Vật liệu composite Cu-Al - vật liệu tổng hợp nhôm đồng - là vật liệu nhiều lớp hoặc hỗn hợp liên kết đồng và nhôm với nhau thành một đơn vị cấu trúc duy nhất, kết hợp có chủ ý các điểm mạnh của cả hai kim loại đồng thời giảm thiểu các điểm yếu riêng lẻ của từng kim loại. Đồng có tính dẫn điện vượt trội (59,6×10⁶ S/m), độ dẫn nhiệt cao (385 W/m·K), khả năng chống ăn mòn tuyệt vời và khả năng hàn đáng tin cậy. Nhôm có mật độ thấp (2,7 g/cm³ so với 8,96 g/cm³ của đồng), tỷ lệ cường độ trên trọng lượng cao, hiệu suất ăn mòn tốt trong không khí và chi phí nguyên liệu thô thấp hơn đáng kể. Khi sử dụng riêng lẻ, mỗi kim loại đều có những hạn chế rõ ràng đối với các ứng dụng đòi hỏi khắt khe. Được sử dụng cùng nhau trong một hỗn hợp được thiết kế tốt, chúng mang lại sự kết hợp hiệu suất mà không vật liệu nào có thể đạt được một cách độc lập.
Thách thức kỹ thuật cơ bản mà vật liệu composite nhôm đồng giải quyết là xung đột giữa các yêu cầu về hiệu suất điện hoặc nhiệt và các hạn chế về trọng lượng hoặc chi phí. Ví dụ, trong các thanh cái truyền tải điện, đồng nguyên chất mang lại độ dẫn điện tuyệt vời nhưng làm tăng thêm trọng lượng và chi phí đáng kể cho việc lắp đặt các thiết bị đóng cắt lớn. Thanh cái bằng nhôm nguyên chất giúp giảm trọng lượng và chi phí nhưng có độ dẫn điện thấp hơn và yêu cầu chuẩn bị mối nối đặc biệt để quản lý lớp bề mặt oxit nhôm cách điện. Thanh cái nhôm mạ đồng (CCA) — lõi nhôm có lớp phủ đồng trên tất cả các bề mặt — mang lại độ dẫn điện gần bằng đồng ở nơi quan trọng nhất (ở bề mặt, nơi dòng điện xoay chiều tập trung do hiệu ứng bề mặt), với lợi thế về trọng lượng và chi phí của nhôm trong mặt cắt ngang lớn.
Vật liệu composite Cu-Al không phải là một loại sản phẩm đơn lẻ mà là một nhóm kiến trúc vật liệu bao gồm các dải lưỡng kim liên kết dạng cuộn, các tấm hàn nổ, các cấu hình đồng đùn, các vật liệu tổng hợp luyện kim bột và các cấu trúc đồng trên nhôm được mạ điện. Mỗi phương pháp sản xuất tạo ra chất lượng giao diện, tỷ lệ độ dày lớp và đặc tính cơ học khác nhau phù hợp với các yêu cầu ứng dụng cụ thể. Hiểu kiến trúc tổng hợp nào phù hợp cho một trường hợp sử dụng nhất định là bước đầu tiên và quan trọng nhất để áp dụng thành công các vật liệu này.
Giao diện liên kết giữa đồng và nhôm là đặc điểm cấu trúc xác định của bất kỳ hỗn hợp Cu-Al nào. Đồng và nhôm có cấu trúc tinh thể, hệ số giãn nở nhiệt và điểm nóng chảy rất khác nhau, điều đó có nghĩa là việc tạo ra liên kết không có khoảng trống, âm thanh luyện kim giữa chúng đòi hỏi các điều kiện quy trình được kiểm soát cẩn thận. Mỗi phương pháp sản xuất đạt được liên kết này thông qua một cơ chế vật lý khác nhau, tạo ra các bề mặt có độ bền, tính liên tục và đặc tính hình thành hợp chất liên kim loại khác nhau.
Liên kết cuộn là quy trình được sử dụng rộng rãi nhất để sản xuất dải và tấm nhôm mạ đồng. Các lớp đồng và nhôm được chuẩn bị bề mặt bằng cách chải dây hoặc khắc hóa học để loại bỏ màng oxit và chất bẩn, sau đó được ép lại với nhau dưới áp suất máy cán cao - thường đạt được mức giảm độ dày 50–70% trong một lần chạy. Áp suất làm cho các cạnh trên cả hai bề mặt biến dạng dẻo và khóa vào nhau, tạo ra tiếp xúc ở cấp độ nguyên tử và liên kết khuếch tán trạng thái rắn mà không làm nóng chảy cả hai vật liệu. Liên kết thu được là liên tục về mặt luyện kim và không có các pha liên kim loại Cu-Al giòn (CuAl₂, Cu₉Al₄) hình thành khi đồng và nhôm được nối với nhau ở nhiệt độ cao. Dải CCA liên kết cuộn được sản xuất ở dạng cuộn liên tục và là nguyên liệu chính cho dây nhôm mạ đồng, dải thanh cái và vật liệu tab pin được sử dụng trong sản xuất số lượng lớn.
Hàn nổ sử dụng năng lượng của một vụ nổ có kiểm soát để đẩy các tấm đồng và nhôm lại với nhau ở tốc độ cực cao - thường là 200–500 m/s - tạo ra áp suất va chạm trong phạm vi gigapascal tạo ra tia nhựa ở bề mặt phân cách và quét sạch màng oxit ngay lập tức. Kết quả là tạo ra một liên kết lượn sóng, khóa chặt về mặt cơ học với độ bền cắt thường vượt quá độ bền cắt của kim loại cơ bản mềm hơn. Các mối nối chuyển tiếp Cu-Al hàn nổ được sử dụng đặc biệt trong các ứng dụng cần liên kết các tấm dày và nơi mối nối sẽ chịu tải trọng cơ học cao - các kết nối thanh cái nhôm trong tàu hải quân, các mối nối chuyển tiếp giữa đường ống đồng và nhôm trong hệ thống đông lạnh và các tấm chuyển tiếp cấu trúc trong thiết bị điện lớn. Quá trình này được giới hạn ở các hình dạng phẳng hoặc cong đơn giản và yêu cầu cơ sở vật chất chuyên dụng, phù hợp cho việc sản xuất khối lượng từ thấp đến trung bình các bộ phận lớn, có giá trị cao thay vì sản xuất dải khối lượng lớn.
Các quy trình đồng đùn tạo thành các cấu hình hỗn hợp Cu-Al bằng cách đùn đồng thời đồng và nhôm thông qua khuôn định hình, liên kết chúng dưới điều kiện nhiệt độ và áp suất cực cao bên trong máy ép đùn. Phương pháp này được sử dụng để tạo ra các mặt cắt ngang phức tạp - chẳng hạn như thanh cái nhôm mạ đồng với tỷ lệ khung hình cụ thể và phân bố độ dày bề mặt bằng đồng - sẽ khó sản xuất hoặc tốn kém bằng cách liên kết cuộn và tạo hình tiếp theo. Các quá trình đúc liên tục cho vật liệu tổng hợp Cu-Al đúc nhôm nóng chảy xung quanh lõi đồng hoặc vật liệu chèn được tạo hình sẵn, với quá trình hóa rắn nhanh chóng sẽ kiểm soát độ dày lớp liên kim loại ở bề mặt liên kết. Kiểm soát quy trình là rất quan trọng vì sự tiếp xúc kéo dài giữa nhôm lỏng và đồng rắn ở nhiệt độ trên khoảng 400°C sẽ thúc đẩy sự phát triển của các lớp liên kim loại giòn làm giảm độ bền của mối nối và độ dẫn điện ở bề mặt tiếp xúc.
Luyện kim bột Vật liệu tổng hợp Cu-Al được sản xuất bằng cách trộn bột đồng và nhôm (hoặc các hạt đồng trong nền nhôm) và hợp nhất chúng bằng cách thiêu kết, ép nóng hoặc thiêu kết plasma tia lửa điện (SPS). Phương pháp này cho phép kiểm soát chính xác thành phần, sự phân bố kích thước hạt và cấu trúc vi mô, tạo ra vật liệu tổng hợp có đặc tính đẳng hướng và khả năng kết hợp các pha gia cố. Những vật liệu này được sử dụng trong các chất nền quản lý nhiệt hiệu suất cao, vật liệu tiếp xúc điện và các thành phần kết cấu hàng không vũ trụ nơi các dạng hỗn hợp tấm hoặc tấm thông thường không phù hợp. Sự lắng đọng điện của đồng trên nền nhôm tạo ra lớp phủ đồng mỏng, có độ đồng đều cao cho các ứng dụng bảng mạch in, tấm chắn EMI và mạ trang trí hoặc chức năng - một họ ứng dụng khác với vật liệu tổng hợp cấu trúc số lượng lớn được sản xuất bằng quy trình cán và hàn.
Các thuộc tính của một Vật liệu tổ hợp Cu-Al phụ thuộc vào ba biến số: tính chất của từng vật liệu cấu thành, tỷ lệ thể tích của từng lớp hoặc pha, chất lượng và hình dạng của bề mặt liên kết. Đối với các vật liệu tổng hợp nhiều lớp như dải nhôm mạ đồng, quy tắc hỗn hợp cung cấp phép tính gần đúng đầu tiên hữu ích cho các đặc tính có tỷ lệ tuyến tính với phần thể tích, chẳng hạn như mật độ và độ dẫn điện. Các thuộc tính phụ thuộc vào tính toàn vẹn của bề mặt - độ bền liên kết kéo, độ bền mỏi và độ bền bong tróc - phải được đo trực tiếp cho từng kiến trúc hỗn hợp và không thể tính toán chỉ từ các đặc tính cấu thành.
| Tài sản | Đồng nguyên chất | Nhôm nguyên chất | Hỗn hợp Cu-Al (15% Cu) |
|---|---|---|---|
| Mật độ (g/cm³) | 8.96 | 2.70 | ~3,63 |
| Độ dẫn điện (% IACS) | 100% | 61% | ~65–75% |
| Độ dẫn nhiệt (W/m·K) | 385 | 205 | ~220–260 |
| Độ bền kéo (MPa) | 210–390 | 70–270 | ~150–300 |
| Hệ số giãn nở nhiệt (×10⁻⁶/K) | 17.0 | 23.1 | ~21–22 |
| Chi phí vật liệu tương đối | Cao | Thấp | Trung bình |
Sự không phù hợp về hệ số giãn nở nhiệt giữa đồng (17×10⁻⁶/K) và nhôm (23,1×10⁻⁶/K) tạo ra ứng suất nhiệt tại bề mặt liên kết trong quá trình luân chuyển nhiệt độ. Đối với các ứng dụng có sự thay đổi nhiệt độ lớn hoặc nhanh - chất nền điện tử công suất, kết nối pin EV và phần cứng điện ngoài trời - sự không phù hợp CTE này phải được tính đến trong thiết kế. Các lớp phủ đồng mỏng trên nền nhôm dày hơn làm giảm cường độ tuyệt đối của ứng suất giãn nở chênh lệch và độ dẻo của cả hai kim loại cho phép nhựa có một số biến dạng không khớp. Tuy nhiên, độ mỏi theo chu kỳ ở bề mặt tiếp xúc vẫn là dạng hư hỏng lâu dài chính đối với vật liệu tổng hợp Cu-Al trong dịch vụ đòi hỏi nhiệt độ và việc dự đoán tuổi thọ đòi hỏi phải hiểu biên độ, tần số và hình dạng lớp tổng hợp cụ thể của chu kỳ nhiệt cho ứng dụng.
Vật liệu composite Cu-Al đã nhận thấy sự phát triển công nghiệp đáng kể nhất trong lĩnh vực truyền tải điện, công nghệ pin, bộ trao đổi nhiệt và đóng gói điện tử - những lĩnh vực mà sự kết hợp giữa độ dẫn điện cao, trọng lượng giảm và hiệu quả chi phí tạo ra các đề xuất giá trị hấp dẫn mà chỉ riêng đồng hoặc nhôm nguyên chất không thể sánh được.
Dây nhôm mạ đồng (CCA) bao gồm lõi nhôm với lớp đồng bên ngoài liên tục, thường chiếm 10–15% diện tích mặt cắt ngang. Đối với các ứng dụng tần số cao — cáp đồng trục, đường truyền RF và cáp tín hiệu trên khoảng 5 MHz — hiệu ứng bề ngoài hạn chế dòng điện đến lớp đồng bên ngoài, làm cho lõi nhôm trong suốt về mặt điện. Dây CCA mang lại hiệu suất điện tần số cao tương tự như dây đồng nguyên khối với trọng lượng khoảng 40% và chi phí vật liệu bằng 50–60% chi phí vật liệu. Điều này làm cho nó trở thành sự lựa chọn dẫn đầu trong cáp đồng trục để phân phối truyền hình cáp, cáp đĩa vệ tinh và đường xuống ăng-ten trên toàn thế giới. Đối với các ứng dụng tần số nguồn (50/60 Hz), lõi nhôm đóng góp đáng kể vào khả năng mang dòng điện và cáp nguồn CCA đạt được khoảng 75–80% công suất hiện tại của cáp đồng nguyên khối có đường kính tương đương với trọng lượng khoảng 45% — một sự cân bằng hấp dẫn cho hệ thống dây điện trong tòa nhà, bộ dây ô tô và các ứng dụng phân phối trên cao, nơi quản lý trọng lượng và cáp là vấn đề quan trọng.
Pin lithium-ion trong các ứng dụng xe điện sử dụng hai vật liệu đầu cuối khác nhau: nhôm cho cực dương và thép mạ niken hoặc niken nguyên chất cho cực âm trong các thiết kế tiêu chuẩn. Việc kết nối các thiết bị đầu cuối khác nhau này nối tiếp hoặc song song thông qua thanh cái hoặc tab yêu cầu dây dẫn riêng cho từng loại thiết bị đầu cuối hoặc vật liệu tổng hợp chuyển đổi giữa nhôm và đồng/niken trong một thành phần duy nhất. Các tab nhôm mạ đồng và dải chuyển tiếp lưỡng kim ngày càng được sử dụng nhiều hơn trong lắp ráp mô-đun pin để đơn giản hóa thiết kế kết nối - mặt nhôm liên kết với cực dương nhôm bằng hàn siêu âm, trong khi mặt đồng cung cấp bề mặt kết nối có thể hàn, hàn hoặc bắt vít tương thích với thanh cái đồng. Điều này giúp loại bỏ nguy cơ ăn mòn điện phát sinh khi phần cứng bằng đồng được bắt vít trực tiếp vào các đầu cuối của tế bào nhôm mà không có vật liệu chuyển tiếp.
Thanh cái bằng nhôm mạ đồng là chiến lược giảm trọng lượng và chi phí trực tiếp cho việc lắp đặt điện lớn — trung tâm dữ liệu, thiết bị chuyển mạch công nghiệp, bảng phân phối điện và hệ thống biến tần năng lượng tái tạo — trong đó trọng lượng thanh cái bằng đồng và chi phí vật liệu là những yếu tố quan trọng trong tổng ngân sách lắp đặt. Thanh cái CCA có 10–20% đồng theo diện tích mặt cắt ngang đạt được khoảng 80–85% khả năng mang dòng của thanh cái bằng đồng nguyên chất có kích thước tương đương, ở mức khoảng 45–50% trọng lượng và 55–65% chi phí vật liệu với chênh lệch giá nhôm-đồng điển hình. Bề mặt đồng cung cấp khả năng tương thích hoàn toàn với các kỹ thuật chuẩn bị mối nối đồng tiêu chuẩn — mạ thiếc, mạ bạc hoặc kết nối bắt vít bằng đồng trần — mà không cần hợp chất nối đặc biệt, vòng đệm Belleville và các yêu cầu kiểm tra liên quan đến kết nối nhôm-đồng trong mã điện.
Trong các bộ trao đổi nhiệt ô tô và HVAC, sự kết hợp giữa mật độ thấp và khả năng chống ăn mòn của nhôm với tính dẫn nhiệt vượt trội của đồng đã thúc đẩy sự quan tâm đến cấu trúc ống và vây composite Cu-Al. Bộ trao đổi nhiệt bằng nhôm hàn thống trị các ứng dụng làm mát dầu và điều hòa không khí ô tô hiện đại do trọng lượng nhẹ và cơ sở hạ tầng sản xuất đã được thiết lập. Các thiết kế bộ trao đổi nhiệt bằng nhôm chèn đồng hoặc lót đồng xuất hiện trong các ứng dụng có khoảng cách hiệu suất nhiệt giữa nhôm và đồng là đáng kể - một số tấm lạnh làm mát thiết bị điện tử, đế mô-đun nguồn và bộ tản nhiệt thông lượng cao - và trong đó hình phạt về trọng lượng của đồng nguyên chất là không thể chấp nhận được. Các vi kênh đồng hoặc các chi tiết đồng bên trong cấu trúc thân nhôm có thể tăng cường khả năng lan truyền nhiệt cục bộ trong khi vẫn giữ trọng lượng tổng thể của cụm gần bằng thiết kế hoàn toàn bằng nhôm.
Ăn mòn điện là thách thức đáng kể nhất về độ tin cậy khi làm việc với vật liệu composite Cu-Al trong môi trường dịch vụ liên quan đến độ ẩm hoặc ngưng tụ. Đồng và nhôm cách nhau khoảng 0,5–0,7V trong dãy điện trong nước biển, làm cho nhôm có tính anốt mạnh hơn so với đồng. Khi cả hai kim loại tiếp xúc điện và được làm ướt bằng chất điện phân - thậm chí là ngưng tụ trong khí quyển với các chất ô nhiễm công nghiệp hòa tan - nhôm đóng vai trò là cực dương hy sinh và ăn mòn tốt nhất ở vùng tiếp xúc. Sự ăn mòn này tạo ra cặn nhôm oxit và hydroxit làm tăng điện trở tiếp xúc, tạo ra ứng suất giãn nở trong mối nối và cuối cùng gây ra hỏng hóc cơ và điện của mối nối.
Trong vật liệu tổng hợp Cu-Al được sản xuất tốt, nơi giao diện liên kết liên tục về mặt luyện kim và nhôm được bao bọc hoàn toàn bằng lớp phủ đồng, cặp điện cực bị triệt tiêu một cách hiệu quả vì bề mặt nhôm không tiếp xúc với môi trường. Rủi ro phát sinh ở các cạnh cắt, bề mặt gia công và các khu vực đầu cuối nơi lõi nhôm lộ ra. Cách thực hành tốt nhất cho các thành phần hỗn hợp Cu-Al trong môi trường ăn mòn bao gồm mạ thiếc hoặc mạ bạc tất cả các cạnh và khu vực đầu cuối lộ ra, áp dụng hợp chất nối cho các giao diện kết nối bắt vít, duy trì lớp bảo vệ vỏ được xếp hạng IP để loại trừ độ ẩm và sử dụng vật liệu phần cứng và dây buộc tương thích (phần cứng bằng thép không gỉ hoặc đồng mạ thiếc thay vì thép trần).
Ở nhiệt độ cao trên khoảng 200°C, đồng và nhôm khuếch tán qua bề mặt liên kết để tạo thành các hợp chất liên kim loại - chủ yếu là CuAl₂ (pha θ) và Cu₉Al₄ (pha γ). Các kim loại này giòn, có độ dẫn điện kém so với kim loại nguyên chất và phát triển liên tục với tốc độ tăng tốc theo nhiệt độ. Trong dải CCA liên kết dạng cuộn được sản xuất và sử dụng ở nhiệt độ môi trường xung quanh, sự tăng trưởng giữa các kim loại là không đáng kể trong suốt thời gian sử dụng của sản phẩm. Trong các ứng dụng liên quan đến nhiệt độ cao được duy trì liên tục - quy trình hàn nóng chảy lại để lắp ráp thiết bị điện tử, các mối nối dòng điện cao chạy nóng trong quá trình sử dụng hoặc xử lý ủ được áp dụng sau khi tạo hình hỗn hợp - sự tăng trưởng giữa các kim loại phải được quản lý cẩn thận. Việc chỉ định nhiệt độ và thời gian xử lý tối đa cũng như xác minh độ dày lớp liên kim loại bằng cách kiểm tra kim loại cắt ngang là các biện pháp đảm bảo chất lượng tiêu chuẩn cho các thành phần hỗn hợp Cu-Al trong dịch vụ nhiệt độ cao.
Vật liệu composite Cu-Al có thể được xử lý bằng hầu hết các hoạt động gia công kim loại tiêu chuẩn, nhưng sự hiện diện của hai lớp khác nhau về mặt cơ học đòi hỏi phải chú ý đến dụng cụ, thông số cắt và phương pháp nối để tránh bị tách lớp, loại bỏ vật liệu ưu tiên hoặc xuống cấp khớp.
Dải CCA liên kết cuộn có thể được cắt bằng cách cắt, đục lỗ và cắt laser bằng cách sử dụng dụng cụ tiêu chuẩn, với điểm cân nhắc chính là đồng và nhôm có cường độ năng suất và tốc độ đông cứng khác nhau. Dụng cụ sắc bén là điều cần thiết để tạo ra các cạnh cắt sạch sẽ mà không bị bong tróc hoặc tách lớp ở bề mặt tiếp xúc. Trong quá trình dập khuôn lũy tiến - quy trình tiêu chuẩn để sản xuất tab pin và đầu nối khối lượng lớn - khoảng hở khuôn phải được tối ưu hóa cho ngăn xếp hỗn hợp thay vì chỉ riêng từng lớp. Các hoạt động uốn và tạo hình phải tính đến đặc tính đàn hồi khác nhau của đồng và nhôm, điều này có thể làm cho dải composite cong về phía đồng sau khi nhả khỏi dụng cụ uốn nếu trục trung hòa không nằm ở tâm hình học của mặt cắt ngang composite.
Việc ghép các vật liệu tổng hợp Cu-Al với chính chúng hoặc với các thành phần khác đòi hỏi phải lựa chọn phương pháp cẩn thận để tránh sự hình thành các kim loại giòn xảy ra khi hàn nhiệt hạch thông thường. Các phương pháp ưa thích là:
Đặt hàng vật liệu composite Cu-Al mà không có thông số kỹ thuật đầy đủ là một trong những nguyên nhân phổ biến nhất gây ra các vấn đề về hiệu suất và sự sai lệch của nhà cung cấp trong các dự án lần đầu tiên sử dụng những vật liệu này. Thông số kỹ thuật phải vượt xa các kích thước danh nghĩa để nắm bắt được chất lượng giao diện, dung sai độ dày lớp và các thử nghiệm xác minh hiệu suất nhằm xác định hỗn hợp phù hợp với mục đích.
Làm việc với nhà cung cấp cung cấp chứng nhận vật liệu bao gồm thành phần hóa học, kết quả kiểm tra cơ học, đo độ dẫn điện và dữ liệu chất lượng giao diện liên kết cho từng lô sản xuất cho phép kiểm soát chất lượng đầu vào một cách hiệu quả và cung cấp tài liệu truy xuất nguồn gốc cần thiết cho các ứng dụng trong ô tô, hàng không vũ trụ và các lĩnh vực cơ sở hạ tầng năng lượng được quản lý. Nỗ lực gia tăng trong việc thiết lập trước một chương trình xác nhận và thông số kỹ thuật hoàn chỉnh được phục hồi một cách nhất quán thông qua việc giảm các lỗi tại hiện trường, yêu cầu bảo hành và tranh chấp về thông số kỹ thuật trong thời gian sử dụng của sản phẩm.
ứng dụng
Trung tâm cuộc gọi:
Tel:+86-0512-63263955
Email :[email protected]
Bản quyền © Goode EIS (Suzhou) Corp LTD
Vật liệu và linh kiện composite cách nhiệt cho ngành năng lượng sạch
cn