Композитные материалы Cu-Al — медно-алюминиевые композиты — представляют собой многослойные или смешанно-фазовые материалы, которые связывают медь и алюминий в единую структурную единицу, намеренно сочетая сильные стороны обоих металлов и одновременно смягчая отдельные недостатки каждого. Медь обладает превосходной электропроводностью (59,6×10⁶ См/м), высокой теплопроводностью (385 Вт/м·К), отличной коррозионной стойкостью и надежной паяемостью. Алюминий имеет низкую плотность (2,7 г/см³ по сравнению с 8,96 г/см³ меди), высокое соотношение прочности к весу, хорошие коррозионные характеристики на воздухе и значительно более низкую стоимость сырья. При использовании отдельно каждый металл имеет четкие ограничения для требовательных применений. Используемые вместе в хорошо продуманном композите, они обеспечивают сочетание характеристик, которого ни один материал не может достичь по отдельности.
Фундаментальной инженерной проблемой, которую решают медно-алюминиевые композиционные материалы, является конфликт между требованиями к электрическим или тепловым характеристикам и ограничениями по весу или стоимости. Например, в шинах электропередач чистая медь обеспечивает превосходную проводимость, но увеличивает вес и стоимость крупных распределительных устройств. Шины из чистого алюминия уменьшают вес и стоимость, но имеют меньшую проводимость и требуют специальной подготовки соединений для управления изолирующим поверхностным слоем оксида алюминия. Алюминиевая шина с медным покрытием (CCA) — алюминиевый сердечник с медным покрытием на всех поверхностях — обеспечивает проводимость, близкую к медной там, где это наиболее важно (на поверхности, где переменный ток концентрируется из-за скин-эффекта), при этом алюминиевые преимущества по весу и стоимости в объемном поперечном сечении.
Композитные материалы Cu-Al — это не отдельная категория продуктов, а семейство материалов, включающее в себя прокатанные биметаллические ленты, пластины, сваренные взрывной сваркой, соэкструдированные профили, композиты порошковой металлургии и электроосажденные конструкции из меди на алюминии. Каждый метод производства обеспечивает различное качество интерфейса, соотношение толщины слоя и профиль механических свойств, соответствующие конкретным требованиям применения. Понимание того, какая составная архитектура подходит для конкретного варианта использования, является первым и наиболее важным шагом на пути к успешному применению этих материалов.
Интерфейс соединения между медью и алюминием является определяющей структурной особенностью любого композита Cu-Al. Медь и алюминий имеют очень разные кристаллические структуры, коэффициенты теплового расширения и температуры плавления, а это означает, что создание металлургически прочной, свободной от пустот связи между ними требует тщательно контролируемых условий процесса. Каждый метод производства обеспечивает эту связь с помощью другого физического механизма, создавая границы раздела с различной прочностью, непрерывностью и характеристиками образования интерметаллических соединений.
Рулонное склеивание является наиболее широко используемым процессом производства алюминиевых полос и листов, плакированных медью. Слои меди и алюминия подготавливаются с помощью проволочной чистки или химического травления для удаления оксидных пленок и загрязнений, а затем спрессовываются вместе под высоким давлением прокатного стана, что обычно обеспечивает уменьшение толщины на 50–70% за один проход. Давление заставляет неровности на обеих поверхностях пластически деформироваться и сцепляться, создавая контакт на атомном уровне и диффузионную связь в твердом состоянии без плавления любого материала. Полученная связь является металлургически непрерывной и не содержит хрупких интерметаллических фаз Cu-Al (CuAl₂, Cu₉Al₄), которые образуются при соединении меди и алюминия при повышенных температурах. Лента CCA, склеенная рулоном, производится в виде непрерывных рулонов и является основным сырьем для изготовления омедненных алюминиевых проводов, полосок шин и материалов для выводов аккумуляторных батарей, используемых в крупносерийном производстве.
При сварке взрывом используется энергия контролируемой детонации для соединения медных и алюминиевых пластин вместе на чрезвычайно высокой скорости — обычно 200–500 м/с — создавая давление столкновения в диапазоне гигапаскалей, которое вызывает выброс пластика на границе раздела и мгновенно стирает оксидные пленки. В результате получается волнистая, механически сцепленная связь с прочностью на сдвиг, часто превышающей прочность более мягкого основного металла. Переходные соединения Cu-Al, сваренные взрывом, используются специально в тех случаях, когда необходимо склеивать толстые пластины и где соединение будет испытывать высокие механические нагрузки — соединения алюминиевых шин на военно-морских судах, переходные соединения между медными и алюминиевыми трубами в криогенных системах и конструкционные переходные пластины в крупном электрооборудовании. Этот процесс ограничен плоской или простой изогнутой геометрией и требует специального оборудования, что делает его подходящим для производства крупных и дорогостоящих компонентов в малых и средних объемах, а не для производства полос в больших объемах.
Процессы совместной экструзии позволяют формировать композитные профили Cu-Al путем одновременной экструзии меди и алюминия через фасонную матрицу и склеивания их в условиях экстремального давления и температуры внутри экструзионного пресса. Этот метод используется для производства профилей сложного поперечного сечения, таких как алюминиевые шины с медным покрытием, с определенным соотношением сторон и распределением толщины поверхности меди, которые было бы сложно или дорого изготовить путем прокатки и последующей формовки. Процессы непрерывного литья композитов Cu-Al заливают расплавленный алюминий вокруг предварительно сформированного медного сердечника или вставки, при этом быстрое затвердевание контролирует толщину интерметаллического слоя на границе раздела соединений. Контроль процесса имеет решающее значение, поскольку длительный контакт между жидким алюминием и твердой медью при температуре выше примерно 400°C способствует росту хрупких интерметаллических слоев, которые снижают прочность соединения и электропроводность на границе раздела.
Порошковая металлургия. Композиты Cu-Al производятся путем смешивания порошков меди и алюминия (или частиц меди в алюминиевой матрице) и их консолидации путем спекания, горячего прессования или искрового плазменного спекания (ИПС). Этот метод позволяет точно контролировать состав, гранулометрический состав и микроструктуру, создавая композиты с изотропными свойствами и способностью включать армирующие фазы. Эти материалы используются в высокоэффективных терморегулирующих подложках, материалах для электрических контактов и компонентах аэрокосмических конструкций, где традиционные листовые или пластинчатые композитные формы не подходят. Электроосаждение меди на алюминиевые подложки позволяет получить тонкие, высокооднородные медные покрытия для печатных плат, защиты от электромагнитных помех, а также декоративных или функциональных покрытий — семейство приложений, отличное от объемных конструкционных композитов, получаемых методами прокатки и сварки.
Свойства Композитные материалы Cu-Al зависят от трех переменных: свойств каждого составляющего материала, объемной доли каждого слоя или фазы, а также качества и геометрии границы раздела склеивания. Для слоистых композитов, таких как алюминиевые ленты, плакированные медью, правило смесей обеспечивает полезное первое приближение для свойств, которые линейно масштабируются в зависимости от объемной доли, таких как плотность и электропроводность. Свойства, которые зависят от целостности интерфейса — прочность соединения на растяжение, сопротивление усталости и прочность на отслаивание — должны измеряться непосредственно для каждой композитной архитектуры и не могут быть рассчитаны только на основе свойств компонентов.
| Недвижимость | Чистая медь | Чистый алюминий | Cu-Al композит (15% Cu) |
|---|---|---|---|
| Плотность (г/см³) | 8.96 | 2.70 | ~3,63 |
| Электрическая проводимость (% IACS) | 100% | 61% | ~65–75% |
| Теплопроводность (Вт/м·К) | 385 | 205 | ~220–260 |
| Предел прочности (МПа) | 210–390 | 70–270 | ~150–300 |
| Коэффициент теплового расширения (×10⁻⁶/К) | 17.0 | 23.1 | ~21–22 |
| Относительная стоимость материала | Высокий | Низкий | Умеренный |
Несоответствие коэффициентов теплового расширения меди (17×10⁻⁶/K) и алюминия (23,1×10⁻⁶/K) создает термическое напряжение на границе раздела соединений во время циклического изменения температуры. Для приложений, которые испытывают большие или быстрые перепады температуры — подложки силовой электроники, соединения аккумуляторов электромобилей и наружное электрооборудование — это несоответствие КТР необходимо учитывать при проектировании. Тонкие медные плакирующие слои на более толстых алюминиевых подложках уменьшают абсолютную величину дифференциального напряжения расширения, а пластичность обоих металлов позволяет пластически компенсировать некоторую несоответствующую деформацию. Тем не менее, циклическая усталость на границе раздела остается основным видом долговременного отказа композитов Cu-Al в термически требовательных условиях, а прогноз срока службы требует понимания амплитуды, частоты и частоты термического цикла и геометрии слоя композита, специфичной для конкретного применения.
Композитные материалы Cu-Al нашли свое наиболее значительное промышленное применение в передаче электроэнергии, аккумуляторных технологиях, теплообменниках и корпусе электроники — секторах, где сочетание высокой проводимости, уменьшенного веса и экономической эффективности создает привлекательные ценностные предложения, с которыми не могут сравниться только чистая медь или алюминий.
Алюминиевый провод с медным покрытием (CCA) состоит из алюминиевой жилы с непрерывным медным внешним слоем, обычно занимающим 10–15% площади поперечного сечения. Для высокочастотных применений — коаксиальных кабелей, радиочастотных линий передачи и сигнальных кабелей с частотой выше примерно 5 МГц — скин-эффект ограничивает поток тока внешним медным слоем, что делает алюминиевый сердечник электрически прозрачным. Проволока CCA обеспечивает те же высокочастотные электрические характеристики, что и сплошная медная проволока, при весе примерно 40% и стоимости материала 50–60%. Это делает его доминирующим выбором проводников в коаксиальном кабеле для распределения кабельного телевидения, прокладки спутниковых тарелок и антенных кабелей во всем мире. Для приложений с частотой сети (50/60 Гц) алюминиевый сердечник вносит значительный вклад в пропускную способность по току, а силовые кабели CCA достигают примерно 75–80 % от текущей мощности цельного медного кабеля эквивалентного диаметра при примерно 45 % веса — убедительный компромисс для проводки в зданиях, автомобильных жгутов и воздушных распределительных устройств, где вес и прокладка кабелей имеют значение.
В литий-ионных аккумуляторных элементах электромобилей используются два разных материала клемм: алюминий для положительной клеммы и никелированная сталь или чистый никель для отрицательной клеммы в стандартных конструкциях. Для последовательного или параллельного подключения этих разнородных клемм через шины или выводы требуются либо отдельные проводники для каждого типа клемм, либо композитный материал, который является переходным элементом между алюминием и медью/никелем в одном компоненте. Алюминиевые пластины с медным покрытием и биметаллические переходные планки все чаще используются при сборке аккумуляторных модулей для упрощения конструкции межсоединений — алюминиевая поверхность прикрепляется к алюминиевой положительной клемме с помощью ультразвуковой сварки, а медная поверхность обеспечивает поверхность соединения, поддающуюся пайке, сварке или болтовому соединению, совместимую с медными шинами. Это устраняет риск гальванической коррозии, который возникает, когда медное оборудование крепится болтами непосредственно к алюминиевым клеммам элемента без переходного материала.
Copper-clad aluminum busbars are a direct weight and cost reduction strategy for large electrical installations — data centers, industrial switchgear, power distribution boards, and renewable energy inverter systems — where copper busbar weight and material cost are significant factors in the total installation budget. Шина CCA с 10–20% меди по площади поперечного сечения обеспечивает примерно 80–85% токопроводящей способности шины из чистой меди эквивалентного размера при примерно 45–50% веса и 55–65% стоимости материала при типичной разнице цен на медь и алюминий. Медная поверхность обеспечивает полную совместимость со стандартными методами подготовки медных соединений — лужением, серебрением или болтовыми соединениями из голой меди — без использования специального герметика, тарельчатых шайб и требований к проверке, связанных с соединениями алюминия с медью в электротехнических нормах.
В автомобильных теплообменниках и теплообменниках для систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха сочетание низкой плотности алюминия и коррозионной стойкости с превосходной теплопроводностью меди вызывает интерес к композитным ребристым и трубчатым конструкциям Cu-Al. Паяные алюминиевые теплообменники доминируют в современных автомобильных кондиционерах и системах охлаждения масла благодаря их легкому весу и развитой производственной инфраструктуре. Конструкции алюминиевых теплообменников с медными вставками или медной облицовкой используются в приложениях, где разница в тепловых характеристиках между алюминием и медью значительна — некоторые охлаждающие пластины электроники, подложки силовых модулей и радиаторы с высоким потоком — и где потеря веса из чистой меди неприемлема. Медные микроканалы или медные вставки в алюминиевой конструкции корпуса могут улучшить локальное распространение тепла, сохраняя при этом общий вес сборки близкий к полностью алюминиевой конструкции.
Гальваническая коррозия является наиболее серьезной проблемой надежности при работе с композитными материалами Cu-Al в условиях эксплуатации, в которых присутствует влажность или конденсат. В морской воде медь и алюминий разделены примерно 0,5–0,7 В в гальваническом ряду, что делает алюминий сильно анодным по отношению к меди. Когда оба металла находятся в электрическом контакте и смачиваются электролитом (даже атмосферным конденсатом с растворенными промышленными загрязнителями), алюминий действует как жертвенный анод и корродирует преимущественно в зоне контакта. Эта коррозия приводит к образованию отложений оксида и гидроксида алюминия, которые увеличивают контактное сопротивление, создают напряжение расширения в соединении и в конечном итоге вызывают механический и электрический отказ соединения.
В хорошо изготовленных композитах Cu-Al, где граница соединения металлургически непрерывна, а алюминий полностью герметизирован медной оболочкой, гальваническая пара эффективно подавляется, поскольку алюминиевая поверхность не подвергается воздействию окружающей среды. Риск возникает на кромках реза, обработанных поверхностях и в местах выводов, где обнажен алюминиевый сердечник. Передовая практика использования композитных компонентов Cu-Al в агрессивных средах включает лужение или посеребрение всех открытых кромок и областей выводов, нанесение соединительного состава на интерфейсы болтовых соединений, поддержание защиты корпуса по классу IP для предотвращения попадания влаги и использование совместимых крепежных и аппаратных материалов (нержавеющая сталь или луженая медь, а не голая сталь).
При повышенных температурах выше примерно 200°C медь и алюминий взаимно диффундируют через границу раздела с образованием интерметаллических соединений — в первую очередь CuAl₂ (θ-фаза) и Cu₉Al₄ (γ-фаза). Эти интерметаллиды хрупкие, имеют плохую электропроводность по сравнению с чистыми металлами и непрерывно растут со скоростью, возрастающей с повышением температуры. В рулонных лентах CCA, изготовленных и используемых при температуре окружающей среды, рост интерметаллидов в течение срока службы продукта незначителен. В приложениях, связанных с устойчивыми высокими температурами (процессы оплавления припоем для сборки электроники, сильноточные соединения, которые нагреваются при эксплуатации, или обработка отжигом, применяемая после формирования композита), интерметаллический рост необходимо тщательно контролировать. Определение максимальной температуры и продолжительности процесса, а также проверка толщины интерметаллического слоя с помощью металлографического исследования поперечного сечения являются стандартной практикой обеспечения качества для компонентов из композитных материалов Cu-Al, работающих при высоких температурах.
Композитные материалы Cu-Al можно обрабатывать с помощью большинства стандартных операций металлообработки, но наличие двух механически разных слоев требует внимания к инструментам, параметрам резания и методам соединения, чтобы избежать расслоения, преимущественного удаления материала или разрушения соединения.
Лента CCA, склеенная рулоном, может быть разрезана путем резки, штамповки и лазерной резки с использованием стандартных инструментов, при этом основное внимание уделяется тому, что медь и алюминий имеют разные пределы текучести и скорости наклепа. Острый инструмент необходим для получения чистых кромок реза без заусенцев и расслоений на границе раздела. При прогрессивной штамповке — стандартном процессе производства аккумуляторных вкладок и разъемов в больших объемах — зазор матрицы должен быть оптимизирован для композитного пакета, а не для каждого отдельного слоя. Операции гибки и формовки должны учитывать различное упругое поведение меди и алюминия, что может привести к изгибу композитной полосы в сторону меди после освобождения от гибочного инструмента, если нейтральная ось не находится в геометрическом центре композитного поперечного сечения.
Соединение композитов Cu-Al между собой или с другими компонентами требует тщательного выбора метода, чтобы избежать образования хрупких интерметаллидов, которое происходит при обычной сварке плавлением. Предпочтительными методами являются:
Заказ композитного материала Cu-Al без полной спецификации является одной из наиболее распространенных причин проблем с производительностью и несогласованности действий поставщиков в проектах, в которых эти материалы используются впервые. Спецификация должна выходить за рамки номинальных размеров, чтобы отразить качество интерфейса, допуски по толщине слоя и тесты по проверке производительности, которые определяют соответствие композита назначению.
Работа с поставщиком, который предоставляет сертификаты материалов, включая химический состав, результаты механических испытаний, измерения электропроводности и данные о качестве интерфейса соединения для каждой производственной партии, позволяет эффективно осуществлять входной контроль качества и обеспечивает документацию по отслеживанию, необходимую для приложений в автомобильной, аэрокосмической и регулируемой энергетической инфраструктуре. Дополнительные усилия по предварительной разработке полной спецификации и программы квалификации последовательно окупаются за счет сокращения сбоев на местах, гарантийных претензий и споров о спецификациях по поводу срока службы продукта.
Апплет
Колл-центр:
Tel:+86-0512-63263955
Email :[email protected]
Авторское право © Goode EIS (Сучжоу) Corp LTD
Изоляционные композиционные материалы и детали для экологически чистой энергетики
cn