อธิบายวัสดุคอมโพสิต Cu-Al: คุณสมบัติ วิธีการผลิต และวิธีการใช้งานอย่างถูกต้อง

วัสดุคอมโพสิต Cu-Al คืออะไร และเหตุใดวิศวกรจึงใช้วัสดุดังกล่าว

วัสดุคอมโพสิต Cu-Al — คอมโพสิตทองแดง-อลูมิเนียม — เป็นวัสดุหลายชั้นหรือเฟสผสมที่เชื่อมทองแดงและอลูมิเนียมเข้าด้วยกันเป็นหน่วยโครงสร้างเดียว โดยจงใจรวมความแข็งแกร่งของโลหะทั้งสองในขณะที่บรรเทาจุดอ่อนของแต่ละบุคคล ทองแดงมีค่าการนำไฟฟ้าที่โดดเด่น (59.6×10⁶ S/m) ค่าการนำความร้อนสูง (385 W/m·K) ความต้านทานการกัดกร่อนที่ดีเยี่ยม และความสามารถในการบัดกรีที่เชื่อถือได้ อะลูมิเนียมมีความหนาแน่นต่ำ (2.7 ก./ซม.³ เทียบกับทองแดง 8.96 ก./ซม.) อัตราส่วนความแข็งแรงต่อน้ำหนักสูง มีสมรรถนะการกัดกร่อนในอากาศได้ดี และลดต้นทุนวัตถุดิบได้อย่างมาก ใช้เพียงอย่างเดียว โลหะแต่ละชนิดมีข้อจำกัดที่ชัดเจนสำหรับการใช้งานที่มีความต้องการสูง เมื่อนำมาใช้ร่วมกันในคอมโพสิตที่ได้รับการออกแบบมาอย่างดี จะทำให้เกิดการผสมผสานประสิทธิภาพที่วัสดุทั้งสองไม่สามารถบรรลุได้โดยอิสระ

ความท้าทายทางวิศวกรรมขั้นพื้นฐานที่วัสดุคอมโพสิตทองแดง-อลูมิเนียมต้องเผชิญคือความขัดแย้งระหว่างข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพทางไฟฟ้าหรือความร้อน และข้อจำกัดด้านน้ำหนักหรือต้นทุน ตัวอย่างเช่น ในบัสบาร์ระบบส่งกำลัง ทองแดงบริสุทธิ์ให้ค่าการนำไฟฟ้าที่ดีเยี่ยม แต่เพิ่มน้ำหนักและต้นทุนอย่างมากให้กับการติดตั้งสวิตช์เกียร์ขนาดใหญ่ บัสบาร์อะลูมิเนียมบริสุทธิ์ช่วยลดน้ำหนักและต้นทุน แต่มีค่าการนำไฟฟ้าต่ำกว่า และต้องมีการเตรียมข้อต่อพิเศษเพื่อจัดการชั้นผิวอะลูมิเนียมออกไซด์ที่เป็นฉนวน บัสบาร์อะลูมิเนียมหุ้มทองแดง (CCA) — แกนอะลูมิเนียมที่มีการหุ้มทองแดงในทุกพื้นผิว — ให้ค่าการนำไฟฟ้าใกล้เคียงกับทองแดงในจุดที่สำคัญที่สุด (ที่พื้นผิวซึ่งมีกระแสไฟ AC เข้มข้นเนื่องจากผลกระทบของผิวหนัง) โดยมีน้ำหนักของอะลูมิเนียมและความได้เปรียบด้านต้นทุนในหน้าตัดขวางจำนวนมาก

วัสดุคอมโพสิต Cu-Al ไม่ใช่ผลิตภัณฑ์ประเภทเดียว แต่เป็นตระกูลของสถาปัตยกรรมวัสดุซึ่งรวมถึงแถบโลหะคู่ที่เชื่อมด้วยม้วน แผ่นเชื่อมแบบระเบิด โปรไฟล์อัดรีดร่วม คอมโพสิตโลหะผสมผง และโครงสร้างทองแดงบนอะลูมิเนียมที่ผสมด้วยไฟฟ้า วิธีการผลิตแต่ละวิธีจะสร้างคุณภาพของส่วนต่อประสาน อัตราส่วนความหนาของชั้น และโปรไฟล์คุณสมบัติทางกลที่แตกต่างกันซึ่งเหมาะสมกับข้อกำหนดการใช้งานเฉพาะ การทำความเข้าใจว่าสถาปัตยกรรมคอมโพสิตแบบใดที่เหมาะสมสำหรับกรณีการใช้งานที่กำหนดเป็นขั้นตอนแรกและสำคัญที่สุดในการนำวัสดุเหล่านี้ไปใช้ให้ประสบความสำเร็จ

วิธีการผลิต: วิธีการผลิตคอมโพสิต Cu-Al

ส่วนต่อประสานระหว่างทองแดงและอลูมิเนียมถือเป็นคุณสมบัติเชิงโครงสร้างของวัสดุคอมโพสิต Cu-Al ทองแดงและอะลูมิเนียมมีโครงสร้างผลึก ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวเนื่องจากความร้อน และจุดหลอมเหลวที่แตกต่างกันมาก ซึ่งหมายถึงการสร้างพันธะที่ปราศจากช่องว่างระหว่างโลหะวิทยา จำเป็นต้องมีสภาวะกระบวนการที่ได้รับการควบคุมอย่างระมัดระวัง วิธีการผลิตแต่ละวิธีบรรลุพันธะนี้ผ่านกลไกทางกายภาพที่แตกต่างกัน โดยสร้างส่วนต่อประสานที่มีความแข็งแกร่ง ความต่อเนื่อง และลักษณะการก่อตัวของสารประกอบระหว่างโลหะที่แตกต่างกัน

การเชื่อมแบบม้วน (การหุ้ม)

การติดแบบม้วนเป็นกระบวนการที่ใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตแถบและแผ่นอะลูมิเนียมหุ้มทองแดง ชั้นทองแดงและอะลูมิเนียมเตรียมพื้นผิวโดยการแปรงลวดหรือการกัดด้วยสารเคมีเพื่อขจัดฟิล์มออกไซด์และการปนเปื้อน จากนั้นจึงกดเข้าด้วยกันภายใต้แรงกดดันจากโรงรีดสูง โดยทั่วไปจะลดความหนาได้ 50–70% ในการผ่านครั้งเดียว แรงกดดันทำให้เกิดความไม่แน่นอนบนพื้นผิวทั้งสองทำให้พลาสติกเสียรูปและเชื่อมต่อกัน ทำให้เกิดการสัมผัสระดับอะตอมและพันธะการแพร่กระจายของโซลิดสเตตโดยไม่ทำให้วัสดุทั้งสองละลาย พันธะที่เกิดขึ้นจะมีความต่อเนื่องทางโลหะและปราศจากเฟสระหว่างโลหะ Cu-Al ที่เปราะ (CuAl₂, Cu₉Al₄) ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อทองแดงและอลูมิเนียมเชื่อมกันที่อุณหภูมิสูง แถบ CCA แบบม้วนบอนด์ผลิตในรูปแบบคอยล์ต่อเนื่องและเป็นวัตถุดิบหลักสำหรับลวดอลูมิเนียมหุ้มทองแดง แถบบัสบาร์ และวัสดุแถบแบตเตอรี่ที่ใช้ในการผลิตปริมาณมาก

การเชื่อมด้วยระเบิด

การเชื่อมด้วยการระเบิดใช้พลังงานของการระเบิดที่มีการควบคุมเพื่อขับเคลื่อนแผ่นทองแดงและอลูมิเนียมเข้าด้วยกันด้วยความเร็วสูงมาก — โดยทั่วไปคือ 200–500 ม./วินาที — ทำให้เกิดแรงกดดันในการชนในช่วงกิกะปาสกาลที่ทำให้เกิดการพ่นพลาสติกที่ส่วนต่อประสานและเช็ดฟิล์มออกไซด์ออกไปทันที ผลลัพธ์ที่ได้คือพันธะที่เชื่อมต่อกันทางกลไกเป็นคลื่นซึ่งมีกำลังรับแรงเฉือนซึ่งมักจะสูงกว่าโลหะฐานที่อ่อนกว่า ข้อต่อการเปลี่ยนผ่าน Cu-Al แบบเชื่อมด้วยการระเบิดถูกนำมาใช้โดยเฉพาะในการใช้งานที่ต้องเชื่อมแผ่นหนาและบริเวณที่ข้อต่อจะต้องรับภาระทางกลสูง — การเชื่อมต่อบัสอลูมิเนียมในเรือเดินทะเล ข้อต่อการเปลี่ยนผ่านระหว่างท่อทองแดงและอลูมิเนียมในระบบไครโอเจนิก และแผ่นเปลี่ยนผ่านโครงสร้างในอุปกรณ์ไฟฟ้าขนาดใหญ่ กระบวนการนี้จำกัดอยู่ที่รูปทรงเรขาคณิตแบบเรียบหรือแบบโค้งธรรมดา และต้องใช้สิ่งอำนวยความสะดวกเฉพาะทาง ทำให้เหมาะสำหรับการผลิตส่วนประกอบที่มีมูลค่าสูงและมีมูลค่าต่ำถึงปานกลาง แทนที่จะเป็นการผลิตแถบที่มีปริมาณสูง

การอัดขึ้นรูปร่วมและการหล่อแบบต่อเนื่อง

กระบวนการอัดรีดร่วมจะสร้างโปรไฟล์คอมโพสิต Cu-Al โดยการอัดทองแดงและอลูมิเนียมพร้อมกันผ่านแม่พิมพ์ที่มีรูปทรง และเชื่อมเข้าด้วยกันภายใต้สภาวะความดันและอุณหภูมิที่รุนแรงภายในเครื่องอัดรีด วิธีการนี้ใช้ในการผลิตโปรไฟล์หน้าตัดที่ซับซ้อน เช่น บัสบาร์อลูมิเนียมหุ้มทองแดงที่มีอัตราส่วนภาพเฉพาะและการกระจายความหนาของทองแดงที่พื้นผิว ซึ่งจะเป็นเรื่องยากหรือมีราคาแพงในการผลิตโดยการยึดติดแบบม้วนและการขึ้นรูปในภายหลัง กระบวนการหล่ออย่างต่อเนื่องสำหรับคอมโพสิต Cu-Al หล่ออะลูมิเนียมหลอมเหลวรอบแกนทองแดงหรือส่วนแทรกทองแดงที่ขึ้นรูปไว้ล่วงหน้า พร้อมการแข็งตัวอย่างรวดเร็วซึ่งควบคุมความหนาของชั้นระหว่างโลหะที่ส่วนต่อประสาน การควบคุมกระบวนการถือเป็นสิ่งสำคัญ เนื่องจากการสัมผัสกันเป็นเวลานานระหว่างอะลูมิเนียมเหลวและทองแดงแข็งที่มีอุณหภูมิสูงกว่า 400°C โดยประมาณจะส่งเสริมการเติบโตของชั้นอินเทอร์เมทัลลิกที่เปราะ ซึ่งจะลดความแข็งแรงของข้อต่อและการนำไฟฟ้าที่ส่วนต่อประสาน

โลหะผสมผงและอิเล็กโทรด

โลหะผสมผง คอมโพสิต Cu-Al ผลิตขึ้นโดยการผสมผงทองแดงและอะลูมิเนียม (หรืออนุภาคทองแดงในเมทริกซ์อะลูมิเนียม) และรวมเข้าด้วยกันโดยการเผาผนึก การอัดร้อน หรือการเผาผนึกพลาสมาด้วยประกายไฟ (SPS) วิธีการนี้ช่วยให้สามารถควบคุมองค์ประกอบ การกระจายขนาดอนุภาค และโครงสร้างจุลภาคได้อย่างแม่นยำ ทำให้เกิดคอมโพสิตที่มีคุณสมบัติไอโซโทรปิกและความสามารถในการรวมเฟสเสริมแรงเข้าด้วยกัน วัสดุเหล่านี้ใช้ในซับสเตรตการจัดการความร้อนประสิทธิภาพสูง วัสดุหน้าสัมผัสไฟฟ้า และส่วนประกอบโครงสร้างการบินและอวกาศที่รูปแบบคอมโพสิตแบบแผ่นหรือเพลททั่วไปไม่เหมาะสม การชุบด้วยไฟฟ้าของทองแดงลงบนพื้นผิวอะลูมิเนียมจะทำให้เกิดการเคลือบทองแดงที่บางและสม่ำเสมอสูงสำหรับการใช้งานกับแผงวงจรพิมพ์ การป้องกัน EMI และการชุบเพื่อการตกแต่งหรือการชุบเชิงฟังก์ชัน — ตระกูลการใช้งานที่แตกต่างจากคอมโพสิตโครงสร้างจำนวนมากที่ผลิตโดยกระบวนการรีดและการเชื่อม

คุณสมบัติทางกายภาพและทางกลที่สำคัญของคอมโพสิต Cu-Al

คุณสมบัติของก วัสดุคอมโพสิต Cu-Al ขึ้นอยู่กับตัวแปรสามตัว ได้แก่ คุณสมบัติของวัสดุที่เป็นส่วนประกอบ เศษส่วนปริมาตรของแต่ละชั้นหรือเฟส และคุณภาพและรูปทรงของส่วนต่อประสาน สำหรับวัสดุคอมโพสิตหลายชั้น เช่น แถบอะลูมิเนียมหุ้มทองแดง กฎของส่วนผสมจะให้การประมาณค่าแรกที่มีประโยชน์สำหรับคุณสมบัติที่ปรับขนาดเป็นเส้นตรงกับเศษส่วนของปริมาตร เช่น ความหนาแน่นและสื่อนำไฟฟ้า คุณสมบัติที่ขึ้นอยู่กับความสมบูรณ์ของอินเทอร์เฟซ เช่น ความแข็งแรงของพันธะแรงดึง ความต้านทานต่อความล้า และความแข็งแรงของการลอก จะต้องวัดโดยตรงสำหรับสถาปัตยกรรมคอมโพสิตแต่ละชิ้น และไม่สามารถคำนวณจากคุณสมบัติของส่วนประกอบเพียงอย่างเดียวได้

ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนที่ไม่ตรงกันระหว่างทองแดง (17×10⁻⁶/K) และอะลูมิเนียม (23.1×10⁻⁶/K) ทำให้เกิดความเครียดจากความร้อนที่ส่วนต่อประสานระหว่างการหมุนเวียนของอุณหภูมิ สำหรับการใช้งานที่ต้องพบกับการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิอย่างมากหรืออย่างรวดเร็ว — พื้นผิวอิเล็กทรอนิกส์กำลัง การเชื่อมต่อแบตเตอรี่ EV และอุปกรณ์ไฟฟ้ากลางแจ้ง — การออกแบบจะต้องคำนึงถึงความไม่ตรงกันของ CTE นี้ด้วย ชั้นหุ้มทองแดงบาง ๆ บนพื้นผิวอะลูมิเนียมที่หนาขึ้นจะช่วยลดขนาดสัมบูรณ์ของความเค้นการขยายตัวที่แตกต่างกัน และความเหนียวของโลหะทั้งสองช่วยให้พลาสติกมีความเครียดที่ไม่ตรงกัน อย่างไรก็ตาม ความล้าแบบเป็นรอบที่อินเทอร์เฟซยังคงเป็นโหมดความล้มเหลวหลักในระยะยาวสำหรับคอมโพสิต Cu-Al ในบริการที่ต้องการความร้อน และการคาดการณ์อายุการใช้งานจำเป็นต้องเข้าใจความกว้างของวงจรความร้อน ความถี่ และเรขาคณิตของชั้นคอมโพสิตที่เฉพาะเจาะจงสำหรับการใช้งาน

การใช้งานเบื้องต้นของวัสดุคอมโพสิตทองแดง-อลูมิเนียม

วัสดุคอมโพสิต Cu-Al พบว่ามีการนำไปใช้ทางอุตสาหกรรมที่สำคัญที่สุดในด้านการส่งพลังงานไฟฟ้า เทคโนโลยีแบตเตอรี่ เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อน และบรรจุภัณฑ์อิเล็กทรอนิกส์ - ภาคส่วนที่การนำไฟฟ้าสูง น้ำหนักลดลง และความคุ้มค่าด้านต้นทุนรวมกัน ทำให้เกิดข้อเสนอมูลค่าที่น่าสนใจซึ่งทองแดงหรืออลูมิเนียมบริสุทธิ์เพียงอย่างเดียวไม่สามารถเทียบเคียงได้

ลวดและสายเคเบิลอะลูมิเนียมหุ้มทองแดง

ลวดอะลูมิเนียมหุ้มทองแดง (CCA) ประกอบด้วยแกนอะลูมิเนียมที่มีชั้นนอกเป็นทองแดงต่อเนื่องกัน โดยทั่วไปจะประกอบด้วย 10–15% ของพื้นที่หน้าตัด สำหรับการใช้งานความถี่สูง เช่น สายโคแอกเชียล สายส่ง RF และสายสัญญาณที่สูงกว่าประมาณ 5 MHz เอฟเฟกต์ผิวหนังจะจำกัดการไหลของกระแสไปยังชั้นทองแดงด้านนอก ทำให้แกนอะลูมิเนียมโปร่งใสทางไฟฟ้า ลวด CCA ให้ประสิทธิภาพทางไฟฟ้าความถี่สูงเช่นเดียวกับลวดทองแดงตันที่ประมาณ 40% ของน้ำหนักและ 50–60% ของต้นทุนวัสดุ ทำให้เป็นตัวเลือกตัวนำที่โดดเด่นในสายโคแอกเชียลสำหรับการจำหน่ายเคเบิลทีวี การเดินสายจานดาวเทียม และดาวน์ลีดเสาอากาศทั่วโลก สำหรับการใช้งานความถี่กำลัง (50/60 Hz) แกนอะลูมิเนียมมีส่วนช่วยอย่างมากต่อความสามารถในการรองรับกระแสไฟ และสายไฟ CCA มีความจุกระแสไฟประมาณ 75–80% ของความจุกระแสไฟของสายเคเบิลทองแดงตันที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางเทียบเท่าที่ประมาณ 45% ของน้ำหนัก ซึ่งเป็นข้อแลกเปลี่ยนที่น่าสนใจสำหรับการเดินสายไฟในอาคาร ชุดสายไฟของรถยนต์ และการใช้งานการกระจายเหนือศีรษะ ซึ่งการจัดการน้ำหนักและสายเคเบิลมีความสำคัญ

แท็บแบตเตอรี่ EV และการเชื่อมต่อระหว่างเซลล์กับเซลล์

เซลล์แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนในการใช้งาน EV ใช้วัสดุขั้วต่อสองแบบ: อลูมิเนียมสำหรับขั้วบวกและเหล็กชุบนิกเกิลหรือนิกเกิลบริสุทธิ์สำหรับขั้วลบในรูปแบบมาตรฐาน การเชื่อมต่อขั้วต่อที่ไม่เหมือนกันเหล่านี้เป็นอนุกรมหรือขนานผ่านบัสบาร์หรือแถบต้องใช้ตัวนำแยกสำหรับขั้วต่อแต่ละประเภท หรือวัสดุคอมโพสิตที่เปลี่ยนระหว่างอะลูมิเนียมกับทองแดง/นิกเกิลภายในส่วนประกอบเดียว แถบอลูมิเนียมหุ้มทองแดงและแถบเปลี่ยนผ่านโลหะคู่ถูกนำมาใช้มากขึ้นในการประกอบโมดูลแบตเตอรี่เพื่อลดความซับซ้อนของการออกแบบการเชื่อมต่อระหว่างกัน — หน้าอะลูมิเนียมจะยึดติดกับขั้วบวกของอะลูมิเนียมโดยการเชื่อมด้วยคลื่นเสียงความถี่สูง ในขณะที่หน้าทองแดงให้พื้นผิวการเชื่อมต่อแบบบัดกรี เชื่อมได้ หรือแบบสลักเกลียวที่เข้ากันได้กับบัสบาร์ทองแดง ซึ่งจะช่วยลดความเสี่ยงในการกัดกร่อนของกัลวานิกที่เกิดขึ้นเมื่อฮาร์ดแวร์ทองแดงถูกขันเข้ากับขั้วเซลล์อะลูมิเนียมโดยตรงโดยไม่ต้องใช้วัสดุทรานซิชัน

บัสบาร์ไฟฟ้าและสวิตช์เกียร์

บัสบาร์อะลูมิเนียมหุ้มทองแดงเป็นกลยุทธ์ลดน้ำหนักโดยตรงและลดต้นทุนสำหรับการติดตั้งระบบไฟฟ้าขนาดใหญ่ — ศูนย์ข้อมูล สวิตช์เกียร์อุตสาหกรรม แผงจ่ายไฟ และระบบอินเวอร์เตอร์พลังงานหมุนเวียน — โดยที่น้ำหนักบัสบาร์ทองแดงและต้นทุนวัสดุเป็นปัจจัยสำคัญในงบประมาณการติดตั้งทั้งหมด บัสบาร์ CCA ที่มีทองแดง 10–20% โดยพื้นที่หน้าตัดทำให้ได้ประมาณ 80–85% ของความสามารถในการรองรับกระแสไฟฟ้าของบัสบาร์ทองแดงบริสุทธิ์ที่มีขนาดเท่ากัน ที่ประมาณ 45–50% ของน้ำหนักและ 55–65% ของต้นทุนวัสดุที่ส่วนต่างราคาทองแดง-อะลูมิเนียมทั่วไป พื้นผิวทองแดงให้ความเข้ากันได้เต็มรูปแบบกับเทคนิคการเตรียมข้อต่อทองแดงมาตรฐาน — การชุบดีบุก การชุบเงิน หรือการต่อด้วยสลักเกลียวทองแดงเปลือย — โดยไม่ต้องใช้สารประกอบข้อต่อพิเศษ แหวนรอง Belleville และข้อกำหนดในการตรวจสอบที่เกี่ยวข้องกับการเชื่อมต่อระหว่างอลูมิเนียมกับทองแดงในรหัสไฟฟ้า

เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนและการจัดการความร้อน

ในตัวแลกเปลี่ยนความร้อนของยานยนต์และ HVAC การผสมผสานระหว่างความหนาแน่นต่ำและความต้านทานการกัดกร่อนของอลูมิเนียมกับการนำความร้อนที่เหนือกว่าของทองแดงทำให้เกิดความสนใจในโครงสร้างครีบและท่อคอมโพสิต Cu-Al เครื่องแลกเปลี่ยนความร้อนแบบอะลูมิเนียมประสานครอบงำระบบปรับอากาศรถยนต์และการทำความเย็นน้ำมันที่ทันสมัย ​​เนื่องจากมีน้ำหนักเบาและมีโครงสร้างพื้นฐานด้านการผลิตที่เป็นที่ยอมรับ การออกแบบตัวแลกเปลี่ยนความร้อนอลูมิเนียมแบบแทรกทองแดงหรือแบบมีเส้นทองแดงปรากฏในการใช้งานที่ช่องว่างประสิทธิภาพการระบายความร้อนระหว่างอลูมิเนียมและทองแดงมีความสำคัญ — แผ่นเย็นทำความเย็นแบบอิเล็กทรอนิกส์บางประเภท, พื้นผิวของโมดูลพลังงาน และตัวระบายความร้อนแบบฟลักซ์สูง — และในกรณีที่การปรับน้ำหนักของทองแดงบริสุทธิ์เป็นสิ่งที่ยอมรับไม่ได้ ไมโครช่องทองแดงหรือส่วนแทรกทองแดงภายในโครงสร้างตัวเครื่องอะลูมิเนียมสามารถเพิ่มการกระจายความร้อนในพื้นที่ได้ ในขณะเดียวกันก็รักษาน้ำหนักการประกอบโดยรวมให้ใกล้เคียงกับการออกแบบอะลูมิเนียมทั้งหมด

การกัดกร่อนของกัลวานิก: ความท้าทายที่สำคัญในข้อต่อคอมโพสิต Cu-Al

การกัดกร่อนแบบกัลวานิกถือเป็นความท้าทายด้านความน่าเชื่อถือที่สำคัญที่สุดเมื่อทำงานกับวัสดุคอมโพสิต Cu-Al ในสภาพแวดล้อมการทำงานที่เกี่ยวข้องกับความชื้นหรือการควบแน่น ทองแดงและอะลูมิเนียมถูกแยกออกจากกันประมาณ 0.5–0.7V ในชุดกัลวานิกในน้ำทะเล ทำให้อะลูมิเนียมมีขั้วบวกอย่างแรงเมื่อเทียบกับทองแดง เมื่อโลหะทั้งสองสัมผัสกันทางไฟฟ้าและเปียกด้วยอิเล็กโทรไลต์ แม้กระทั่งการควบแน่นในชั้นบรรยากาศพร้อมกับสารมลพิษทางอุตสาหกรรมที่ละลายอยู่ อะลูมิเนียมจะทำหน้าที่เป็นขั้วบวกแบบบูชายัญและกัดกร่อนบริเวณบริเวณสัมผัสได้เป็นพิเศษ การกัดกร่อนนี้ทำให้เกิดการสะสมตัวของอะลูมิเนียมออกไซด์และไฮดรอกไซด์ที่เพิ่มความต้านทานต่อการสัมผัส ทำให้เกิดความเครียดจากการขยายตัวในข้อต่อ และท้ายที่สุดทำให้เกิดความล้มเหลวทางกลและทางไฟฟ้าของการเชื่อมต่อ

ในคอมโพสิต Cu-Al ที่ผลิตอย่างดี โดยที่ส่วนต่อประสานของพันธะมีความต่อเนื่องทางโลหะวิทยา และอลูมิเนียมถูกห่อหุ้มอย่างสมบูรณ์ด้วยการหุ้มด้วยทองแดง กัลวานิกคูเปอร์จะถูกระงับอย่างมีประสิทธิภาพเนื่องจากพื้นผิวอะลูมิเนียมไม่ได้สัมผัสกับสิ่งแวดล้อม ความเสี่ยงเกิดขึ้นที่คมตัด พื้นผิวที่ตัดเฉือน และพื้นที่ขั้วต่อซึ่งแกนอะลูมิเนียมเปิดออก แนวปฏิบัติที่ดีที่สุดสำหรับส่วนประกอบคอมโพสิต Cu-Al ในสภาพแวดล้อมที่มีฤทธิ์กัดกร่อน ได้แก่ การชุบดีบุกหรือการชุบเงินบริเวณขอบและพื้นที่ขั้วต่อทั้งหมด การใช้สารประกอบข้อต่อกับอินเทอร์เฟซการเชื่อมต่อแบบสลักเกลียว การรักษาการป้องกันตัวเครื่องที่ได้รับการจัดอันดับ IP เพื่อไม่ให้ความชื้น และใช้วัสดุตัวยึดและฮาร์ดแวร์ที่เข้ากันได้ (สแตนเลสหรือฮาร์ดแวร์ทองแดงชุบดีบุกแทนที่จะเป็นเหล็กเปลือย)

การก่อตัวของเฟสอินเตอร์เมทัลลิกที่ส่วนต่อประสานของพันธะ

ที่อุณหภูมิสูงกว่าประมาณ 200°C ทองแดงและอะลูมิเนียมจะกระจายไปทั่วส่วนต่อประสานเพื่อสร้างสารประกอบระหว่างโลหะ โดยหลักๆ แล้ว CuAl₂ (θ เฟส) และ Cu₉Al₄ (γ เฟส) อินเตอร์เมทัลลิกเหล่านี้เปราะ มีค่าการนำไฟฟ้าต่ำเมื่อเทียบกับโลหะบริสุทธิ์ และเติบโตอย่างต่อเนื่องในอัตราที่เร่งตามอุณหภูมิ ในแถบ CCA แบบม้วนที่ผลิตและใช้งานที่อุณหภูมิแวดล้อม การเจริญเติบโตระหว่างโลหะมีค่าเล็กน้อยตลอดอายุการใช้งานของผลิตภัณฑ์ ในการใช้งานที่เกี่ยวข้องกับอุณหภูมิสูงอย่างยั่งยืน — กระบวนการบัดกรี reflow สำหรับการประกอบอิเล็กทรอนิกส์ ข้อต่อกระแสสูงที่ทำงานร้อนในบริการ หรือการอบอ่อนที่ใช้หลังจากการขึ้นรูปคอมโพสิต — การเจริญเติบโตระหว่างโลหะจะต้องได้รับการจัดการอย่างระมัดระวัง การระบุอุณหภูมิและระยะเวลาสูงสุดของกระบวนการ และการตรวจสอบความหนาของชั้นระหว่างโลหะโดยการตรวจสอบโลหะวิทยาภาคตัดขวาง ถือเป็นแนวทางปฏิบัติในการประกันคุณภาพมาตรฐานสำหรับส่วนประกอบคอมโพสิต Cu-Al ในการให้บริการที่อุณหภูมิสูง

การผลิต การเชื่อม และการตัดเฉือนส่วนประกอบคอมโพสิต Cu-Al

วัสดุคอมโพสิต Cu-Al สามารถแปรรูปได้โดยการปฏิบัติงานโลหะมาตรฐานส่วนใหญ่ แต่การมีอยู่ของชั้นที่แตกต่างกันทางกลไก 2 ชั้นนั้นจำเป็นต้องให้ความสนใจกับเครื่องมือ พารามิเตอร์การตัด และวิธีการเชื่อมเพื่อหลีกเลี่ยงการแยกชั้น การกำจัดวัสดุพิเศษ หรือการเสื่อมสภาพของข้อต่อ

การตัด การเจาะ และการขึ้นรูป

แถบ CCA ที่มีการยึดติดแบบม้วนสามารถตัดได้โดยการตัด การเจาะ และการตัดด้วยเลเซอร์โดยใช้เครื่องมือมาตรฐาน โดยคำนึงถึงเบื้องต้นว่าทองแดงและอะลูมิเนียมมีความแข็งแรงของผลผลิตและอัตราการแข็งตัวของงานที่แตกต่างกัน เครื่องมือที่มีความคมเป็นสิ่งสำคัญในการสร้างคมตัดที่สะอาด โดยไม่มีครีบหรือหลุดที่ส่วนต่อประสาน ในการปั๊มแม่พิมพ์แบบโปรเกรสซีฟ — กระบวนการมาตรฐานสำหรับการผลิตแท็บแบตเตอรี่และตัวเชื่อมต่อในปริมาณมาก — ระยะห่างของแม่พิมพ์จะต้องได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับกองคอมโพสิต แทนที่จะใช้แต่ละชั้นเพียงอย่างเดียว การดัดและการขึ้นรูปต้องคำนึงถึงพฤติกรรมการสปริงกลับที่แตกต่างกันของทองแดงและอะลูมิเนียม ซึ่งอาจทำให้แถบคอมโพสิตโค้งไปทางด้านทองแดงหลังจากปล่อยออกจากเครื่องมือดัดงอ หากแกนกลางไม่ได้อยู่ที่จุดศูนย์กลางทางเรขาคณิตของหน้าตัดของคอมโพสิต

วิธีการเชื่อมและการเชื่อม

การเชื่อมคอมโพสิต Cu-Al เข้ากับตัวมันเองหรือกับส่วนประกอบอื่นๆ จำเป็นต้องเลือกวิธีการอย่างระมัดระวัง เพื่อหลีกเลี่ยงการเกิดระหว่างโลหะที่เปราะซึ่งเกิดขึ้นกับการเชื่อมฟิวชันแบบทั่วไป วิธีที่ต้องการคือ:

• การเชื่อมด้วยอัลตราโซนิก — กระบวนการมาตรฐานสำหรับการต่อขั้วแบตเตอรี่แบบแท็บต่อเซลล์ เพื่อให้ได้พันธะโซลิดสเตตที่อุณหภูมิต่ำ ซึ่งหลีกเลี่ยงการเกิดระหว่างโลหะ ใช้ได้กับแผ่นบางและฟอยล์ที่มีความหนาสูงสุดประมาณ 3 มม.
• การเชื่อมแบบกวนด้วยแรงเสียดทาน (FSW) — สร้างข้อต่อโซลิดสเตตคุณภาพสูงในแผ่นคอมโพสิต Cu-Al และบัสบาร์ที่หนาขึ้นโดยการทำให้วัสดุเป็นพลาสติกใต้จุดหลอมเหลว ประสิทธิภาพข้อต่อ FSW ที่ 80–95% ของความแข็งแรงของวัสดุฐานสามารถทำได้ด้วยพารามิเตอร์กระบวนการที่ปรับให้เหมาะสม
• การเชื่อมด้วยเลเซอร์ — ใช้สำหรับแถบ CCA แบบบางและการต่อสายไฟที่ต้องการความเร็วและความแม่นยำ โดยมีพารามิเตอร์กระบวนการควบคุมอย่างเข้มงวดเพื่อลดการป้อนความร้อนให้เหลือน้อยที่สุด และรักษาส่วนต่อประสานให้ต่ำกว่าเกณฑ์การก่อตัวของอินเตอร์เมทัลลิก
• การยึดเชิงกล — การเชื่อมต่อแบบสลักเกลียวที่มีแรงบิดที่เหมาะสม แหวนรอง Belleville เพื่อรักษาแรงยึดผ่านการหมุนเวียนด้วยความร้อน และข้อต่อหรือการชุบผิวสัมผัสยังคงเป็นตัวเลือกที่เชื่อถือได้และนำกลับมาใช้ใหม่ได้สำหรับการเชื่อมต่อบัสบาร์และขั้วต่อในการติดตั้งระบบไฟฟ้า

การระบุวัสดุคอมโพสิต Cu-Al: สิ่งที่ต้องกำหนดก่อนสั่งซื้อ

การสั่งซื้อวัสดุคอมโพสิต Cu-Al โดยไม่มีข้อกำหนดเฉพาะที่ครบถ้วนเป็นหนึ่งในสาเหตุที่พบบ่อยที่สุดของปัญหาด้านประสิทธิภาพและการวางแนวที่ไม่ถูกต้องของซัพพลายเออร์ในโครงการที่ใช้วัสดุเหล่านี้เป็นครั้งแรก ข้อมูลจำเพาะต้องเกินกว่าขนาดที่ระบุเพื่อบันทึกคุณภาพของส่วนต่อประสาน ความทนทานต่อความหนาของชั้น และการทดสอบการตรวจสอบประสิทธิภาพที่กำหนดคอมโพสิตที่เหมาะกับวัตถุประสงค์

• ความหนาและความทนทานของชั้นทองแดง: ระบุความหนาของชั้นทองแดงทั้งขั้นต่ำและที่ระบุเป็นเปอร์เซ็นต์ของความหนาคอมโพสิตทั้งหมดหรือเป็นขนาดสัมบูรณ์ ความหนาของชั้นทองแดงขั้นต่ำจะกำหนดประสิทธิภาพเชิงลึกของผิวสำหรับการใช้งานความถี่สูงและระยะขอบการป้องกันการกัดกร่อนที่ขอบตัด
• คุณภาพการเชื่อมต่อของพันธบัตร: ต้องมีการทดสอบความแข็งแรงของพันธะตามมาตรฐานที่กำหนด (โดยทั่วไปคือความต้านทานการลอกเป็น N/mm หรือความต้านทานแรงเฉือนแบบ Lap ในหน่วย MPa) โดยมีค่าการยอมรับขั้นต่ำ ระบุว่าพันธะต้องปราศจากช่องว่าง การแยกชั้น และชั้นระหว่างโลหะที่มีความหนาเกินที่กำหนดไว้ (โดยทั่วไปคือ ≤2 µm สำหรับวัสดุที่ติดแบบม้วน)
• เกรดโลหะผสมฐาน: ระบุเกรดอะลูมิเนียมอัลลอยด์ (เช่น 1050, 1100, 3003 หรือ 6061 สำหรับงานโครงสร้าง) และเกรดทองแดง (ทองแดง C11000 ETP สำหรับงานไฟฟ้า หรือ C10100 OFE สำหรับข้อกำหนดการนำไฟฟ้าสูงสุด)
• คุณสมบัติทางอารมณ์และทางกล: ระบุอุณหภูมิที่ต้องการ (O = อบอ่อนเต็มที่, H14 = แข็งครึ่ง, H18 = แข็งเต็มสำหรับอะลูมิเนียม; ชื่อที่เทียบเท่ากับทองแดง) และค่าความต้านทานแรงดึง, ความแข็งแรงของผลผลิต และข้อกำหนดการยืดตัวที่เกิดขึ้น
• การนำไฟฟ้า: สำหรับการใช้งานทางไฟฟ้า ให้ระบุค่าการนำไฟฟ้าขั้นต่ำเป็น % IACS ที่วัดได้จากหน้าตัดของคอมโพสิต หรือระบุค่าความต้านทานสูงสุดต่อหน่วยความยาวสำหรับรูปทรงหน้าตัดของตัวนำที่กำหนดไว้
• สภาพพื้นผิวและการรักษาขอบ: ระบุว่าขอบอะลูมิเนียมแบบเปลือยที่ปลายตัดจำเป็นต้องมีการป้องกันใดๆ หรือไม่ เช่น การชุบดีบุก การชุบเงิน หรือการปิดผนึกขอบ สำหรับสภาพแวดล้อมการบริการที่ต้องการ และพื้นผิวทองแดงต้องการการตกแต่งพื้นผิวใดๆ นอกเหนือจากการตกแต่งโรงสีหรือไม่ (อบอ่อนแบบสว่าง การชุบดีบุกด้วยไฟฟ้า ฯลฯ)

การทำงานร่วมกับซัพพลายเออร์ที่ให้การรับรองวัสดุ รวมถึงองค์ประกอบทางเคมี ผลการทดสอบทางกล การวัดค่าการนำไฟฟ้า และข้อมูลคุณภาพการเชื่อมต่อพันธะสำหรับล็อตการผลิตแต่ละล็อต ช่วยให้สามารถควบคุมคุณภาพขาเข้าได้อย่างมีประสิทธิภาพ และจัดเตรียมเอกสารการตรวจสอบย้อนกลับที่จำเป็นสำหรับการใช้งานในภาคยานยนต์ การบินและอวกาศ และโครงสร้างพื้นฐานด้านพลังงานที่ได้รับการควบคุม ความพยายามที่เพิ่มขึ้นในการสร้างโปรแกรมข้อกำหนดเฉพาะและคุณสมบัติล่วงหน้าจะได้รับการกู้คืนอย่างต่อเนื่องผ่านความล้มเหลวของฟิลด์ที่ลดลง การเรียกร้องการรับประกัน และข้อโต้แย้งเกี่ยวกับข้อกำหนดตลอดอายุการใช้งานของผลิตภัณฑ์