Własności elektryczne drutów

Niniejszy podrozdział w szczególności ma na celu wykazanie roli tlenku na własności elektryczne drutów. Tlen w miedzi wiąże pierwiastki bardziej elektroujemne od miedzi w tlenki lub grupy tlenkowe, co zapobiega ich wejściu do roztworu. Obecność w roztworze atomów pierwiastków zanieczyszczeń wpływa negatywnie na przewodność elektryczną, jednocześnie utrudnia proces rekrystalizacji. Stopień wpływu zależy od rodzaju atomów oraz ich zawartości. Taki jest historyczny sens dodatku tlenu do miedzi. Wówczas katoda była o dużo niższym poziomie czystości chemicznej, obecnie katoda ma zawartość atomów zanieczyszczeń na poziomie 20 ppm. Zatem rodzi się pytanie, czy swoistego rodzaju rafinacja miedzi tlenem jest konieczna i czy w związku z tym eutektyczne tlenki jako wydzielenia pierwotne same w sobie nie niosą negatywnego skutku, jeśli chodzi o własności elektryczne drutów? Zwłaszcza, że z analizy struktury wynika, że są one jej istotnym elementem, a nieciągłości utworzone na granicach faz będą z całą pewnością obniżać przekrój elektrycznie czynny, więc z punktu widzenia prawa Ohma rezystancja drutu o tej samej średnicy wykonana z miedzi beztlenowej może być inna (niższa). Zawartość i rozdrobnienie tlenku Cu2O w strukturze materiału jest ściśle związane z zawartością tlenu w miedzi i termodynamicznymi warunkami krzepnięcia. Istotnym czynnikiem wpływającym na kształtowanie się przewodności elektrycznej właściwej miedzi wykorzystywanej na cele elektryczne jest oprócz zawartości tlenu, także jej stan strukturalny. W tym świetle zaplanowane w programie badania z wykorzystaniem miedzi beztlenowej są uzasadnione, niosą bowiem przesłankę, co do ujęcia wpływu obecności tlenku na rezystancję drutu. Jednakże struktura odlewnicza prętów Upcast różnicuje te materiały z punktu widzenia liczby ziaren w sensie liczby granic ziaren, które też są miejscami rozproszenia elektronów swobodnych. Zatem ten eksperyment nie jest czysty z dwóch powodów:

1) ponieważ istnieje zróżnicowanie strukturalne pomiędzy walcówką ETP (materiał po walcowaniu na gorąco) i prętem Upcast (odlew),

137

Eksperymentem rozstrzygającym jest przeprowadzenie badań na materiale beztlenowym, ale o strukturze zrekrystalizowanej podobnie jak walcówka z miedzi w gat. ETP. Uzyskanie struktury walcówki ETP i prętów OFC-C o porównywalnej wielkości ziarna w pewnym sensie pozwala na określenie, czy istnieje obecność atomów obcych w osnowie w prętach OFC-C. Pośrednią odpowiedzią na to pytanie będzie porównanie własności elektrycznych tych materiałów.

Istnieją trzy teoretyczne możliwości jeśli chodzi o położenie charakterystyki przewodności elektrycznej OFC-C, a odkształceniem względnym charakterystyki przewodności właściwej dla miedzi ETP:

a) będzie leżeć poniżej charakterystyki dla ETP, co oznaczałoby, że obydwa materiały są identyczne pod względem strukturalnym, ale miedź OFC-C ma w roztworze atomy obce i ich wpływ jest duży silniejszy na przewodność elektryczną niż obecność tlenku i wszystkich ubocznych skutków jego istnienia (mikropęknięcia, szczeliny międzyfazowe, pola naprężeń wokół cząstek itp.),

b) może być na poziomie OFC, co mogłoby oznaczać brak wpływu struktury i taką samą czystość osnowy, co w miedzi ETP,

c) może leżeć pomiędzy tymi dwiema charakterystykami, ale bliżej OFC (przypadek najbardziej prawdopodobny - rzeczywisty), co oznacza że materiały posiadają czystą osnowę, istnieje niewielki niekorzystny wpływ struktury (drobne ziarno - większa ilość miejsc rozproszenia energii elektronów swobodnych) i zauważalny istotny wpływ obecności tlenku i wszystkich pochodnych jego istnienia w odkształconej strukturze drutu na przekrój elektrycznie czynny i pozostałe strukturalne przyczyny wzrostu rozproszenia energii elektronów swobodnych wywołane obecnością tlenku.

Na rysunku 8.57 i 8.58 przedstawiono wyniki badań własności elektrycznych drutów (od średnicy 8 do 0,5 mm) otrzymanych z różnych gatunków miedzi w funkcji odkształcenia rzeczywistego 𝜀_𝑟𝑧 (lnλ).

138

Rys. 8.57. Przewodność elektryczna właściwa drutów miedzianych w funkcji odkształcenia rzeczywistego

Rys. 8.58. Rezystywność elektryczna drutów miedzianych w funkcji odkształcenia rzeczywistego 56,0 56,5 57,0 57,5 58,0 58,5 59,0 59,5 60,0 0 1 2 3 4 5 6 P rze w od no ść elek tr ycz na w łaściw a , γ [MS/m ] Odkształcenie rzeczywiste, ε_rz[-]

Cu-ETP Cu-OFC Cu-OFC-C

16,4 16,6 16,8 17,0 17,2 17,4 17,6 17,8 18,0 0 1 2 3 4 5 6 R ez ys ty w no ść, ρ [n Ω m] Odkształcenie rzeczywiste, ε_rz[-]

139

Możliwe interpretacje uzyskanych wyników badań w zakresie własności elektrycznych drutów.

Otrzymane wyniki badań własności elektrycznych wykazują, że miedź w gat. OFC (uzyskany technologią Upcast) oraz materiał OFC-C (pręty otrzymane metodą ciągłego odlewania Upcast, a następnie wyciskanie na gorąco metodą Conform) wykazują zbliżone własności elektryczne dla materiałów wsadowych – pręty o średnicy 8 mm. Po takiej analizie można postawić tezę, że obecność tlenku będzie obniżać przewodność elektryczną głównie z powodu zaburzeń strukturalnych, a proces rafinacji miedzi z atomów zanieczyszczeń przy tej czystości katod jest zagadnieniem marginalnym.

Ciekawą zależnością jest fakt, że materiał Cu-OFC-C już po pierwszym ciągu posiada przewodność elektryczną na niższym poziomie niż miedź w gat. OFC, sytuacja taka utrzymuje się aż do momentu osiągnięcia odkształcenia rzeczywistego na poziomie 4 (średnica drutu około 1 mm), gdzie przewodność elektryczna materiału po procesie Conform wyraźnie przewyższa przewodność uzyskaną przez miedź w gat. OFC. Ostatecznie dla drutu o średnicy finalnej 0,5 mm przewodność elektryczna wynosi w przypadku miedzi w gat. OFC - 56,7 MS/m (17,63 nΩm) oraz dla materiału Cu-OFC-C - 56,9 MS/m (17,57 nΩm). Spowodowane może to być niższą gęstością materiału odlewanego związaną z odlewniczą strukturą materiału. Pierwszy ciąg niweluje tego typu nieciągłości strukturalne, co przekłada się na wyższą gęstość materiału i wyższą przewodność elektryczną właściwą w porównaniu z materiałem po rekrystalizacji. Z kolei bardzo duże odkształcenie prętów o strukturze odlewniczej (w tym przypadku dla drutów o średnicy poniżej 1 mm) może skutkować wewnętrznymi nieciągłościami, co mogłoby tłumaczyć spadek przewodności.

Miedź tlenowa w gat. Cu-ETP wykazuje niższą przewodność elektryczną właściwą w porównaniu z pozostałymi badanymi materiałami. Spowodowane jest to prawdopodobnie mniejszą ilością granic ziaren w przypadku miedzi beztlenowej (Cu-OFC i brakiem tlenków w przypadku materiału OFC-C), co w obu przypadkach przekłada się bezpośrednio na mniejszą ilość przeszkód w swobodnym przepływie elektronów. Wszystkie badane materiały wykazują spadek przewodności elektrycznej wraz ze wzrostem umocnienia na poziomie około 4%: Cu-ETP (3,8%), Cu-OFC (4,2%) i Cu-OFC-C (4,2%).

Obniżona przewodność elektryczna miedzi w gat. ETP w porównaniu do pozostałych materiałów może także bezpośrednio wynikać z obecności tlenków Cu2O w strukturze. Obecność tlenków wpływa na obniżenie objętościowe przekroju próbki, a więc na przewodność objętościową materiału (przekrój elektrycznie czynny). W miedzi w gat. ETP przy zawartości 200 ppm wag. tlenu, tlenek Cu2O wypełnia przekrój elektrycznie czynny drutu w ilości 0,2% wagowego, jednak przeliczając to na objętość w ilości 0,3% ob. Podczas analiz strukturalnych nie zaobserwowano ani jednej płaszczyzny przekroju poprzecznego, gdzie nie pojawiają się tlenki. Zarówno materiał ETP jak i OFC-C posiadają zbliżoną strukturę (drobne ziarno - większa ilość miejsc rozproszenia energii elektronów swobodnych), dlatego posiadają niższą przewodność elektryczną od miedzi OFC. Niekorzystny wpływ na przewodność elektryczną mogą zatem mieć tlenki, które owszem wiążą domieszki atomów zanieczyszczeń, jednak zmniejszą także przekrój elektryczny czynny drutu degradując tym samym przewodność elektryczną w porównaniu do materiałów o niżej zawartości tlenu oraz wprowadzają mikroszczeliny na granicy osnowa - tlenek dla każdej cząstki Cu2O.

140