1. Puhtaan kuparin lämpölaajenemiskerroin
Puhtaalla kuparilla (happi{0}}vapaa kupari tai kaupallinen puhdas kupari, kuten T2, C11000) on suhteellisen korkea lineaarinen lämpölaajenemiskerroin, joka on yksi sen tärkeistä fysikaalisista ominaisuuksista teknisissä sovelluksissa.
20 astetta 100 asteeseen: noin 16,5 × 10⁻⁶ / aste
20 astetta 200 asteeseen: noin 17,3 × 10⁻⁶ / aste
20 astetta 300 asteeseen: noin 17,7 × 10⁻⁶ / aste
Tämä tarkoittaa, että kun lämpötila nousee, puhdas kupari laajenee huomattavasti, mikä on otettava huomioon lämpösuunnittelussa, kokoonpanosovituksissa ja korkeissa{0}}lämpötiloissa rakennekomponenteissa.
2. Sopiiko puhdas kupari pitkäaikaiseen-korkean lämpötilan{2}}käyttöön?
2.1 Johtopäätös
Puhdas kupari EI sovellu pitkäaikaiseen-käyttöön korkeissa lämpötiloissa, etenkään yli 250 asteen lämpötiloissa.
Se voi säilyttää vakaan suorituskyvyn vain pitkäaikaisessa{0}}käytössä alle 150 asteen lämpötilassa syövyttämättömissä ympäristöissä. Tämän lämpötilan yläpuolella hapettuminen, pehmeneminen, lujuuden menetys ja rakenteellinen rappeutuminen muuttuvat vakavaksi ja rajoittavat sen käyttöikää.
2.2 Puhtaan kuparin suorituskyvyn heikkeneminen korkeissa lämpötiloissa
(1) Nopeutettu hapetus
Alle 300 asteen lämpötilassa kupari muodostaa ohuen oksidikalvon (Cu2O ja CuO), joka tarjoaa rajoitetun suojan.
Yli 300 asteen hapettuminen kiihtyy merkittävästi. Oksidikerroksesta tulee paksu, löysä ja suojaamaton, ja se tunkeutuu jatkuvasti sisäänpäin. Yli 500 asteen hapettuminen on erittäin nopeaa, mikä johtaa materiaalin kulutukseen, pinnan haurastumiseen ja halkeilemiseen.
Ympäristöissä, jotka sisältävät rikkiä, klooria tai muita syövyttäviä alkuaineita, korkean lämpötilan{0}}korroosio kiihtyy entisestään, mikä aiheuttaa varhaisen vian.
(2) Merkittävä mekaanisen lujuuden menetys
Puhtaalla kuparilla on alhainen lujuus korkeissa lämpötiloissa ja se on taipuvainen pehmenemään ja virumaan.
100–200 asteessa lujuus heikkenee noin 10–20 %. 300–400 asteessa lujuus laskee 30–50 % ja plastinen muodonmuutos kuormituksen alaisena tulee väistämättömäksi.
Yli 500 asteen jäännöslujuus on alle kolmasosa huoneenlämpötilasta, joten se ei sovellu mihinkään kantavaan rakenteeseen.
(3) Sähkön ja lämmönjohtavuuden heikkeneminen
Vaikka kupari pysyy erittäin johtavana korkeissa lämpötiloissa, sen sähkövastus kasvaa lämpötilan myötä (noin +0.4 % astetta kohden).
500 asteessa resistanssi lähes kaksinkertaistuu, mikä vähentää johtavuustehokkuutta ja lisää lämmöntuotantoa.
Lämmönjohtavuus laskee myös asteittain korotetuissa lämpötiloissa, mikä heikentää sen lämmönpoistoetua.
2.3 Suositeltavat pitkän aikavälin käyttölämpötila-alueet
Alle tai yhtä suuri kuin 120 astetta: Sähkökomponenttien, kaapeleiden ja lämmönvaihtimien pitkän käyttöiän vakiolämpötila; vakaa ja luotettava.
120–250 astetta : Hyväksytään keskipitkällä aikavälillä, mutta nopeutetulla ikääntymisellä; vaatii säännöllistä tarkastusta.
>250 astetta: Ei suositella jatkuvaan pitkäaikaiseen käyttöön.
>500 astetta : Vain erittäin lyhytaikainen altistus; pitkäaikainen käyttö johtaa nopeaan epäonnistumiseen.
2.4 Parannustoimenpiteet korkean lämpötilan sovelluksille
Jos puhdasta kuparia on käytettävä korkeissa lämpötiloissa, seuraavat toimenpiteet voivat pidentää käyttöikää:
Pintapinnoitus: Nikkelöinti, tinaus tai hopeointi hapen eristämiseksi.
Kontrolloitu ilmakehä: Käytä inertissä tai pelkistävässä ilmakehässä (typpi, vety) hapettumisen estämiseen.
Seoksen korvaaminen: Messinki-, pronssi- tai kupari-nikkeliseokset tarjoavat paljon paremman stabiilisuuden korkeissa lämpötiloissa.
Rakennesuunnittelu: Salli lämpölaajenemistila ja vähennä lämpörasitusta.
2.5 Yhteenveto
Puhdas kupari soveltuu erinomaisesti lämmön ja sähkön johtamiseen matalissa tai kohtalaisissa lämpötiloissa (alle 150 astetta tai yhtä suuri).
Nopean hapettumisen, voimakkaan pehmenemisen ja heikkenevien mekaanisten ominaisuuksien vuoksi se ei kuitenkaan sovellu pitkäaikaiseen korkean lämpötilan huoltoon yli 250 astetta. Korkean lämpötilan suunnittelusovelluksissa materiaalivalinnalla tulisi suosia lämmönkestäviä kupariseoksia tai pintasuojattuja kuparikomponentteja, tiukat käyttölämpötila- ja käyttöympäristörajoitukset.
