ВВЕДЕНИЕ
Особенности меди определяются не столько содержанием меди (химической чистотой), а сколько содержанием конкретных примесей и кристаллической структурой.
Качество меди, как совокупность требуемых характеристик и свойств, определяется задачей применения. Задачи могут быть разные и, соответственно, требуемые характеристики: электропроводность, теплопроводность, температуропроводность, коэффициент отражения, предел текучести, пластичность и т. д. На требуемые характеристики и свойства могут накладываться и внешние воздействия: температура, магнитные поля, излучение, вибрация и т.д.
Как ориентироваться и как подобрать с подходящими характеристиками и свойствами медь?
Как ориентироваться и как подобрать с подходящими характеристиками и свойствами медь?
Естественно определить основные параметры, которые относятся к самой меди, определить их влияние на характеристики, подходящий способ и критерии приемлемого выбора меди подходящего качества.
Основными параметрами, определяющими характеристики и свойства меди, можно считать:
Основными параметрами, определяющими характеристики и свойства меди, можно считать:
- примеси
- дислокации
- кристаллическая структура с точки зрения величины зерен и количества границ.
Дислокации и кристаллическая структура влияют на характеристики и свойства меди, и существуют приемлемые способы управления ими. Влияние примесей обычно рассматривается как основное.
Электрическая проводимость - одна из важнейших характеристик меди. Имея о ней представление, «при определенной сноровке» можно сказать и о многих других характеристиках.
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПРОВОДИМОСТЬ
Электрическая проводимость - одна из важнейших характеристик меди. Имея о ней представление, «при определенной сноровке» можно сказать и о многих других характеристиках.
Подробно не будем раскрывать вопрос о влиянии примесей и кристаллической структуры на электрическую проводимость - вопрос достаточно широкий, зависит от конкретного содержания конкретных примесей, возможного взаимодействия между ними, а также и параметров кристаллической структуры.
Приведем примеры некоторых графиков для некоторых устоявшихся списков примесей и краткие комментарии к ним.
Приведем примеры некоторых графиков для некоторых устоявшихся списков примесей и краткие комментарии к ним.
ВЛИЯНИЕ ПРИМЕСЕЙ НА ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ПРОВОДИМОСТЬ при комнатной температуре 20 С
КЛАССИЧЕСКАЯ МЕДЬ 99,9 - 99,95%
На графике 1 представлено некоторое общее влияние примесей на проводимость классической меди 99,9 - 99,5%, не в динамике, «линейно» для общего представления.
На графиках 2 и 3 представлено влияние примесей на бескислородную медь Cu-OF 99,95% и электротехнической меди Cu-ETP 99,9%. Российские аналоги — М0Б и М1.
Видно, что одни и те же примеси в одних и тех же концентрациях по-разному оказывают влияние на электропроводность, и существенно.
На графике 2 для Cu-OF ( ~М0б ) отсутствует кислород. Кислород ограничивается в 10 ppm, других примесей существенно больше и в основном они влияют на электрическую проводимость.
На графике 3 для Cu-ETP ( ~ М1 ) присутствует кислород. Кислород может содержаться до 500 ppm и со многими примесями могут образовываться оксиды. Поскольку примеси больше не находятся в растворе, их влияние на проводимость уменьшается.
На графике 1 представлено некоторое общее влияние примесей на проводимость классической меди 99,9 - 99,5%, не в динамике, «линейно» для общего представления.
На графиках 2 и 3 представлено влияние примесей на бескислородную медь Cu-OF 99,95% и электротехнической меди Cu-ETP 99,9%. Российские аналоги — М0Б и М1.
Видно, что одни и те же примеси в одних и тех же концентрациях по-разному оказывают влияние на электропроводность, и существенно.
На графике 2 для Cu-OF ( ~М0б ) отсутствует кислород. Кислород ограничивается в 10 ppm, других примесей существенно больше и в основном они влияют на электрическую проводимость.
На графике 3 для Cu-ETP ( ~ М1 ) присутствует кислород. Кислород может содержаться до 500 ppm и со многими примесями могут образовываться оксиды. Поскольку примеси больше не находятся в растворе, их влияние на проводимость уменьшается.
КЛАССИЧЕСКАЯ МЕДЬ 99,99%
На графике и в таблице представлены данные влияния легирующих примесей на высокочистую медь 99,99%. На графике не указан Ti между O2 и S, его как правило не бывает, но все же.
На графике показано изменение электрического сопротивления на мас.% примесного элемента до 0,01 мас.%.
В таблице показано увеличение электрического сопротивления примесного элемента в твердом растворе меди на 10 ppm атомов и 0,001 мас.%.
Между количеством (атомов) определенной примеси в твердом растворе и увеличением удельного сопротивления существует линейная зависимость. Зависимость между процентным содержанием примеси (% weight) и электрической проводимостью является гиперболической и для простоты график приводится линейный.
Ожидается, что эффекты нескольких примесей в комбинации будут аддитивными, если все они присутствуют в твердом растворе.
На графике и в таблице представлены данные влияния легирующих примесей на высокочистую медь 99,99%. На графике не указан Ti между O2 и S, его как правило не бывает, но все же.
На графике показано изменение электрического сопротивления на мас.% примесного элемента до 0,01 мас.%.
В таблице показано увеличение электрического сопротивления примесного элемента в твердом растворе меди на 10 ppm атомов и 0,001 мас.%.
Между количеством (атомов) определенной примеси в твердом растворе и увеличением удельного сопротивления существует линейная зависимость. Зависимость между процентным содержанием примеси (% weight) и электрической проводимостью является гиперболической и для простоты график приводится линейный.
Ожидается, что эффекты нескольких примесей в комбинации будут аддитивными, если все они присутствуют в твердом растворе.
Поскольку изменение p из-за добавления примеси приблизительно не зависит от температуры, эти результаты, полученные при комнатной температуре, могут быть предварительно применены к криогенным температурам.
Некоторые результаты, в которых остаточные сопротивления измерялись при 4 К для примесей 3d и 4d переходных металлов в меди, приблизительно согласуются с этими результатами при комнатной температуре. Однако некоторые другие результаты, противоречат некоторым теоретическим работам.
«К чему все пришло» нам пока неизвестно.
Некоторые результаты, в которых остаточные сопротивления измерялись при 4 К для примесей 3d и 4d переходных металлов в меди, приблизительно согласуются с этими результатами при комнатной температуре. Однако некоторые другие результаты, противоречат некоторым теоретическим работам.
«К чему все пришло» нам пока неизвестно.
Необходимо быть осторожным при использовании графика или таблицы для прогнозирования влияния заданного уровня содержания примеси на электрическое сопротивление ρ.
Во-первых, погрешность измерений составляет от 20 до 30% из-за трудностей, связанных с проведением измерений. Во-вторых, степень увеличения ρ примесью зависит как от типа примеси, так и от металлургических условий ее присутствия. Если примесь присутствует в твердом растворе, ее влияние значительно выше, чем если она включена во вторую фазу. Теория предсказывает, что нарушения периодичности решетки на атомном уровне (твердый раствор) более эффективны в рассеянии электронов, чем возмущения на макроуровне (вторая фаза). В последнем случае эффект зависит от формы и распределения второй фазы. Например, при отжиге в кислороде атомы растворенного вещества могут окисляться внутри и сегрегироваться на границах зерен, что приводит к значительному снижению p. Поскольку значения на графике и в таблице основаны на идеальных условиях растворимости, история изготовления также влияет на конечное удельное сопротивление.
Во-первых, погрешность измерений составляет от 20 до 30% из-за трудностей, связанных с проведением измерений. Во-вторых, степень увеличения ρ примесью зависит как от типа примеси, так и от металлургических условий ее присутствия. Если примесь присутствует в твердом растворе, ее влияние значительно выше, чем если она включена во вторую фазу. Теория предсказывает, что нарушения периодичности решетки на атомном уровне (твердый раствор) более эффективны в рассеянии электронов, чем возмущения на макроуровне (вторая фаза). В последнем случае эффект зависит от формы и распределения второй фазы. Например, при отжиге в кислороде атомы растворенного вещества могут окисляться внутри и сегрегироваться на границах зерен, что приводит к значительному снижению p. Поскольку значения на графике и в таблице основаны на идеальных условиях растворимости, история изготовления также влияет на конечное удельное сопротивление.
ВЛИЯНИЕ КИСЛОРОДА ДЛЯ Cu 99,9 - 99,999%
Кислород может содержаться 100 - 500 ppm для меди 99,9%, 5 - 100 ppm в меди 99,99% и менее в меди 99,999. Со многими примесями кислород может образовывать оксиды. Поскольку примеси больше не находятся в растворе, их влияние на проводимость уменьшается.
На графике видно, как для каждой чистоты меди «слишком малое или слишком большое» количество кислорода ухудшает электрическую проводимость: не хватает или слишком много для образования оксидов.
Сам кислород снижает проводимость, образуя частицы оксида меди, и высокое содержание кислорода приводит к водородному охрупчиванию.
На графике видно, как для каждой чистоты меди «слишком малое или слишком большое» количество кислорода ухудшает электрическую проводимость: не хватает или слишком много для образования оксидов.
Сам кислород снижает проводимость, образуя частицы оксида меди, и высокое содержание кислорода приводит к водородному охрупчиванию.
% IACS ДЛЯ Cu 99,9 - 99,999%
Характеристики 99,9% ( ~Cu-ETP, М1 ), 99,95 ( ~Cu-OF, М0б ), 99,99% (~Cu 10100, М00Б )и «правильной» 99,999% очень отличаются, хотя по электропроводности в некоторых случаях могут выглядеть близкими - зависит от конкретного количества содержания конкретных примесей и образовавшихся оксидов, хотя в целом чистота как число может не измениться.
Типичная ориентировочная электрическая проводимость ~ %IACS :
Типичная ориентировочная электрическая проводимость ~ %IACS :
- 99,9% ~ 99 - 100%
- 99,95% ~ 100 - 101%
- 99,99% ~ 101 - 102%
- 99,999% «правильная» ~ 102,5+%
ВЛИЯНИЕ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ НА ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ПРОВОДИМОСТЬ при комнатной температуре 20 С
Суть приведенного графика - пример зависимости электропроводности бескислородной меди CuOFE (диаметр 8,0 мм).
Для данного конкретного образца CuOFE % IACS:
Для данного конкретного образца CuOFE % IACS:
- поликристаллическая структура ~ 101,7%
- «монокристаллическая - крупноблочная» ~ 102,8%
Хорошо заметно влияние кристаллической структуры.
В некоторых источниках упоминается, что поликристаллическая медь, какой бы она не была химически чистой, не может превысить значения 103,1% - 103,5% IACS.
ВЛИЯНИЕ ПРИМЕСЕЙ И КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ НА ЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ПРОВОДИМОСТЬ при температуре 4,2 K
RRR
Если % IACS характеризует проводимость при комнатной температуре 20 С, то RRR (Residual Resistance Ratio) указывает на чистоту металла через его поведение при криогенных температурах (4,2 К).
Прямой аналитической формулы для пересчета %IACS в RRR не существует, так как RRR крайне чувствителен к микропримесям и дефектам решетки, которые почти не влияют на проводимость при комнатной температуре.
ВЛИЯНИЕ ПРИМЕСЕЙ
Поскольку изменение p из-за добавления примеси приблизительно не зависит от температуры, то результаты, полученные при комнатной температуре, могут быть предварительно применены к криогенным температурам.
Некоторые результаты, в которых остаточные сопротивления измерялись при 4 К для примесей 3d и 4d переходных металлов в меди, приблизительно согласуются с этими результатами при комнатной температуре. Однако некоторые другие результаты, противоречат некоторым теоретическим работам. «К чему все пришло» нам пока неизвестно.
Также, наличие кислорода в определенных моментах может уменьшить негативное влияние некоторых примесей на электрическую проводимость.
ВЛИЯНИЕ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ
Если % IACS характеризует проводимость при комнатной температуре 20 С, то RRR (Residual Resistance Ratio) указывает на чистоту металла через его поведение при криогенных температурах (4,2 К). Прямой аналитической формулы для пересчета %IACS в RRR не существует, так как RRR крайне чувствителен к микропримесям и дефектам решетки, которые почти не влияют на проводимость при комнатной температуре.
Монокристаллы действительно показывают значения выше стандартных 103%. Если образец показывает 104% IACS и выше, это верный признак того, что в нем сформировалась монокристаллическая или крупноблочная структура.
Цифры в районе 104% IACS и выше - это признак материала исключительного качества как по химической чистоте, так и по кристалличекой структуре, который и используется в передовых технологиях. Иногда упоминается, что если монокристалл показывает, например, 104,2% IACS, это почти гарантия того, что его RRR уйдет за 5000 - 10000.
Поскольку изменение p из-за добавления примеси приблизительно не зависит от температуры, то результаты, полученные при комнатной температуре, могут быть предварительно применены к криогенным температурам.
Некоторые результаты, в которых остаточные сопротивления измерялись при 4 К для примесей 3d и 4d переходных металлов в меди, приблизительно согласуются с этими результатами при комнатной температуре. Однако некоторые другие результаты, противоречат некоторым теоретическим работам. «К чему все пришло» нам пока неизвестно.
Также, наличие кислорода в определенных моментах может уменьшить негативное влияние некоторых примесей на электрическую проводимость.
ВЛИЯНИЕ КРИСТАЛЛИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ
Если % IACS характеризует проводимость при комнатной температуре 20 С, то RRR (Residual Resistance Ratio) указывает на чистоту металла через его поведение при криогенных температурах (4,2 К). Прямой аналитической формулы для пересчета %IACS в RRR не существует, так как RRR крайне чувствителен к микропримесям и дефектам решетки, которые почти не влияют на проводимость при комнатной температуре.
Монокристаллы действительно показывают значения выше стандартных 103%. Если образец показывает 104% IACS и выше, это верный признак того, что в нем сформировалась монокристаллическая или крупноблочная структура.
Цифры в районе 104% IACS и выше - это признак материала исключительного качества как по химической чистоте, так и по кристалличекой структуре, который и используется в передовых технологиях. Иногда упоминается, что если монокристалл показывает, например, 104,2% IACS, это почти гарантия того, что его RRR уйдет за 5000 - 10000.
P.S.
Графики и информация к комментариям взяты из:
Графики и информация к комментариям взяты из:
- «High Conductivity Copper for Electrical Engineering», European Copper Institute, 2016 (Originally published in 1998).
- «Cu OFE», European Copper Institute, 2017 (Originally published in 1998).
- «Properties of Copper and Copper Alloys at Cryogenic Temperatures», U.S. Department of Commerce, 1992 (studies of 1965-1985).
P.P.S.
Информация приведена для общего представления что и от чего зависит, не для инженерных расчетов. Некоторая информация требует проверки и уточнений для конкретных случаев.
Site is under
development