Cu-Al kompozitné materiály — medeno-hliníkové kompozity — sú viacvrstvové alebo zmiešané fázové materiály, ktoré spájajú meď a hliník do jedinej konštrukčnej jednotky, pričom zámerne kombinujú silné stránky oboch kovov a zároveň zmierňujú jednotlivé slabé stránky každého z nich. Meď ponúka vynikajúcu elektrickú vodivosť (59,6×10⁶ S/m), vysokú tepelnú vodivosť (385 W/m·K), vynikajúcu odolnosť proti korózii a spoľahlivú spájkovateľnosť. Hliník ponúka nízku hustotu (2,7 g/cm³ oproti medi 8,96 g/cm³), vysoký pomer pevnosti k hmotnosti, dobrý korózny výkon na vzduchu a výrazne nižšie náklady na suroviny. Ak sa používa samostatne, každý kov má jasné obmedzenia pre náročné aplikácie. Spoločne použité v dobre navrhnutom kompozite poskytujú kombinácie výkonu, ktoré ani jeden materiál nemôže dosiahnuť samostatne.
Základnou inžinierskou výzvou, ktorú riešia medeno-hliníkové kompozitné materiály, je konflikt medzi požiadavkami na elektrický alebo tepelný výkon a váhovými alebo nákladovými obmedzeniami. Napríklad v prípojniciach na prenos energie čistá meď poskytuje vynikajúcu vodivosť, ale zvyšuje hmotnosť a náklady na veľké inštalácie rozvádzačov. Prípojnice z čistého hliníka znižujú hmotnosť a náklady, ale majú nižšiu vodivosť a vyžadujú špeciálnu prípravu spoja na zvládnutie izolačnej povrchovej vrstvy oxidu hlinitého. Hliníková prípojnica pokrytá meďou (CCA) – hliníkové jadro s medeným plášťom na všetkých povrchoch – poskytuje vodivosť blízku medi tam, kde je to najdôležitejšie (na povrchu, kde sa striedavý prúd sústreďuje v dôsledku povrchového efektu), s výhodami hmotnosti a ceny hliníka v objemovom priereze.
Cu-Al kompozitné materiály nie sú jedinou produktovou kategóriou, ale skupinou materiálových architektúr, ktorá zahŕňa valcované bimetalové pásy, výbušné zvárané dosky, koextrudované profily, kompozity práškovej metalurgie a elektrolyticky nanášané medené na hliníkové štruktúry. Každá výrobná metóda vytvára odlišnú kvalitu rozhrania, pomer hrúbky vrstvy a profil mechanických vlastností, ktoré sú vhodné pre špecifické požiadavky aplikácie. Pochopenie, ktorá kompozitná architektúra je vhodná pre daný prípad použitia, je prvým a najdôležitejším krokom pri úspešnej aplikácii týchto materiálov.
Spojovacie rozhranie medzi meďou a hliníkom je definujúcou štruktúrnou vlastnosťou akéhokoľvek Cu-Al kompozitu. Meď a hliník majú veľmi odlišné kryštálové štruktúry, koeficienty tepelnej rozťažnosti a teploty topenia, čo znamená, že vytvorenie metalurgicky zdravého spojenia bez dutín medzi nimi vyžaduje starostlivo kontrolované podmienky procesu. Každá výrobná metóda dosahuje túto väzbu prostredníctvom odlišného fyzikálneho mechanizmu, pričom vytvára rozhrania s rôznou silou, kontinuitou a charakteristikami tvorby intermetalických zlúčenín.
Lepenie valcovaním je najpoužívanejší proces na výrobu hliníkových pásov a plechov plátovaných meďou. Vrstvy medi a hliníka sa povrchovo upravia drôtenou kefou alebo chemickým leptaním, aby sa odstránili oxidové filmy a kontaminácia, a potom sa zlisujú pod vysokým tlakom valcovacej stolice – zvyčajne sa dosiahne 50–70 % redukcia hrúbky pri jednom prechode. Tlak spôsobuje, že nerovnosti na oboch povrchoch sa plasticky deformujú a zapadnú, čím sa vytvorí kontakt na atómovej úrovni a difúzne spojenie v tuhom stave bez roztavenia ktoréhokoľvek materiálu. Výsledná väzba je metalurgicky kontinuálna a bez krehkých intermetalických fáz Cu-Al (CuAl2, Cu₉Al4), ktoré vznikajú pri spájaní medi a hliníka pri zvýšených teplotách. CCA pásik viazaný navíjaním sa vyrába vo forme kontinuálnej cievky a je primárnou surovinou pre hliníkové drôty plátované meďou, pásy prípojníc a materiál batériových výstupkov používaných vo veľkoobjemovej výrobe.
Výbušné zváranie využíva energiu riadenej detonácie na spojenie medených a hliníkových platní pri extrémne vysokej rýchlosti – zvyčajne 200 – 500 m/s – vytvárajúc kolízny tlak v rozsahu gigapascalov, ktorý vytvára tryskanie plastov na rozhraní a okamžité stieranie oxidových vrstiev. Výsledkom je zvlnené, mechanicky prepojené spojenie s pevnosťou v šmyku často presahujúcou pevnosť mäkšieho základného kovu. Výbušné zvárané Cu-Al prechodové spoje sa používajú špeciálne v aplikáciách, kde musia byť lepené hrubé platne a kde spoj bude vystavený vysokému mechanickému zaťaženiu – hliníkové zbernicové spoje v námorných plavidlách, prechodové spoje medzi medeným a hliníkovým potrubím v kryogénnych systémoch a štrukturálne prechodové platne vo veľkých elektrických zariadeniach. Proces je obmedzený na ploché alebo jednoduché zakrivené geometrie a vyžaduje si špecializované zariadenia, vďaka čomu je vhodný skôr na výrobu malých až stredných objemov veľkých komponentov s vysokou hodnotou než na výrobu pásov s vysokým objemom.
Procesy koextrúzie vytvárajú Cu-Al kompozitné profily súčasným vytláčaním medi a hliníka cez tvarovanú matricu, pričom sa spájajú za extrémnych tlakových a teplotných podmienok vo vnútri vytláčacieho lisu. Táto metóda sa používa na výrobu zložitých profilov prierezu – ako sú hliníkové prípojnice potiahnuté meďou so špecifickými pomermi strán a povrchovou distribúciou hrúbky medi – ktoré by bolo ťažké alebo nákladné vyrábať spájaním valcovaním a následným tvarovaním. Procesy kontinuálneho odlievania pre Cu-Al kompozity odlievajú roztavený hliník okolo vopred vytvarovaného medeného jadra alebo vložky s rýchlym tuhnutím, ktoré riadi hrúbku intermetalickej vrstvy na rozhraní väzby. Kontrola procesu je kritická, pretože predĺžený kontakt medzi tekutým hliníkom a pevnou meďou nad približne 400 °C podporuje rast krehkých intermetalických vrstiev, ktoré znižujú pevnosť spoja a elektrickú vodivosť na rozhraní.
Cu-Al kompozity práškovej metalurgie sa vyrábajú zmiešaním medených a hliníkových práškov (alebo častíc medi v hliníkovej matrici) a ich konsolidáciou spekaním, lisovaním za tepla alebo iskrovým plazmovým spekaním (SPS). Táto metóda umožňuje presnú kontrolu zloženia, distribúcie veľkosti častíc a mikroštruktúry, čím vznikajú kompozity s izotropnými vlastnosťami a schopnosťou začleniť výstužné fázy. Tieto materiály sa používajú vo vysokovýkonných tepelne riadiacich substrátoch, materiáloch s elektrickými kontaktmi a konštrukčných komponentoch letectva, kde sú konvenčné plechové alebo doskové kompozitné formy nevhodné. Elektrodepozícia medi na hliníkové substráty vytvára tenké, vysoko rovnomerné medené povlaky pre aplikácie dosiek s plošnými spojmi, tienenie EMI a dekoratívne alebo funkčné pokovovanie – odlišná skupina aplikácií od objemových konštrukčných kompozitov vyrábaných procesmi valcovania a zvárania.
Vlastnosti a Cu-Al Ckompozitné materiály závisí od troch premenných: vlastnosti každého materiálu, z ktorého pozostáva, objemový podiel každej vrstvy alebo fázy a kvalita a geometria spojovacieho rozhrania. Pre vrstvené kompozity, ako je hliníkový pásik potiahnutý meďou, pravidlo zmesí poskytuje užitočnú prvú aproximáciu vlastností, ktoré sa menia lineárne s objemovým zlomkom, ako je hustota a elektrická vodivosť. Vlastnosti, ktoré závisia od integrity rozhrania – pevnosť väzby v ťahu, odolnosť proti únave a pevnosť v odlupovaní – sa musia merať priamo pre každú kompozitnú architektúru a nemožno ich vypočítať len z vlastností jednotlivých zložiek.
| Nehnuteľnosť | Čistá meď | Čistý hliník | Cu-Al kompozit (15% Cu) |
|---|---|---|---|
| Hustota (g/cm³) | 8.96 | 2.70 | ~3,63 |
| Elektrická vodivosť (% IACS) | 100% | 61 % | ~65 – 75 % |
| Tepelná vodivosť (W/m·K) | 385 | 205 | ~220–260 |
| Pevnosť v ťahu (MPa) | 210–390 | 70-270 | ~150 – 300 |
| Koeficient tepelnej rozťažnosti (×10⁻⁶/K) | 17.0 | 23.1 | ~21-22 |
| Relatívne náklady na materiál | Vysoká | Nízka | Mierne |
Nesúlad v koeficiente tepelnej rozťažnosti medzi meďou (17×10⁻⁶/K) a hliníkom (23,1×10⁻⁶/K) vytvára tepelné napätie na rozhraní väzby počas teplotného cyklu. Pri aplikáciách, kde dochádza k veľkým alebo rýchlym teplotným výkyvom – substráty výkonovej elektroniky, pripojenia batérií EV a vonkajší elektrický hardvér – sa musí tento nesúlad CTE zohľadniť pri návrhu. Tenké medené obkladové vrstvy na hrubších hliníkových substrátoch redukujú absolútnu veľkosť diferenčného dilatačného napätia a ťažnosť oboch kovov umožňuje plastické prispôsobenie sa určitému nesprávnemu namáhaniu. Cyklická únava na rozhraní však zostáva primárnym dlhodobým poruchovým režimom pre Cu-Al kompozity v tepelne náročnej prevádzke a predikcia životnosti vyžaduje pochopenie amplitúdy tepelného cyklu, frekvencie a geometrie kompozitnej vrstvy špecifickej pre danú aplikáciu.
Cu-Al kompozitné materiály našli svoje najvýznamnejšie priemyselné využitie v oblasti prenosu elektrickej energie, technológie batérií, výmenníkov tepla a elektronických obalov – sektory, kde kombinácia vysokej vodivosti, zníženej hmotnosti a nákladovej efektívnosti vytvára presvedčivé hodnotové návrhy, ktorým sa samotná meď alebo hliník nemôže rovnať.
Medený hliníkový drôt (CCA) pozostáva z hliníkového jadra so súvislou medenou vonkajšou vrstvou, ktorá zvyčajne tvorí 10–15 % plochy prierezu. Pre vysokofrekvenčné aplikácie – koaxiálne káble, RF prenosové linky a signálne káble nad približne 5 MHz – obmedzuje efekt kože tok prúdu do vonkajšej medenej vrstvy, vďaka čomu je hliníkové jadro elektricky priehľadné. CCA drôt poskytuje rovnaký vysokofrekvenčný elektrický výkon ako pevný medený drôt pri približne 40 % hmotnosti a 50 – 60 % nákladov na materiál. To z neho robí dominantnú voľbu vodičov v koaxiálnom kábli pre distribúciu káblovej televízie, kabeláž satelitných parabol a antény na celom svete. Pri aplikáciách s napájacou frekvenciou (50/60 Hz) hliníkové jadro významne prispieva k prúdovej zaťažiteľnosti a napájacie káble CCA dosahujú približne 75 – 80 % súčasnej kapacity pevného medeného kábla ekvivalentného priemeru pri približne 45 % hmotnosti – čo je presvedčivý kompromis pre elektroinštaláciu budov, automobilové zväzky a aplikácie nadzemnej distribúcie, kde záleží na hmotnosti a káblovom manažmente.
Články lítium-iónových batérií v aplikáciách EV používajú dva rôzne materiály koncoviek: hliník pre kladný pól a poniklovaná oceľ alebo čistý nikel pre záporný pól v štandardných prevedeniach. Zapojenie týchto odlišných svoriek do série alebo paralelne cez prípojnice alebo jazýčky vyžaduje buď samostatné vodiče pre každý typ svoriek, alebo kompozitný materiál, ktorý prechádza medzi hliníkom a meďou/niklom v rámci jedného komponentu. Medené hliníkové plôšky a bimetalové prechodové pásiky sa čoraz častejšie používajú pri montáži batériových modulov, aby sa zjednodušil dizajn prepojenia – hliníkové čelo sa spája s hliníkovým kladným pólom ultrazvukovým zváraním, zatiaľ čo medené čelo poskytuje spájkovateľný, zvárateľný alebo skrutkovaný spojovací povrch kompatibilný s medenými prípojnicami. To eliminuje riziko galvanickej korózie, ktoré vzniká, keď je medený hardvér priskrutkovaný priamo na hliníkové svorky článkov bez prechodového materiálu.
Hliníkové prípojnice potiahnuté meďou predstavujú priamu stratégiu znižovania hmotnosti a nákladov pre veľké elektrické inštalácie – dátové centrá, priemyselné rozvádzače, rozvodné dosky energie a systémy striedačov energie z obnoviteľných zdrojov – kde hmotnosť medených prípojníc a náklady na materiál sú významnými faktormi v celkovom rozpočte inštalácie. Prípojnica CCA s 10 – 20 % medi podľa plochy prierezu dosahuje približne 80 – 85 % prúdovej kapacity prípojnice z čistej medi s ekvivalentnými rozmermi, pri približne 45 – 50 % hmotnosti a 55 – 65 % materiálových nákladov pri typických rozdieloch cien medi a hliníka. Medený povrch poskytuje plnú kompatibilitu so štandardnými technikami prípravy medených spojov – pocínovaním, postriebrením alebo holými medenými skrutkovými spojmi – bez špeciálnej spojovacej zmesi, podložiek Belleville a požiadaviek na kontrolu spojených s hliníkovými a medenými spojmi v elektrických kódoch.
V automobilových výmenníkoch a výmenníkoch tepla HVAC kombinácia nízkej hustoty hliníka a odolnosti proti korózii s vynikajúcou tepelnou vodivosťou medi vyvoláva záujem o kompozitné rebrové a rúrkové konštrukcie Cu-Al. Spájkované hliníkové výmenníky tepla dominujú moderným aplikáciám automobilovej klimatizácie a chladenia oleja vďaka svojej nízkej hmotnosti a zavedenej výrobnej infraštruktúre. Dizajn medených vložiek alebo hliníkových výmenníkov tepla s medeným obložením sa objavuje v aplikáciách, kde je rozdiel v tepelnom výkone medzi hliníkom a meďou významný – určité chladiace platne elektroniky, substráty výkonových modulov a chladiče s vysokým tokom – a kde je zníženie hmotnosti čistej medi neprijateľné. Medené mikrokanály alebo medené vložky v hliníkovej konštrukcii tela môžu zlepšiť lokálne šírenie tepla a zároveň udržať celkovú hmotnosť zostavy blízko celohliníkového dizajnu.
Galvanická korózia je najvýznamnejšou výzvou v oblasti spoľahlivosti pri práci s Cu-Al kompozitnými materiálmi v prevádzkovom prostredí s vlhkosťou alebo kondenzáciou. Meď a hliník sú v morskej vode oddelené približne 0,5–0,7 V v galvanickej sérii, vďaka čomu je hliník v porovnaní s meďou silne anodický. Keď sú oba kovy v elektrickom kontakte a zmáčané elektrolytom – dokonca aj atmosférickou kondenzáciou rozpustenými priemyselnými znečisťujúcimi látkami – hliník pôsobí ako obetná anóda a koroduje prednostne v kontaktnej zóne. Táto korózia vytvára nánosy oxidu hlinitého a hydroxidu, ktoré zvyšujú kontaktný odpor, vytvárajú dilatačné napätie v spoji a v konečnom dôsledku spôsobujú mechanické a elektrické zlyhanie spoja.
V dobre vyrobených Cu-Al kompozitoch, kde je väzobné rozhranie metalurgicky spojité a hliník je plne zapuzdrený medeným plášťom, je galvanický pár účinne potlačený, pretože hliníkový povrch nie je vystavený prostrediu. Riziko vzniká na rezných hranách, opracovaných povrchoch a koncových oblastiach, kde je odkryté hliníkové jadro. Osvedčený postup pre Cu-Al kompozitné komponenty v korozívnom prostredí zahŕňa pocínovanie alebo postriebrenie všetkých odkrytých hrán a koncových oblastí, nanášanie spojovacej zmesi na skrutkové spojovacie rozhrania, zachovanie krytia s krytím IP, aby sa vylúčila vlhkosť, a používanie kompatibilných spojovacích a hardvérových materiálov (nerezová oceľ alebo pocínovaná medená hardvérová časť namiesto holej ocele).
Pri zvýšených teplotách nad približne 200 °C meď a hliník interdifundujú cez rozhranie väzby a vytvárajú intermetalické zlúčeniny – predovšetkým CuAl₂ (θ fáza) a Cu₉Al4 (γ fáza). Tieto intermetalické látky sú krehké, majú zlú elektrickú vodivosť v porovnaní s čistými kovmi a neustále rastú rýchlosťou, ktorá sa zrýchľuje s teplotou. V pásoch CCA viazaných na valcoch vyrábaných a používaných pri teplote okolia je intermetalický rast počas životnosti produktu zanedbateľný. V aplikáciách zahŕňajúcich trvalo vysoké teploty – procesy pretavenia spájky pri montáži elektroniky, vysokoprúdové spoje, ktoré sú v prevádzke horúce, alebo žíhanie aplikované po formovaní kompozitu – je potrebné starostlivo riadiť intermetalický rast. Špecifikácia maximálnej procesnej teploty a trvania a overenie hrúbky intermetalickej vrstvy prierezovou metalografickou skúškou sú štandardnými postupmi zabezpečenia kvality pre Cu-Al kompozitné komponenty vo vysokoteplotnej prevádzke.
Cu-Al kompozitné materiály môžu byť spracované väčšinou štandardných kovoobrábacích operácií, ale prítomnosť dvoch mechanicky odlišných vrstiev vyžaduje pozornosť na nástroje, rezné parametre a spôsoby spájania, aby sa zabránilo delaminácii, preferenčnému odstraňovaniu materiálu alebo degradácii spoja.
Pás CCA viazaný valcovaním sa môže rezať strihaním, dierovaním a rezaním laserom pomocou štandardných nástrojov, pričom prvoradým hľadiskom je, že meď a hliník majú rozdielne medze klzu a rýchlosti vytvrdzovania. Ostré nástroje sú nevyhnutné na vytvorenie čistých rezných hrán bez otrepov alebo delaminácie na rozhraní. Pri progresívnom lisovaní – štandardnom procese pre veľkoobjemovú výrobu batériových úchytiek a konektorov – sa musí vôľa lisovnice optimalizovať skôr pre kompozitný zväzok, než pre jednotlivé vrstvy samostatne. Operácie ohýbania a tvarovania musia brať do úvahy odlišné pruženie medi a hliníka, ktoré môže spôsobiť zakrivenie kompozitného pásu smerom k medenej strane po uvoľnení z ohýbacieho nástroja, ak neutrálna os nie je v geometrickom strede prierezu kompozitu.
Spájanie Cu-Al kompozitov k sebe alebo k iným komponentom vyžaduje starostlivý výber metódy, aby sa predišlo krehkej intermetalickej tvorbe, ku ktorej dochádza pri konvenčnom tavnom zváraní. Preferované metódy sú:
Objednávanie kompozitného materiálu Cu-Al bez úplnej špecifikácie je jednou z najčastejších príčin problémov s výkonom a nesúladu dodávateľov v projektoch, ktoré používajú tieto materiály prvýkrát. Špecifikácia musí ísť nad rámec nominálnych rozmerov, aby zachytila kvalitu rozhrania, tolerancie hrúbky vrstvy a testy overenia výkonu, ktoré definujú kompozit vhodný na daný účel.
Spolupráca s dodávateľom, ktorý poskytuje certifikácie materiálov vrátane chemického zloženia, výsledkov mechanických skúšok, meraní elektrickej vodivosti a údajov o kvalite rozhrania spojov pre každú výrobnú šaržu, umožňuje efektívnu kontrolu kvality vstupov a poskytuje dokumentáciu o sledovateľnosti, ktorá je nevyhnutná pre aplikácie v automobilovom, leteckom a kozmickom priemysle a v sektoroch regulovanej energetickej infraštruktúry. Prírastkové úsilie o vytvorenie kompletnej špecifikácie a kvalifikačného programu vopred sa dôsledne obnovuje znížením počtu zlyhaní v teréne, záručných nárokov a sporov o špecifikácie počas životnosti produktu.
Applet
Call centrum:
Tel:+86-0512-63263955
Email :[email protected]
Autorské práva © Goode EIS (Suzhou) Corp LTD
Izolačné kompozitné materiály a diely pre priemysel čistej energie
cn