Connaissances de l'industrie du cuivre : Introduction aux matériaux composites à base de cuivre hautes performances
Le cuivre et les alliages de cuivre ont de bonnes propriétés mécaniques et d'excellentes performances de traitement. Ils sont faciles à couler et à traiter. Plus important encore, le cuivre et les alliages de cuivre ont une bonne résistance à la corrosion, une bonne conductivité thermique et une bonne conductivité électrique, de sorte qu'ils peuvent être largement utilisés dans la fabrication électronique et électrique, mécanique et d'autres domaines industriels. Cependant, la résistance à température ambiante, les performances à haute température et les performances à l'usure du cuivre sont insuffisantes, ce qui limite son application plus large. Avec le développement rapide de la technologie aérospatiale et électronique moderne, des exigences de plus en plus élevées sont mises en avant pour l'utilisation du cuivre, c'est-à-dire que sur la base de la garantie de la bonne conductivité électrique, de la conductivité thermique et d'autres propriétés physiques du cuivre, le cuivre doit avoir une résistance élevée, en particulier de bonnes propriétés mécaniques à haute température, et le matériau doit avoir un faible coefficient de dilatation thermique et de bonnes performances de frottement et d'usure. L'investissement total de la première ligne ferroviaire à grande vitesse de mon pays Pékin-Shanghai est d'environ 20 milliards de dollars américains. La construction a commencé en 2008. La demande annuelle de fil de contact est de près de 10 500 tonnes. De toute évidence, la recherche et le développement de fils de contact, c'est-à-dire la recherche et le développement de matériaux fonctionnels en alliage de cuivre à haute résistance, à haute conductivité et à haute résistance à l'usure, ont un grand marché national et étranger. Les électrodes de soudage par résistance, les rouleaux de soudage par points et les cadres de connexion de circuits intégrés nécessitent également des alliages de cuivre à haute résistance et à haute conductivité. Il est difficile de prendre en compte la résistance élevée et la conductivité élevée du cuivre et des alliages de cuivre existants. Par conséquent, en introduisant des méthodes de renforcement composites de phase de renforcement appropriées, en tirant pleinement parti de l'effet synergique de la matrice et de la phase de renforcement fonctionnel, la recherche et le développement de matériaux composites fonctionnels à base de cuivre (alliage) haute performance sont devenus un sujet brûlant dans le monde d'aujourd'hui.
L'alliage de cuivre dit à haute résistance et à haute conductivité désigne généralement un alliage de cuivre dont la résistance à la traction (Gb) est de 2-10 fois celle du cuivre pur (350-2000MPa) et dont la conductivité est de 50 % à 95 % de celle du cuivre, soit 50-95% d'alliage de cuivre IACS. L'indice idéal internationalement reconnu est δb=600-800MPa, et la conductivité est supérieure ou égale à 80 % IACSE. Les principaux domaines d'application des alliages de cuivre à haute résistance et haute conductivité sont les cadres de connexion de circuits intégrés à très grande échelle dans l'industrie de l'information électronique, les contre-mesures électroniques pour la défense nationale et l'industrie militaire, les radars, les tubes micro-ondes militaires de haute puissance, les conducteurs de champ magnétique à impulsion élevée, les équipements nucléaires et les lanceurs, les câbles aériens pour le transport ferroviaire à grande vitesse, les barres et bagues d'extrémité de moteur de traction asynchrone à régulation de vitesse modulée en fréquence de haute puissance de 300-1250Kw, les têtes d'électrodes de soudage par résistance pour l'industrie automobile, les cristallisoirs de machines de coulée continue pour l'industrie métallurgique, les dispositifs à vide électriques et les ponts de contact de commutation pour l'électrotechnique, etc. Par conséquent, ce type de matériau a de larges perspectives d'application dans de nombreux domaines de haute technologie.
Introduction aux matériaux composites à base de cuivre hautes performances - classification :
1. Matériaux composites à base de cuivre renforcés par des particules
Le renforcement est principalement constitué de carbure de silicium et d'oxyde d'aluminium, et il y a également une petite quantité de particules d'oxyde de titane et de borure de titane (la taille des particules est généralement d'environ 10 μm). Les moustaches ont non seulement des propriétés mécaniques supérieures en elles-mêmes, mais ont également un certain rapport hauteur/largeur, de sorte qu'elles ont un effet de renforcement plus important sur la matrice métallique que les particules. Les moustaches sont couramment utilisées en carbure de silicium et en borate d'aluminium. Le processus d'alliage peut préparer des matériaux composites à base de cuivre renforcés par dispersion d'oxyde et par dispersion de carbure.
2. Matériaux composites à base de cuivre renforcés de fibres
Les composites à base de cuivre ou d'alliages de cuivre et de fibres métalliques ou non métalliques conservent non seulement la conductivité électrique et la conductivité thermique élevées du cuivre, mais présentent également une résistance élevée et une résistance aux températures élevées. Lors de la fabrication de tels matériaux composites à base de cuivre, on utilise à la fois des fibres longues et des fibres courtes. Les matériaux composites à base de cuivre et de fibres de carbone présentent les caractéristiques de bonne conductivité thermique et de conductivité électrique du cuivre, ainsi que d'autolubrification, de résistance à l'usure et de faible coefficient de dilatation thermique de la fibre de carbone, de sorte qu'ils sont utilisés dans les matériaux de contact électrique coulissant, les balais, les électrodes de support de semi-conducteurs de puissance, les dissipateurs thermiques de circuits intégrés, etc. Un autre exemple d'application des matériaux composites à base de cuivre et de fibres de carbone dans la production industrielle est le curseur du pantographe électrique des tramways et les parties vulnérables des tramways à curseur et des locomotives électriques. Des curseurs métalliques ont été utilisés au début, et des curseurs en carbone sont utilisés à l'heure actuelle, mais les deux présentent des défauts. Après avoir utilisé des matériaux composites en fibre de carbone et cuivre, la résistance de contact est réduite, la surchauffe est évitée et la résistance et le courant de surcharge sont améliorés en même temps, et il présente une excellente lubrification et résistance à l'usure.
3. Alliage de cuivre micro-composite haute performance
Les matériaux en alliage de cuivre micro-composite hautes performances ont été découverts dans les années 1970 lors de l'étude des matériaux supraconducteurs. En 1978, Bark et al. de l'Université Harvard aux États-Unis ont proposé pour la première fois le concept d'alliage Cu-X hautes performances, alliage binaire Cu-X, X comprenant des métaux réfractaires W, Mo, Nb, Ta et Cr, Fe, V et d'autres éléments. Après forgeage, étirage ou laminage, le métal X est réparti dans le sens de la déformation sous forme de fil ou de ruban pour former un matériau micro-composite. Ce matériau en alliage de cuivre micro-composite se caractérise par une résistance ultra-élevée (la résistance à la traction la plus élevée peut atteindre plus de 2000 MPa), une conductivité électrique pouvant atteindre 82 % IACS, une bonne résistance à la chaleur, une structure micro-composite et une orientation des grains. En plus d'être utilisé comme électrodes de soudage par points, ce matériau peut également être utilisé comme hélice et échangeur de chaleur. Par rapport aux matériaux en alliage de cuivre traditionnels, il contient plus d'éléments d'alliage au total, mais moins de types d'éléments d'alliage. L'alliage Cu-X a attiré l'attention du public grâce à sa résistance ultra-élevée, sa conductivité électrique élevée et sa bonne résistance à la chaleur. À l'heure actuelle, l'Université de l'Iowa, le Département des matériaux de l'Université Harvard, le Laboratoire AMES, l'Institut de technologie du Michigan et l'Université du Zhejiang en Chine ont effectué de nombreuses recherches à ce sujet, mais il reste encore de nombreux problèmes d'application théoriques et pratiques à résoudre.
Introduction aux matériaux composites à base de cuivre à haute résistance et haute conductivité - méthodes de préparation :
1. Méthode de métallurgie des poudres
La métallurgie des poudres a été initialement développée pour la préparation de matériaux composites à base de métal renforcés par des particules, comprenant généralement le mélange de poudre, le compactage, le dégazage, le frittage et d'autres processus. La métallurgie des poudres est un procédé de formage quasi net avec une utilisation élevée des matériaux, qui peut éliminer la ségrégation organisationnelle et des composants, et la taille des particules et la fraction volumique de la phase de renforcement des particules peuvent être ajustées dans une large plage. Cette méthode est le principal moyen de production de pièces structurelles, de matériaux de friction et de matériaux à haute conductivité dans les composites à base de cuivre. En raison de la faible mouillabilité du cuivre et de la plupart des particules de renforcement en céramique et de la grande différence de densité, il est facile de produire une agrégation de renforcement lors de la préparation de matériaux composites par voie liquide, ce qui entraîne une distribution inégale de la deuxième phase. La métallurgie des poudres peut mélanger la poudre métallique et le renforcement de manière uniforme dans la proportion requise, résolvant ainsi le problème de la distribution du renforcement. Afin d'améliorer la force de liaison de l'interface entre le cuivre et les particules de renforcement, le dépôt chimique et d'autres méthodes sont généralement utilisés pour revêtir la surface des particules de renforcement avec des revêtements métalliques tels que Cu et Ni, puis les particules sont mélangées uniformément avec de la poudre de cuivre pour obtenir des matériaux composites en utilisant la métallurgie des poudres [11]. Étant donné que les particules de renforcement sont réparties plus uniformément dans le métal de la matrice après avoir été revêtues de revêtements métalliques, le contact direct entre les matériaux de renforcement est réduit et l'effet de renforcement est exercé plus efficacement. En même temps, en revêtant avec différents métaux, la structure de l'interface peut être améliorée, la force de liaison de l'interface peut être renforcée et les performances globales du matériau composite peuvent être améliorées.
2. Méthode de moulage composite
La coulée est la méthode préférée pour la production industrielle de masse. Cependant, après la coulée, il existe généralement un processus de déformation auxiliaire pour ce matériau composite. L'effet de renforcement de la déformation sera invalidé en raison de la recristallisation du métal déformé à froid. Étant donné que la température de recristallisation de la plupart des métaux n'est que d'environ 40 % de leur point de fusion, la résistance à haute température du matériau obtenu par coulée est relativement faible. Le procédé de coulée composite a été proposé par MC Flemings et al. du Massachusetts Institute of Technology. Cette méthode offre une bonne solution à la ségrégation de la phase de renforcement, un processus de production simple et s'adapte à la tendance de la production industrielle à grande échelle de matériaux composites, avec de grands avantages de développement. Cependant, en raison de la viscosité élevée de la masse fondue, la coulée composite n'est pas propice à la décharge de gaz et d'inclusions, de sorte qu'il y a souvent des pores et des inclusions dans le matériau préparé ; en outre, cette méthode est également difficile à contrôler la température.
3. Méthode d'oxydation interne
La méthode d'oxydation interne est l'une des méthodes les plus couramment utilisées pour la préparation de matériaux composites à base de cuivre. Elle permet d'obtenir des particules fines dispersées uniformément et de contrôler avec précision le nombre de phases de renforcement. L'application typique de ce procédé est la préparation de matériaux composites à base de cuivre renforcés par dispersion Cu-A1203. Dans ce procédé, une petite quantité d'aluminium, un élément d'alliage qui est dissous solidement dans le cuivre mais a une plus grande tendance à former des oxydes que le cuivre, est ajoutée au cuivre pour fabriquer une poudre d'alliage cuivre-aluminium. L'oxygène est diffusé de la surface de la poudre vers l'intérieur, de sorte que la poudre atomisée de l'alliage subit une oxydation interne à haute température et dans une atmosphère d'oxygène, et l'aluminium est converti en oxyde d'aluminium. Ensuite, le cuivre oxydé est réduit dans une atmosphère d'hydrogène, mais l'oxyde d'aluminium ne peut pas être réduit, et une poudre mixte de cuivre et d'oxyde d'aluminium est fabriquée, puis frittée sous une certaine pression. La technologie de formage et de durcissement du Cu-A1203 fabriqué par la méthode d'oxydation interne pose certains problèmes. Il est extrêmement difficile de fritter de la poudre, le processus est compliqué et le coût est élevé. Les inconvénients de la méthode d'oxydation interne sont que le processus est compliqué, de nombreux facteurs affectent le processus de préparation, la qualité du matériau est difficile à contrôler et le coût de production est élevé, ce qui limite considérablement l'application de ce processus.
4. Méthode in situ du métal liquide
Français La méthode de réaction in situ du métal liquide est l'une des nouvelles technologies de préparation des matériaux composites à base de cuivre qui a été développée ces dernières années. Lee et al. ont été les premiers à préparer avec succès des matériaux composites TiB2/Cu. Cette méthode agite et mélange complètement deux ou plusieurs liquides d'alliage et produit des renforts à l'échelle nanométrique uniformément dispersés par des réactions chimiques. La conductivité du matériau composite à base de Cu contenant 5vol1% de TiB2 était de 76% IACS. Chrysanthou et al. ont ajouté du noir de carbone, du noir de carbone B203 ou du noir de carbone W à la solution Cu-Ti respectivement, et ont réagi pour générer des particules fines et uniformément réparties de TiC, TiB2 et WC in situ pour renforcer le matériau composite à base de cuivre. Étant donné que le renfort du composite préparé par ce procédé n'a pas de contamination d'interface et a une bonne compatibilité d'interface avec la matrice, il a une conductivité et une résistance mécanique supérieures à celles des matériaux composites traditionnels.
5. Méthode de solidification rapide
En raison de la vitesse de refroidissement rapide, de la surfusion initiale importante et du taux de croissance élevé pendant le processus de solidification, la méthode de solidification rapide provoque une déviation de l'interface solide-liquide de l'équilibre, présentant ainsi une série de caractéristiques organisationnelles et structurelles différentes des alliages conventionnels. La méthode de solidification rapide présente les caractéristiques suivantes pour la préparation de matériaux composites à base de cuivre :
(1) La solubilité solide de l’élément d’alliage cuivre est considérablement augmentée ;
(2) Les grains sont grandement raffinés ;
(3) La microségrégation des composants chimiques est considérablement réduite ;
(4) La densité des défauts cristallins est considérablement augmentée ;
(5) Une nouvelle structure de phase métastable est formée ;
(6) Après le traitement de vieillissement, la teneur de la deuxième phase dans la matrice de cuivre est augmentée et le degré de dispersion est augmenté.
Avec une légère diminution de la conductivité, la résistance de l'alliage est considérablement améliorée et la résistance à l'usure et à la corrosion de l'alliage est améliorée. La technologie de solidification rapide a ouvert un nouveau domaine pour la préparation de matériaux composites à base de cuivre à haute résistance et à haute conductivité. À l'avenir, l'objectif de recherche sur la préparation par solidification rapide de matériaux composites à base de cuivre à haute résistance et à haute conductivité sera d'optimiser la composition du matériau, les paramètres cinétiques de solidification et le processus de vieillissement grâce à l'analyse du processus de solidification et du processus de vieillissement, et d'améliorer la microstructure et les performances.
6. Méthode d'alliage mécanique
L'alliage mécanique utilise un broyeur à boulets à haute énergie pour mélanger de la poudre métallique ou des particules de céramique dans une certaine proportion, et les broie à plusieurs reprises. La poudre composite subit des processus répétés de déformation, de soudage à froid, de broyage, de ressoudage et de re-broyage, qui peuvent affiner les grains au niveau nanométrique et avoir une grande activité de surface [17]. En raison de l'introduction d'un grand nombre de défauts de distorsion, la capacité de diffusion mutuelle est améliorée et l'énergie d'activation est réduite, ce qui rend le processus d'alliage différent du processus à l'état solide ordinaire. Par conséquent, il est possible de préparer de nombreux nouveaux matériaux difficiles à synthétiser dans des conditions conventionnelles. L'inconvénient de l'alliage mécanique pour préparer des matériaux composites à base de cuivre est que des éléments d'impureté sont facilement introduits pendant le processus de broyage à boulets, ce qui réduit les propriétés du matériau, en particulier la conductivité. Dans le même temps, l'efficacité de la production est faible en raison du long temps de broyage à boulets.
