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铜及其合金的应用和研究现状
论文作者:童鞋论文网  论文来源:www.txlunwenw.com  发布时间:2019/3/7 9:04:34  

摘要:本文对铜及其合金的国内外应用以及铜及其合金的国内外研究现状进行了深入梳理与探讨,其中研究现状包括导热性、导电性、力学性能、耐蚀性、摩擦磨损等几个方面的内容。

关键词:铜 合金 研究现状

1铜及其合金的国内外应用

铜是一种与人们生产生活息息相关并且应用十分广泛的基础金属材料。其实,早在人类文明早期就因为铜器的使用而开启了新的文明时期-青铜器时代。尽管随着铁器时代的到来,铜的使用不再如此前一般广泛,但它仍然占据着人类生产生活重要位置(如货币,饰品等等)。随后,工业革命和电气时代的到来为铜工业的发展和应用带来了新的春天,铜的应用得到了前所未有的大发展。电子与信息时代的到来带来了一个全新的时代,人们希望能够更多的发掘各种传统材料潜在性能以及研发新的特种材料以适应现有的新的产业需求,因此铜产业也在面临一场新的产业调整和新的升级。

铜具有优异的导电、导热、耐磨和耐蚀性,并且强度适中,也具有很好的机械延展性。而且,其优异的导电和导热性能仅次于金属银而优于其它所有金属,但本身价格却比银低很多,是非常理想的导电导热材料;另外相比普通钢铁的耐磨性,铜的耐磨性要更胜一筹;除此之外,其部分合金具有非常好的耐磨性、弹性和独特的耐菌性;丰富多彩的色泽使其在装饰领域的应用也无可替代。如图1-1[2]所示为国内铜的消费结构图,相比其在电力工业领域的广泛应用,铜及其合金在机电制造业领域的应用是整个铜消费的第二大分布(约占15%左右),主要用于各种电机、电控仪器仪表齿轮、轴承等机电产品上。据调查研究发现,由于铜及其合金具有优异的耐磨性能,其在耐磨件中的使用同样瞩目,如汽车同步器齿环、高铁线夹、整流子、集电环、液压泵摩擦副等等(图1-2,1-3)[5]。

2铜及其合金的国内外研究现状

2.1铜及其合金的导热、导电性研究现状

作为良好的导热导电导电材料之一,铜及其合金一直以来都是热交换和高导电材料的首选对象。散热是目前所有机械和电器设备都会遇到的问题,合理选择散热材料不仅是现有社会发展的急切需求也是科研工作亟待解决的问题。目前常用散热片材质多为铜和铝合金,尽管铝合金在价格、轻便程度等方面较铜有优势,但其导热性能明显较铜差,目前铜及其合金依然占据着导热材料市场的中高端地位。

目前以于学斌、赵越超和崔展宁等人为代表的一批科研工作者已经在铜基材料的导热、导电性研究上取得了一定的较为可观的成果[7]。研制高导铜一直是铜合金研究的一个热点,在众多特殊领域都有很高的需求,如高脉冲磁场环境等[8]。作为一种综合性能非常好的功能性材料,高导铜材料也已被广泛的应用于各行各业中。尽管国内对高导铜的研究已经历了很长一段时间,但不可否认的是国外相关研究已经达到一个非常高的水平,早在20世纪70年代,Beck等人就开始了有关高导铜的研究[9]。而国内有关高导铜的相关研究最先开始于90年代到2000年左右[10, 11],相比国外已经将高导铜广泛应用于实际生产中,国内相关科研任务依然艰巨[12]。

2.2铜及其合金的力学性能研究现状

铜同时还具有良好的力学性能,因此被广泛的应用于日用五金、机械制造等领域。近年来,随着经济和科学技术的飞速发展进步,有关铜及其合金力学性能的研究也进入了飞速发展期[13]。

其中为有效提高铜制构件的抗疲劳失效的能力,国内外学者针对铜及其合金的疲劳断裂机理及优化工艺做了详细地研究。R. Liu和ZJ Zhang等人[14, 15]就Cu-Al合金在超低周疲劳条件下的断裂机理及疲劳性能改善工艺进行了探究并据此提出了新的疲劳寿命预测模型。为更好的了解铜及其合金的脆性机理,王荣滨等人[16]就QA19-4铝铁青铜的脆性分析和强化处理做了相关研究,研究发现通过合理的热处理工艺能够有效消除材料脆性并能提高材料的硬度和强韧度。黄晓旭等人[17]从微观晶体学角度入手,就单晶铜与多晶铜塑性变形间的相关性做了研究。研究发现多晶铜的变形机制可分为三种。Flemming G 和Deardo A J等人[18, 19]的研究发现不同的强化工艺不仅能影响其力学性能,也可能会改变铜及其合金的其他性能,因此在加工过程中需妥善选择处理工艺。

2.3铜及其合金的耐蚀性研究现状

金属在环境介质作用下,由于化学、电化学及物理作用下产生腐蚀破坏,致使金属使用寿命大为缩减,并带来大量的经济损失和严重的环境污染[20]。尽管相比其他铜及其合金具有较好的耐蚀性,但随着生产的发展,对各材料性能的要求也提出了更高的要求,因此对于改善铜及其合金的耐蚀性方面的研究也是科学研究的关注点之一。

铜及其合金的耐蚀性研究一直都是国内外科学研究者的关注方向,并且有关铜及其合金耐蚀性研究已经取得了较为显著的成果。国外相关研究早在二十世纪三十年代开始了相关课题的研究[21]。Brusic V等人[22]早在1991年已就铜的腐蚀性机理做了较为系统的概述。Grant Skennerton等人[23]在2000年左右就铜在真空环境下的耐蚀性进行了比较研究,相关研究发现真空环境对于铜材料的耐蚀性改善具有很大的帮助。尽管国内铜耐蚀性研究尽管起步较晚,但得益于我过科研工作者的不懈努力同样取得了一些不错的成绩。于焕杰等人[24]研究发现Cu-9S-5超疏水膜的存在能够很有效的提高材料本身的耐蚀性。而刘启承[25]等人则研究了不同添加剂对酸性镀铜的耐蚀性进行了非常系统的研究,研究发现不同的添加剂能够在不同程度上改善酸性镀铜的耐蚀性,这对于通过添加缓蚀剂延缓铜腐蚀的研究具有重要意义。

2.4铜及其合金的摩擦磨损研究现状

由于摩擦学作为一个涉及多学科多领域的综合性边缘交叉学科,并且在摩擦过程中包括温度、湿度、空气等在内的外界环境条件及润滑添加剂、对磨材料、负载大小、滑动速度,滑动轨迹等在内的多个内部因素都会对摩擦磨损性能产生影响[26-29]。由于目前铜制件使用广泛且具有很好的耐磨性,因此铜及其合金的摩擦磨损性能研究一直以来都是材料摩擦学研究的重要领域之一。目前有关铜及其合金的摩擦学研究多集中在摩擦机理探究、耐提高磨性的新工艺以及微观摩擦这几个方面。在润滑机理方面V. Perfilyev等人[30]发现,在润滑条件下的铜锌合金通常会表现出弹性流体动压润滑摩擦、混合润滑摩擦和边界润滑摩擦三种完全不同的摩擦结果。而Alexey Moshkovich等人[31]的研究发现,不同的润滑条件及润滑添加剂都会对铜锌合金合金最终的摩擦磨损行为产生影响。为了提高铜及其铜合金的耐磨性,国内以韩忠[32, 33]为代表的一系列国内研究者研究者们已经在致力于通过其他处理工艺和方法提高材料本身的耐磨性能。其中韩忠,姚斌等人就人为制备纳米晶粒铜的摩擦磨损性能做了研究,结果发现在一定尺寸范围内,铜的晶体越小耐磨性越好,但超出这个范围这一结论就不再适用了。近些年随着新的微观测量技术及相关测量仪器的出现,为铜及其合金的研究开辟了一个全新的研究方向。其中德国Karlsruhe[34]应用材料研究所利用放射性核素技术及原位显微技术设计了一种能够实现对磨损形貌及磨损率实时精确测量的摩擦磨损试验机,L. Liu和D. Martin等人[35]基于此试验机及透射显微技术研究了铜锌合金在润滑条件下合金内部位错运动在摩擦诱导晶粒细化过程中的作用。而段启强,张辉等人[36]就利用扫描电镜及其通道衬度技术探究了单晶铜与多晶铜的在摩擦磨损中驻留滑移带与境界和孪晶界的交互作用,研究发现孪晶的形成与交互作用对于改善铜的耐磨性有很好的作用。从上述有关铜及其合金的摩擦磨损国内外研究现状中可以看到,目前对于如何探究和改善铜及其合金的摩擦学研究已经做了许多工作并取得了一定成果。

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