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铜是一种紫红色光泽的金属,元素符号Cu,英文Copper,源自拉丁文Cuprum,意指以产铜闻名的塞浦路斯岛的古名。
铜原子序数是29,密度8.92吨/立方米,熔点1083.4±0.2℃,沸点2567℃。常见化合价+1和+2。电离能7.726电子伏特,标准电极电位+0.337。在所有金属中,导电性能仅次于Ag,高于金和铝。
名称 符号 电阻率/nΩ·m 电导率(IACS)/% 银 Ag 14.7 108.4 铜 Cu 16.73 103.06 金 Au 23.5 73.4 铝 Al 26.55 64.96
铜的晶体结构属于面心立方(原子排列方式),具有较多的滑移系,变形能力很强,适合加工成各种形状的产品,如板、棒、丝、管、箔等。
说起金属的变形,与晶体结构很相关。例如铁,在室温下属于体心立方结构,但高温下属于面心立方结构,变形能力增加。主要与其滑移系相关。
为了提高铜的强度,需要采用合金化的方式。从而出现了铜合金,包括黄铜、青铜、白铜等。
黄铜的主要合金元素为Zn,为了获得特殊性能,还可以辅助添加铅、锡、铝、锰、铁、镍等合金元素。黄铜中加入锡,可明显提高合金的耐热性,特别是提高抗海水腐蚀的能力,故锡黄铜有“海军黄铜”之称。锰黄铜可显著提高合金的强度和耐蚀性,而不降低其塑性。铁黄铜提高合金的机械性能和工艺性能。镍黄铜可显著提高黄铜在大气和海水中的耐蚀性。
青铜原来指以锡为主要合金元素的铜基合金,很多古代文物都属于这类合金,后来开发出一些无锡青铜。锡青铜适合制造轴承﹑蜗轮﹑齿轮,铅青铜适合用作轴承材料,铝青铜适合铸造高载荷的齿轮﹑轴套﹑船用螺旋桨等,铍青铜和磷青铜的弹性极限高﹐导电性好﹐适於制造精密弹簧和电接触元件﹐铍青铜还用来制造煤矿﹑油库等使用的无火花工具。
白铜是以镍为主要添加元素的铜基合金。中国古代炼制的砷白铜容易变质,并且冶炼困难,实际存在很少。目前实际应用的白铜分为结构用白铜和电工白铜。结构用白铜中加入了锌、铝、铅等元素,改变加工性、耐蚀性、强度等。电工白铜具有良好的热电特性,主要是加入锰元素,用锰完全代替镍形成的无镍白铜,具有很高的电阻率,适合做标准电阻原件等电工制品。
铜在自然界中存在形态可分为三类:自然铜、氧化铜类、硫化铜类。其中80%以上的铜是从硫化铜矿精炼出来的。铜的冶炼分为火法和湿法等形式,形成的粗铜含铜量在95-98%,火炼或电解之后形成的纯铜纯度可以达到达99%以上,电解铜的纯度可以达到99.95-99.99%。
从地区分布看,全球铜蕴藏最丰富的地区共有五个:1)南美洲秘鲁和智利境内的安第斯山脉西麓;2)美国西部的洛杉矶和大坪谷地区;3)非洲的刚果和赞比亚;4)哈萨克斯坦共和国;5)加拿大东部和中部。目前的储量仅供全世界使用30年左右。
国家名称 | 储量 | 储量基础 | 国家名称 | 储量 | 储量基础 |
智利 | 15000 | 36000 | 墨西哥 | 2700 | 4000 |
美国 | 3500 | 7000 | 赞比亚 | 1900 | 3500 |
印度尼西亚 | 3200 | 3800 | 俄罗斯 | 2000 | 3000 |
秘鲁 | 3000 | 6000 | 加拿大 | 700 | 2000 |
波兰 | 3000 | 4800 | 哈萨克斯坦 | 1400 | 2000 |
澳大利亚 | 2400 | 4300 | |
结语:铜具有极好的导电特性,适合用于电的导流体。铜具有良好的变形特性,适合做各种机加工。铜通过合金化处理,可以改变力学性能和机加工性能,用于各种工业场合。铜具有生物毒性和耐腐蚀性,适用于防腐化工领域。铜资源比较紧张,需要寻找合适的替代材料。
说明:文中图片均来自网络,没有任何商业用途,特此致谢。后续想从各个角度阐述铜金属复合材料的意义和制造原理,与同行交流提高的同时,也是自我总结和学习。
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