من النحاس وأكسيد الألومنيوم، وأخيرًا يتم تلبيده تحت ضغط معين. هناك بعض المشاكل في تقنية تشكيل وتصلب Cu-A1203 المصنوع بطريقة الأكسدة الداخلية. من الصعب للغاية تصنيع المسحوق، والعملية معقدة والتكلفة عالية. عيوب طريقة الأكسدة الداخلية هي أن العملية معقدة، وهناك العديد من العوامل التي تؤثر على عملية التحضير، وجودة المواد يصعب التحكم فيها وتكلفة الإنتاج مرتفعة، مما يحد بشكل كبير من تطبيق هذه العملية.
4. طريقة المعدن السائل في الموقع
طريقة التفاعل في الموقع للمعدن السائل هي واحدة من تقنيات التحضير الجديدة للمواد المركبة القائمة على النحاس والتي تم تطويرها في السنوات الأخيرة. نجح لي وآخرون في تحضير مواد مركبة من TiB2/Cu لأول مرة. تعمل هذه الطريقة على تقليب وخلط سائلين أو أكثر من السبائك بشكل كامل وتنتج تعزيزات نانوية موزعة بشكل موحد من خلال التفاعلات الكيميائية. كانت موصلية المادة المركبة القائمة على النحاس والتي تحتوي على 5vol1% TiB2 76% IACS. أضاف كريسانثو وآخرون أسود الكربون أو B203 أو أسود الكربون W إلى محلول Cu-Ti على التوالي، وتفاعلوا لتوليد جزيئات TiC وTiB2 وWC دقيقة وموزعة بشكل موحد في الموقع لتعزيز المادة المركبة القائمة على النحاس. نظرًا لأن التعزيز في المركب المحضر بهذه العملية لا يحتوي على تلوث واجهة وله توافق واجهة جيد مع المصفوفة، فإنه يتمتع بموصلية وقوة ميكانيكية أعلى من المواد المركبة التقليدية.
5. طريقة التصلب السريع
بسبب معدل التبريد السريع والتبريد الفائق الأولي الكبير للنواة ومعدل النمو المرتفع أثناء عملية التصلب، فإن طريقة التصلب السريع تتسبب في انحراف واجهة السائل والصلب عن التوازن، وبالتالي تقديم سلسلة من الخصائص التنظيمية والبنيوية المختلفة عن السبائك التقليدية. تتميز طريقة التصلب السريع بالخصائص التالية لإعداد المواد المركبة القائمة على النحاس:
(1) يتم زيادة قابلية ذوبان عنصر السبائك النحاسية في المواد الصلبة بشكل كبير؛
(2) الحبوب يتم تكريرها بشكل كبير؛
(3) يتم تقليل الفصل الدقيق للمكونات الكيميائية بشكل كبير؛
(4) تزداد كثافة عيوب البلورة بشكل كبير؛
(5) يتم تشكيل بنية طورية جديدة غير مستقرة؛
(6) بعد معالجة الشيخوخة، يتم زيادة محتوى المرحلة الثانية في مصفوفة النحاس وتزداد درجة التشتت.
مع انخفاض طفيف في الموصلية، يتم تحسين قوة السبائك بشكل كبير، ويتم تحسين مقاومة التآكل والتآكل للسبائك. فتحت تقنية التصلب السريع مجالًا جديدًا لإعداد مواد مركبة عالية القوة وعالية الموصلية تعتمد على النحاس. في المستقبل، سيكون التركيز البحثي لإعداد التصلب السريع للمواد المركبة عالية القوة وعالية الموصلية القائمة على النحاس هو تحسين تركيبة المواد ومعلمات حركية التصلب وعملية الشيخوخة من خلال تحليل عملية التصلب وعملية الشيخوخة، وتحسين البنية الدقيقة والأداء.
6. طريقة السبائك الميكانيكية
تستخدم السبائك الميكانيكية مطحنة كرات عالية الطاقة لخلط مسحوق المعدن أو جزيئات السيراميك بنسبة معينة، وطحنها بشكل متكرر. يخضع المسحوق المركب لعمليات تشوه متكررة، ولحام بارد، وسحق، وإعادة لحام، وإعادة سحق، والتي يمكن أن تنقي الحبوب إلى مستوى النانومتر ولها نشاط سطح كبير [17]. بسبب إدخال عدد كبير من عيوب التشوه، يتم تعزيز قدرة الانتشار المتبادل وتقليل طاقة التنشيط، مما يجعل عملية السبائك مختلفة عن عملية الحالة الصلبة العادية. لذلك، من الممكن تحضير العديد من المواد الجديدة التي يصعب تصنيعها في ظل الظروف التقليدية. عيب السبائك الميكانيكية لإعداد المواد المركبة القائمة على النحاس هو أن عناصر الشوائب يتم إدخالها بسهولة أثناء عملية طحن الكرات، مما يقلل من خصائص المادة، وخاصة الموصلية. في الوقت نفسه، تكون كفاءة الإنتاج منخفضة بسبب وقت طحن الكرات الطويل.
