Warum wird Kupfer verwendet? Was sind seine wichtigsten Eigenschaften?
Kupfer hat eine ausgezeichnete elektrische und thermische Leitfähigkeit und steht damit an erster Stelle aller technischen Metallmaterialien. Dies ist die Hauptgrundlage für seine zentrale Rolle in der heutigen Elektrifizierung und elektronischen Informationsgesellschaft. Kupfer hat auch viele hervorragende umfassende Eigenschaften: Es ist stark korrosionsbeständig gegenüber der Atmosphäre, Seewasser, Erde und vielen chemischen Medien; es wird in der Struktur verwendet, um sowohl starr als auch flexibel, elastisch, reibungsbeständig und verschleißfest zu sein; es hat ein farbenfrohes Aussehen und ist ein Symbol für Einfachheit und Eleganz, das die Menschen lieben. Neben den oben genannten zahlreichen Leistungseigenschaften verfügt es auch über eine Reihe guter Verarbeitungs-, Gieß-, Schweiß-, Schneide- und anderer Prozesseigenschaften, die es wirtschaftlich und weit verbreitet machen.
- Der Wohnungsbau macht 48 % aus: Dazu gehören: Rohrleitungssysteme (Wasser, Wärme, Gas, Sprinkleranlagen usw.); Wohneinrichtungen (Klimaanlagen, Kühlschränke usw.); Gebäudedekoration (Dächer, Rinnen, Dekorationen usw.); Kommunikationsleitungen (Ton, Bild, Daten usw.); Stromversorgungssysteme.
--Die Geräteproduktion macht 41 % aus: darunter: Industriegeräte (Motoren, Transformatoren usw.); Transportmittel (Autos, Eisenbahnen, Flugzeuge usw.); elektronische Geräte; Leichtindustrieprodukte (Haushaltsgeräte, Instrumente, Werkzeuge usw.)
--11 % entfallen auf die Infrastruktur: Dazu gehören: Großprojekte (Transporteinrichtungen, petrochemische Industrie, Bergbau- und Metallurgieindustrie usw.); Energiewirtschaft (Stromübertragung, Stromverteilung usw.); Kommunikationsnetz.
Es ist erwähnenswert, dass der Wohnungsbau in direktem Zusammenhang mit der Verbesserung des Produktionsniveaus der Menschen steht und die Verwendung von Kupfer in dieser Hinsicht den größten Anteil ausmacht. Insbesondere mein Land betrachtet den Wohnungsbau als wichtiges Bindeglied zur Entwicklung der gesamten Volkswirtschaft. Es ist ersichtlich, dass die aktive Förderung der Verwendung von Kupfer eine wichtige Rolle für die Volkswirtschaft und den Lebensunterhalt der Menschen spielt.
A. Anwendung in der Elektroindustrie
※ Kraftübertragung
Bei der Stromübertragung wird eine große Menge hochleitfähigen Kupfers verbraucht, das hauptsächlich für Strom, Drähte und Kabel, Busse, Transformatoren, Schalter, Steckkomponenten und Steckverbinder usw. verwendet wird.
Beim Übertragungsprozess von Drähten und Kabeln wird elektrische Energie durch Widerstandserhitzung verschwendet. Aus Energiespar- und Spargründen wird derzeit weltweit der Standard „optimaler Kabelquerschnitt“ gefördert. Der Standard „optimaler Kabelquerschnitt“ berücksichtigt sowohl die einmaligen Installationskosten als auch den Stromverbrauch und vergrößert die Kabelgröße entsprechend, um Energie zu sparen und den besten umfassenden wirtschaftlichen Nutzen zu erzielen. Nach dem neuen Standard ist der Kabelquerschnitt oft mehr als doppelt so groß wie beim alten Standard, wodurch eine Energieeinsparung von etwa 50 % erzielt werden kann.
In der Vergangenheit wurden aufgrund des Stahlmangels in meinem Land und der Tatsache, dass das spezifische Gewicht von Aluminium nur 30 % des von Kupfer beträgt, Maßnahmen ergriffen, um Kupfer in Hochspannungsfreileitungen durch Aluminium zu ersetzen, um das Gewicht zu reduzieren. Gegenwärtig werden Freileitungen aus Umweltschutzgründen auf unterirdische Kabel umgestellt. In diesem Fall hat Aluminium im Vergleich zu Kupfer die Nachteile einer schlechten Leitfähigkeit und eines größeren Kabeldurchmessers und ist im Vergleich dazu blass.
Aus demselben Grund ist es auch eine kluge Entscheidung, Transformatoren mit Aluminiumwicklung in den USA und Japan durch energiesparende und effiziente Transformatoren mit Kupferwicklung zu ersetzen.
※ Motorenherstellung
Im Motorenbau werden häufig Kupferlegierungen mit hoher Leitfähigkeit und hoher Festigkeit verwendet. Die wichtigsten Kupferteile sind Statoren, Rotoren und Wellenköpfe. Bei großen Motoren werden die Wicklungen mit Wasser oder Wasserstoff gekühlt, was als Doppelwasser-Innenkühlung oder Wasserstoffkühlungsmotoren bezeichnet wird und lange Hohldrähte erfordert.
Motoren sind große Stromverbraucher; sie verbrauchen rund 60 % der gesamten Stromversorgung. Die kumulierte Stromrechnung für einen Motor ist sehr hoch. Im Allgemeinen erreicht sie innerhalb der ersten 500 Betriebsstunden die Kosten des Motors selbst, was innerhalb eines Jahres dem 4- bis 16-fachen der Kosten entspricht, und kann während der gesamten Lebensdauer das 200-fache der Kosten erreichen. Eine kleine Verbesserung der Motoreffizienz kann nicht nur Energie sparen, sondern auch erhebliche wirtschaftliche Vorteile bringen. Die Entwicklung und Anwendung hocheffizienter Motoren ist heutzutage weltweit ein heißes Thema. Da der Energieverbrauch im Motor hauptsächlich durch den Widerstandsverlust der Wicklung entsteht, ist die Erhöhung des Querschnitts des Kupferdrahts eine wichtige Maßnahme zur Entwicklung hocheffizienter Motoren. In den letzten Jahren wurde bei einigen der als erste entwickelten hocheffizienten Motoren die Verwendung von Kupferwicklungen im Vergleich zu herkömmlichen Motoren um 25 % bis 100 % erhöht. Derzeit finanziert das US-Energieministerium ein Entwicklungsprojekt zur Verwendung von Kupfergusstechnologie zur Herstellung von Motorrotoren.
※ Kommunikationskabel
Seit den 1980er Jahren ersetzen Glasfaserkabel aufgrund ihrer hohen Strombelastbarkeit Kupferkabel auf Fernmeldeleitungen kontinuierlich und werden schnell gefördert und eingesetzt. Allerdings wird immer noch eine große Menge Kupfer benötigt, um elektrische Energie in Lichtenergie umzuwandeln und die Leitungen den Benutzern zuzuführen. Mit der Entwicklung der Kommunikationsbranche sind die Menschen immer abhängiger von der Kommunikation, und die Nachfrage nach Glasfaserkabeln und Kupferdrähten wird weiter steigen.
※ Elektrische Leitungen für Wohngebäude
In den letzten Jahren sind mit der Verbesserung des Lebensstandards der Menschen in meinem Land Haushaltsgeräte schnell populär geworden und die Strombelastung der Privathaushalte ist schnell gestiegen. Der Stromverbrauch der Privathaushalte in meinem Land wird sich in Zukunft noch stark entwickeln, was die Verwendung von Kupferdrähten stark erhöht hat.
B. Anwendung in der Elektronikindustrie
Die Elektronikindustrie ist eine aufstrebende Branche. In ihrem florierenden Entwicklungsprozess werden ständig neue Produkte und neue Anwendungsbereiche für Stahl entwickelt. Gegenwärtig hat sich seine Anwendung von Vakuumgeräten und gedruckten Schaltungen hin zu Mikroelektronik und integrierten Halbleiterschaltungen entwickelt.
※ Vakuumgeräte
Vakuumgeräte sind hauptsächlich Hochfrequenz- und Ultrahochfrequenz-Senderöhren, Wellenleiter, Magnetrons usw., die hochreines sauerstofffreies Kupfer und dispersionsverfestigtes sauerstofffreies Kupfer erfordern.
※ Leiterplatte
Kupferplattierte Schaltungen werden hergestellt, indem Kupferfolie auf eine Kunststoffplatte als Träger mit Kupferfolie als Oberfläche geklebt wird; der Schaltplan wird durch Fotografieren auf die Kupferplatte gedruckt; überschüssige Teile werden durch Ätzen entfernt und die miteinander verbundenen Schaltkreise bleiben erhalten. Dann werden Löcher an der Verbindung mit der Außenseite der Leiterplatte gestanzt, die Anschlüsse der diskreten Komponenten oder anderer Teile eingesetzt und an diese Öffnung geschweißt, sodass ein vollständiger Schaltkreis zusammengesetzt wird. Wenn das Tauchplattierungsverfahren verwendet wird, kann das Schweißen aller Verbindungen auf einmal abgeschlossen werden. Auf diese Weise kann die Verwendung von gedruckten Schaltungen bei Gelegenheiten, bei denen ein feines Layout der Schaltkreise erforderlich ist, wie z. B. bei Radio, Fernsehen, Computer usw., viel Arbeit bei der Verdrahtung und Befestigung von Schaltkreisen sparen; daher wird es häufig verwendet und erfordert eine große Menge Kupferfolie. Darüber hinaus werden für die Verbindung von Schaltkreisen auch verschiedene kupferbasierte Lötmaterialien mit niedrigen Preisen, niedrigen Schmelzpunkten und guter Fließfähigkeit benötigt.
※ Integrierter Schaltkreis
Der Kern der Mikroelektroniktechnologie ist der integrierte Schaltkreis. Ein integrierter Schaltkreis ist ein miniaturisierter Schaltkreis, der Halbleiterkristallmaterialien als Substrate (Chips) verwendet und spezielle Prozesstechnologien verwendet, um die Komponenten und Verbindungen, aus denen der Schaltkreis besteht, im Inneren, auf der Oberfläche oder auf dem Substrat zu integrieren. Dieser Mikroschaltkreis ist in Größe und Gewicht tausendmal kleiner als der kompakteste Schaltkreis mit diskreten Komponenten in seiner Struktur. Sein Erscheinen hat einen enormen Wandel in der Computertechnik bewirkt und ist zur Grundlage der modernen Informationstechnologie geworden. Die bisher entwickelten ultragroßen integrierten Schaltkreise verfügen über eine Anzahl von Transistoren, die auf einer einzigen Chipfläche kleiner als ein Daumennagel hergestellt werden können und Hunderttausende oder sogar Millionen erreichen. Vor kurzem hat IBM (International Business Machines Corporation), ein weltbekanntes Computerunternehmen, einen Durchbruch erzielt, indem es Aluminium in Siliziumchips als Verbindungen durch Kupfer ersetzt hat. Dieser neue Typ von Kupfermikrochip kann eine Leistungssteigerung von 30 % erzielen, die Größe der Schaltkreisleitungen kann auf 0,12 Mikrometer reduziert werden und die Anzahl der auf einem einzigen Chip integrierten Transistoren kann 2 Millionen erreichen. Dies hat neue Möglichkeiten für die Anwendung des alten Metalls Kupfer im modernen Technologiebereich der integrierten Halbleiterschaltkreise eröffnet.
※ Anschlussrahmen
Um den normalen Betrieb integrierter Schaltkreise oder Hybridschaltkreise zu schützen, müssen diese verpackt werden. Beim Verpacken werden viele Anschlüsse im Schaltkreis aus dem versiegelten Gehäuse herausgeführt. Diese Leitungen müssen eine gewisse Festigkeit aufweisen und bilden das tragende Skelett des integrierten Schaltkreispakets, das als Anschlussrahmen bezeichnet wird. In der tatsächlichen Produktion werden Anschlussrahmen für die Hochgeschwindigkeits- und Massenproduktion normalerweise kontinuierlich in einer bestimmten Anordnung auf einen Metallstreifen gestanzt. Das Rahmenmaterial macht 1/3 bis 1/4 der Gesamtkosten des integrierten Schaltkreises aus, und die verwendete Menge ist groß; daher müssen die Kosten niedrig sein.
Kupferlegierungen sind billig, haben eine hohe Festigkeit, elektrische Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit, hervorragende Verarbeitungseigenschaften, Nadelschweißbarkeit und Korrosionsbeständigkeit. Ihre Leistung kann durch Legieren in einem weiten Bereich gesteuert werden und kann die Leistungsanforderungen von Anschlussrahmen besser erfüllen. Sie sind zu einem wichtigen Material für Anschlussrahmen geworden. Derzeit ist es das am häufigsten verwendete Material in mikroelektronischen Geräten.
