1. Współczynnik rozszerzalności cieplnej czystej miedzi
Czysta miedź (miedź{{0}beztlenowa lub czysta miedź dostępna w handlu, taka jak T2, C11000) ma stosunkowo wysoki współczynnik liniowej rozszerzalności cieplnej, co jest jedną z jej ważnych właściwości fizycznych w zastosowaniach inżynieryjnych.
Od 20 stopni do 100 stopni: około 16,5 × 10⁻⁶/stopień
Od 20 stopni do 200 stopni: około 17,3 × 10⁻⁶/stopień
Od 20 stopni do 300 stopni: około 17,7 × 10⁻⁶/stopień
Oznacza to, że wraz ze wzrostem temperatury czysta miedź zauważalnie rozszerza się, co należy wziąć pod uwagę przy projektowaniu termicznym, pasowaniach montażowych i-komponentach konstrukcyjnych pracujących w wysokich temperaturach.
2. Czy czysta miedź nadaje się do długotrwałej-pracy w wysokich-temperaturach?
2.1 Wniosek
Czysta miedź NIE nadaje się do długotrwałego-użytkowania w wysokich temperaturach, zwłaszcza powyżej 250 stopni.
Może utrzymać stabilną wydajność tylko w przypadku długotrwałej-pracy w temperaturze poniżej 150 stopni w atmosferze niekorozyjnej. Powyżej tej temperatury utlenianie, zmiękczanie, utrata wytrzymałości i degradacja strukturalna stają się poważne i ograniczają żywotność.
2.2 Degradacja wydajności czystej miedzi w wysokich temperaturach
(1) Przyspieszone utlenianie
Poniżej 300 stopni miedź tworzy cienką warstwę tlenku (Cu₂O i CuO), która zapewnia ograniczoną ochronę.
Powyżej 300 stopni utlenianie znacznie przyspiesza. Warstwa tlenku staje się gruba, luźna i nie chroni, stale wnikając do wewnątrz. Powyżej 500 stopni utlenianie jest niezwykle szybkie, co prowadzi do zużycia materiału, kruchości powierzchni i pękania.
W środowiskach zawierających siarkę, chlor lub inne pierwiastki korozyjne,-korozja wysokotemperaturowa ulega dalszemu przyspieszeniu, powodując wczesną awarię.
(2) Znacząca utrata wytrzymałości mechanicznej
Czysta miedź ma niską wytrzymałość w wysokich temperaturach i jest podatna na mięknięcie i pełzanie.
W temperaturze 100–200 stopni wytrzymałość spada o około 10–20%. W temperaturze 300–400 stopni wytrzymałość spada o 30–50%, a odkształcenie plastyczne pod obciążeniem staje się nieuniknione.
Powyżej 500 stopni wytrzymałość resztkowa jest mniejsza niż jedna trzecia wytrzymałości w temperaturze pokojowej, co czyni ją nieodpowiednią dla jakiejkolwiek konstrukcji nośnej.
(3) Pogorszenie przewodności elektrycznej i cieplnej
Chociaż miedź pozostaje wysoce przewodząca w wysokich temperaturach, jej oporność elektryczna wzrasta wraz z temperaturą (około +0.4% na stopień).
Przy temperaturze 500 stopni rezystywność prawie się podwaja, zmniejszając wydajność przewodzenia i zwiększając wytwarzanie ciepła.
Przewodność cieplna również zmniejsza się stopniowo w podwyższonych temperaturach, osłabiając jej zaletę w zakresie rozpraszania ciepła.
2.3 Zalecane długoterminowe zakresy temperatur roboczych
Mniej niż lub równa 120 stopni: Standardowa temperatura długotrwałej eksploatacji komponentów elektrycznych, kabli i wymienników ciepła; stabilny i niezawodny.
120–250 stopni: akceptowalny w przypadku pracy średnioterminowej, ale z przyspieszonym starzeniem; wymaga regularnej kontroli.
>250 stopni: Nie zaleca się ciągłego, długotrwałego użytkowania.
>500 stopni: Tylko w przypadku wyjątkowo krótkotrwałego narażenia; długotrwałe użytkowanie doprowadzi do szybkiej awarii.
2.4 Środki udoskonalające w zastosowaniach wysokotemperaturowych
Jeśli w podwyższonych temperaturach konieczne jest stosowanie czystej miedzi, następujące środki mogą wydłużyć żywotność:
Powłoka powierzchniowa: Niklowanie, cynowanie lub srebrzenie w celu odizolowania tlenu.
Atmosfera kontrolowana: Stosować w atmosferach obojętnych lub redukujących (azot, wodór) w celu powstrzymania utleniania.
Zastąpienie stopu: Stopy mosiądzu, brązu lub miedzi i niklu zapewniają znacznie lepszą stabilność w wysokich temperaturach.
Projekt konstrukcyjny: Zapewnij przestrzeń na rozszerzalność cieplną i zmniejsz naprężenia termiczne.
2.5 Podsumowanie
Czysta miedź doskonale nadaje się do przewodzenia ciepła i prądu w niskich i umiarkowanych temperaturach (mniejszych lub równych 150 stopni).
Jednakże ze względu na szybkie utlenianie, silne mięknięcie i pogarszające się właściwości mechaniczne, nie nadaje się do długotrwałej pracy w wysokich temperaturach powyżej 250 stopni. W przypadku zastosowań inżynieryjnych w wysokich temperaturach wybór materiału powinien faworyzować żaroodporne stopy miedzi lub elementy z miedzi zabezpieczonej powierzchniowo, przy ścisłych ograniczeniach dotyczących temperatury roboczej i środowiska pracy.
