دانش صنعت مس: مقدمه ای بر مواد کامپوزیتی مبتنی بر مس با کارایی بالا

دانش صنعت مس: مقدمه ای بر مواد کامپوزیتی مبتنی بر مس با کارایی بالا

مس و آلیاژهای مس دارای خواص مکانیکی خوب و عملکرد فرآیند عالی هستند. ریخته گری و فرآیند پلاستیکی آنها آسان است. مهمتر از همه، مس و آلیاژهای مس دارای مقاومت در برابر خوردگی، هدایت حرارتی و هدایت الکتریکی خوبی هستند، بنابراین می توان آنها را به طور گسترده در ساخت الکترونیک و الکتریکی، ساخت مکانیکی و سایر زمینه های صنعتی استفاده کرد. با این حال، مقاومت مس در دمای اتاق، عملکرد دمای بالا و عملکرد سایش کافی نیست، که کاربرد وسیع‌تر آن را محدود می‌کند. با توسعه سریع هوافضا و فن آوری الکترونیکی مدرن، نیازهای بیشتر و بالاتری برای استفاده از مس مطرح می شود، یعنی بر اساس اطمینان از هدایت الکتریکی خوب مس، هدایت حرارتی و سایر خواص فیزیکی مس، نیاز به داشتن مس بالا است. استحکام، به ویژه خواص مکانیکی دمای بالا خوب، و این ماده باید دارای ضریب انبساط حرارتی پایین و عملکرد اصطکاک و سایش خوب باشد. مجموع سرمایه گذاری اولین خط راه آهن سریع السیر کشورم پکن- شانگهای حدود 20 میلیارد دلار آمریکا است. ساخت و ساز در سال 2008 آغاز شد. تقاضای سالانه برای سیم تماس نزدیک به 10،{5}} تن است. بدیهی است که تحقیق و توسعه سیم تماسی، یعنی تحقیق و توسعه مواد کاربردی آلیاژ مس با مقاومت بالا، رسانایی بالا و مقاوم در برابر سایش، بازار داخلی و خارجی زیادی دارد. الکترودهای جوشکاری مقاومتی، غلتک‌های جوشکاری درز، و قاب‌های سربی مدار مجتمع نیز به آلیاژهای مس با مقاومت و رسانایی بالا نیاز دارند. در نظر گرفتن استحکام بالا و رسانایی بالای مس و آلیاژهای مس موجود دشوار است. بنابراین، با معرفی روش‌های مقاوم‌سازی کامپوزیت فاز تقویت‌کننده مناسب، بازی کامل به اثر هم افزایی فاز تقویتی ماتریس و عملکردی، تحقیق و توسعه مواد کامپوزیت عملکردی مبتنی بر مس (آلیاژی) با کارایی بالا به یک موضوع داغ در جهان امروز تبدیل شده است. .
به اصطلاح آلیاژ مس با استحکام و رسانایی بالا عموماً به آلیاژ مس با استحکام کششی (Gb) 2-10 برابر مس خالص (350-2000MPa) و رسانایی 50 اشاره دارد. %~95% مس، یعنی 50-95% آلیاژ مس IACS. شاخص ایده آل شناخته شده بین المللی δb=600-800MPa است و رسانایی بزرگتر یا مساوی 80٪ IACSE است. زمینه های اصلی کاربرد آلیاژهای مس با مقاومت و رسانایی بالا عبارتند از: قاب های مدار مجتمع در مقیاس بزرگ در صنعت اطلاعات الکترونیک، اقدامات متقابل الکترونیکی برای صنایع دفاع ملی و نظامی، رادارها، لوله های مایکروویو نظامی با قدرت بالا، رسانای میدان مغناطیسی پالس، تجهیزات هسته‌ای و وسایل نقلیه پرتاب، سیم‌های بالای سر برای حمل و نقل ریلی سریع، 300-1250میله‌های موتور کشش ناهمزمان تنظیم‌کننده سرعت تعدیل‌شده با توان بالا کیلووات و حلقه‌های انتهایی، سر الکترودهای جوشکاری مقاومتی برای خودرو صنعت، کریستالایزرهای دستگاه ریخته‌گری پیوسته برای صنعت متالورژی، دستگاه‌های خلاء الکتریکی و پل‌های تماس سوئیچ برای مهندسی برق و غیره. بنابراین، این نوع مواد چشم‌انداز کاربرد گسترده‌ای در بسیاری از زمینه‌های با تکنولوژی بالا دارد.

مقدمه ای بر طبقه بندی مواد کامپوزیتی مبتنی بر مس با کارایی بالا:

1. مواد کامپوزیتی بر پایه مس تقویت شده با ذرات

تقویت کننده عمدتاً کاربید سیلیکون و اکسید آلومینیوم است و همچنین مقدار کمی ذرات اکسید تیتانیوم و بورید تیتانیوم وجود دارد (اندازه ذرات به طور کلی حدود 10 میکرومتر است). سبیل ها نه تنها خود خواص مکانیکی برتری دارند، بلکه دارای نسبت ابعادی مشخصی نیز هستند، بنابراین در مقایسه با ذرات، اثر تقویتی قابل توجهی بر روی ماتریس فلزی دارند. سبیل ها معمولاً از سبیل های کاربید سیلیکون و بورات آلومینیوم استفاده می شوند. فرآیند آلیاژسازی می تواند مواد کامپوزیتی مبتنی بر مس تقویت شده با پراکندگی اکسید و پراکندگی کاربید تقویت شده را آماده کند.
2. مواد کامپوزیتی بر پایه مس تقویت شده با الیاف

کامپوزیت های ساخته شده از مس یا آلیاژهای مس و الیاف غیر فلزی یا فلزی نه تنها رسانایی الکتریکی و هدایت حرارتی مس را حفظ می کنند، بلکه دارای استحکام بالا و مقاومت در برابر دمای بالا هستند. هنگام ساخت چنین مواد کامپوزیتی مبتنی بر مس، هم از الیاف بلند و هم از الیاف کوتاه استفاده می شود. مواد کامپوزیتی فیبر کربن-مس دارای ویژگی های هدایت حرارتی خوب و هدایت الکتریکی مس و همچنین خود روانکاری، مقاومت در برابر سایش و ضریب انبساط حرارتی پایین فیبر کربن هستند، بنابراین در مواد تماس الکتریکی کشویی، برس ها و برس ها استفاده می شود. الکترودهای پشتیبانی نیمه هادی قدرت، سینک های حرارتی مدار مجتمع و غیره. نمونه کاربردی دیگر مواد کامپوزیتی الیاف مس-کربن در تولید صنعتی، نوار لغزنده روی پانتوگراف برقی ترامواها، و قسمت های آسیب پذیر ترامواهای کشویی و لوکوموتیوهای الکتریکی است. در ابتدا از لغزنده های فلزی استفاده می شد و در حال حاضر از لغزنده های کربنی استفاده می شود اما هر دو دارای کاستی هایی هستند. پس از استفاده از مواد کامپوزیتی فیبر کربن-مس، مقاومت تماس کاهش می‌یابد، از گرمای بیش از حد جلوگیری می‌شود و استحکام و جریان اضافه بار به طور همزمان بهبود می‌یابد و روان‌کاری و مقاومت در برابر سایش عالی دارد.

3. آلیاژ مس میکرو کامپوزیت با کارایی بالا

مواد آلیاژ مس میکرو کامپوزیت با کارایی بالا در دهه 1970 هنگام مطالعه مواد ابررسانا کشف شدند. در سال 1978، بارک و همکاران. از دانشگاه هاروارد در ایالات متحده برای اولین بار مفهوم آلیاژ Cu-X با کارایی بالا، آلیاژ دوتایی Cu-X، X شامل فلزات نسوز W، Mo، Nb، Ta و Cr، Fe، V و عناصر دیگر را پیشنهاد کرد. پس از آهنگری، کشیدن یا نورد، فلز X در جهت تغییر شکل به شکل سیم یا روبان توزیع می شود تا یک ماده ریز کامپوزیت تشکیل شود. این ماده آلیاژ مس میکرو کامپوزیت با استحکام فوق العاده بالا (بالاترین استحکام کششی می تواند به بیش از 2000 مگاپاسکال برسد)، هدایت الکتریکی می تواند به 82٪ IACS برسد، مقاومت حرارتی خوب، ساختار میکرو کامپوزیت و جهت گیری دانه مشخص می شود. این ماده علاوه بر استفاده به عنوان الکترود جوش نقطه ای، می تواند به عنوان پروانه و مبدل حرارتی نیز استفاده شود. در مقایسه با مواد آلیاژ مس سنتی، حاوی عناصر آلیاژی بیشتری است، اما انواع کمتری از عناصر آلیاژی دارد. آلیاژ Cu-X با استحکام فوق العاده بالا، هدایت الکتریکی بالا و مقاومت حرارتی خوب توجه مردم را به خود جلب کرده است. در حال حاضر دانشگاه آیووا، گروه مواد دانشگاه هاروارد، آزمایشگاه AMES، موسسه فناوری میشیگان و دانشگاه ژجیانگ چین تحقیقات زیادی در این زمینه انجام داده‌اند، اما هنوز مشکلات کاربردی نظری و عملی زیادی وجود دارد که باید حل شوند. .

مقدمه ای بر روش های آماده سازی مواد کامپوزیتی مبتنی بر مس با مقاومت و رسانایی بالا:

1. روش متالورژی پودر
متالورژی پودر ابتدا برای تهیه مواد کامپوزیتی مبتنی بر فلز تقویت شده با ذرات، به طور کلی شامل اختلاط پودر، تراکم، گاززدایی، تف جوشی و سایر فرآیندها توسعه یافت. متالورژی پودر یک فرآیند شکل دهی نزدیک به شبکه با استفاده زیاد از مواد است که می تواند جداسازی سازمانی و اجزا را از بین ببرد و اندازه ذرات و کسر حجمی فاز تقویت ذرات را می توان در محدوده وسیعی تنظیم کرد. این روش وسیله اصلی تولید قطعات ساختاری، مواد اصطکاکی و مواد با رسانایی بالا در کامپوزیت های پایه مس است. به دلیل ترشوندگی ضعیف مس و اکثر ذرات تقویت کننده سرامیکی و تفاوت زیاد در چگالی، تولید تجمع آرماتور در هنگام تهیه مواد کامپوزیتی به روش مایع به راحتی امکان پذیر است و در نتیجه توزیع ناهموار فاز دوم ایجاد می شود. متالورژی پودر می تواند پودر فلز و آرماتور را به طور مساوی به نسبت لازم مخلوط کند و مشکل توزیع آرماتور را حل کند. به منظور افزایش استحکام پیوند بین مس و ذرات تقویت کننده، معمولاً از رسوب شیمیایی و روش های دیگر برای پوشش دادن سطح ذرات تقویت کننده با پوشش های فلزی مانند مس و نیکل استفاده می شود و سپس ذرات به طور مساوی با پودر مس مخلوط می شوند تا به دست آید. مواد کامپوزیت با استفاده از متالورژی پودر [11]. از آنجایی که ذرات تقویت کننده پس از پوشش دهی با پوشش های فلزی به طور یکنواخت در فلز زمینه توزیع می شوند، تماس مستقیم بین مواد تقویت کننده کاهش می یابد و اثر تقویت کننده به طور موثرتری اعمال می شود. در عین حال، با پوشش با فلزات مختلف، ساختار رابط را می توان بهبود بخشید، استحکام پیوند رابط را می توان افزایش داد، و عملکرد جامع مواد کامپوزیت را می توان بهبود بخشید.

2. روش ریخته گری کامپوزیت

ریخته گری روش ارجح برای تولید انبوه صنعتی است. با این حال، پس از ریخته گری، به طور کلی یک فرآیند تغییر شکل کمکی برای این ماده کامپوزیت وجود دارد. اثر تقویت تغییر شکل به دلیل تبلور مجدد فلز تغییر شکل سرد باطل خواهد شد. از آنجایی که دمای تبلور مجدد اکثر فلزات تنها حدود 40 درصد از نقطه ذوب آنها است، مقاومت دمایی بالای ماده به دست آمده از ریخته گری نسبتا ضعیف است. فرآیند ریخته گری کامپوزیت توسط MC Flemings و همکاران پیشنهاد شد. از موسسه فناوری ماساچوست. این روش راه حل خوبی برای تفکیک فاز تقویت کننده، فرآیند تولید ساده، و سازگاری با روند تولید صنعتی در مقیاس بزرگ مواد کامپوزیتی، با مزایای توسعه بزرگ دارد. با این حال، به دلیل ویسکوزیته بالای مذاب، ریخته‌گری کامپوزیت برای تخلیه گاز و آخال‌ها مفید نیست، بنابراین اغلب منافذ و آخال‌هایی در مواد آماده‌شده وجود دارد. علاوه بر این، این روش نیز برای کنترل دما دشوار است.

3. روش اکسیداسیون داخلی

روش اکسیداسیون داخلی یکی از متداول ترین روش ها برای تهیه مواد کامپوزیتی بر پایه مس است. این می تواند ذرات ریز پراکنده به طور یکنواخت را بدست آورد و می تواند تعداد فازهای تقویت را به دقت کنترل کند. کاربرد معمولی این فرآیند تهیه مواد کامپوزیتی مبتنی بر مس با پراکندگی Cu-A1203 است. در این فرآیند، مقدار کمی آلومینیوم، یک عنصر آلیاژی که به صورت جامد در مس حل می شود، اما تمایل بیشتری به تشکیل اکسید نسبت به مس دارد، به مس اضافه می شود تا پودر آلیاژ مس-آلومینیوم ساخته شود. اکسیژن از سطح پودر به داخل پخش می شود، به طوری که پودر اتمیزه شده آلیاژی در دمای بالا و اتمسفر اکسیژن تحت اکسیداسیون داخلی قرار می گیرد و آلومینیوم به اکسید آلومینیوم تبدیل می شود. سپس مس اکسید شده در اتمسفر هیدروژن احیا می شود، اما اکسید آلومینیوم قابل احیا نیست و پودر مخلوط مس و اکسید آلومینیوم ساخته می شود و در نهایت تحت فشار معینی تف جوشی می شود. مشکلاتی در فناوری شکل دهی و پخت Cu-A1203 ساخته شده به روش اکسیداسیون داخلی وجود دارد. زینتر کردن پودر بسیار دشوار است و فرآیند پیچیده و هزینه بالا است. معایب روش اکسیداسیون داخلی این است که فرآیند پیچیده است، عوامل زیادی وجود دارد که بر فرآیند آماده سازی تأثیر می گذارد، کنترل کیفیت مواد دشوار است و هزینه تولید بالا است که کاربرد این فرآیند را بسیار محدود می کند. .
4. روش فلز مایع در محل
روش واکنش فلز مایع در محل یکی از فناوری های جدید آماده سازی مواد کامپوزیتی بر پایه مس است که در سال های اخیر توسعه یافته است. لی و همکاران اولین بار مواد کامپوزیتی TiB2/Cu را با موفقیت آماده کرد. این روش دو یا چند مایع آلیاژی را کاملاً هم زده و مخلوط می‌کند و از طریق واکنش‌های شیمیایی، تقویت‌کننده‌های نانومقیاس پراکنده یکنواخت تولید می‌کند. رسانایی مواد کامپوزیت مبتنی بر مس حاوی 5vol1٪ TiB2 76٪ IACS بود. کریسانتو و همکاران کربن سیاه، B203 یا W کربن سیاه را به ترتیب به محلول Cu-Ti اضافه کرد و برای تولید ذرات ریز و یکنواخت TiC، TiB2 و WC در محل واکنش نشان داد تا مواد کامپوزیتی مبتنی بر مس را تقویت کند. از آنجایی که آرماتور در کامپوزیت تهیه شده توسط این فرآیند هیچ آلودگی رابطی ندارد و سازگاری رابط خوبی با ماتریس دارد، از رسانایی و استحکام مکانیکی بالاتری نسبت به مواد کامپوزیت سنتی برخوردار است.
5. روش انجماد سریع

با توجه به سرعت سرد شدن سریع، ابرسرد شدن هسته اولیه بزرگ و سرعت رشد بالا در طول فرآیند انجماد، روش انجماد سریع باعث انحراف سطح مشترک جامد و مایع از تعادل می‌شود و در نتیجه یک سری ویژگی‌های سازمانی و ساختاری متفاوت از آلیاژهای معمولی ارائه می‌دهد. روش انجماد سریع دارای ویژگی های زیر برای تهیه مواد کامپوزیتی بر پایه مس است:

(1) حلالیت جامد عنصر آلیاژی مس به طور قابل توجهی افزایش یافته است.

(2) دانه ها تا حد زیادی تصفیه شده اند.

(3) ریز جداسازی اجزای شیمیایی به طور قابل توجهی کاهش می یابد.

(4) چگالی عیوب کریستالی به شدت افزایش یافته است.

(5) ساختار فاز ناپایدار جدیدی تشکیل شده است.

(6) پس از درمان پیری، محتوای فاز دوم در ماتریس مس افزایش یافته و درجه پراکندگی افزایش می یابد.

با کاهش جزئی رسانایی، استحکام آلیاژ به طور قابل توجهی بهبود می یابد و مقاومت در برابر سایش و خوردگی آلیاژ بهبود می یابد. فناوری انجماد سریع زمینه جدیدی را برای تهیه مواد کامپوزیتی مبتنی بر مس با مقاومت و رسانایی بالا باز کرده است. در آینده، تمرکز تحقیقاتی آماده سازی انجماد سریع مواد کامپوزیتی مبتنی بر مس با استحکام و رسانایی بالا، بهینه سازی ترکیب مواد، پارامترهای جنبشی انجماد و فرآیند پیری از طریق تجزیه و تحلیل فرآیند انجماد و فرآیند پیری و بهبود خواهد بود. ریزساختار و عملکرد
6. روش آلیاژسازی مکانیکی
آلیاژ مکانیکی از آسیاب گلوله ای پر انرژی برای مخلوط کردن پودر فلز یا ذرات سرامیکی به نسبت معین استفاده می کند و آنها را به طور مکرر آسیاب می کند. پودر کامپوزیت تحت فرآیندهای مکرر تغییر شکل، جوش سرد، خرد کردن، جوش مجدد و خرد کردن مجدد قرار می‌گیرد که می‌تواند دانه‌ها را تا سطح نانومتری تصفیه کند و فعالیت سطحی بالایی داشته باشد [17]. با توجه به معرفی تعداد زیادی از عیوب اعوجاج، توانایی انتشار متقابل افزایش می‌یابد و انرژی فعال‌سازی کاهش می‌یابد و فرآیند آلیاژسازی را از فرآیند حالت جامد معمولی متفاوت می‌کند. بنابراین، می توان بسیاری از مواد جدید را تهیه کرد که سنتز آنها در شرایط متعارف دشوار است. عیب آلیاژسازی مکانیکی برای تهیه مواد کامپوزیتی بر پایه مس این است که عناصر ناخالصی به راحتی در فرآیند آسیاب گلوله ای وارد می شوند که باعث کاهش خواص مواد به ویژه رسانایی می شود. در عین حال، بازده تولید به دلیل طولانی بودن زمان آسیاب گلوله پایین است.