(TIỂU LUẬN) đề tài KIM LOẠI dẫn điện ĐỒNG

ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO BỘ MÔN VẬT LIỆU ĐIỆN- ĐIỆN TƯ ĐỀ TÀI: KIM LOẠI DẪN ĐIỆN ĐỜNG GVHD: Ths Phạm Xn Hơ Thực hiện: Nhóm Huỳnh Thanh Đô Nguyễn Thành Hải Lê Hữu Đạt - Tp Hồ Chí Minh, 4/2022 - Khát quát dẫn điện 1.1 Sự dẫn điện vật dẫn 1.2 Khái niệm dòng điện, độ dẫn điện điện trở 1.3 Sơ lược kim loại dẫn điện tốt: 1.3.1 Kim loại Bạc 1.3.2 Kim loại Đồng 1.3.3 Kim loại Vàng 1.3.4 Kim loại Nhôm: Kim loại đồng 2.1 Tổng quan Đồng 2.1.1 Vị trí bảng tuần hoàn 2.1.2 Tính chất vật lí 2.1.3 Mạng tinh thể đồng 2.2 Thông số kỹ thuật đồng 2.3 Công nghệ chế tạo Đồng ngày 2.3.1 Sản xuất đồng cathode 2.3.2 Sản xuất dây dẫn đồng Ứng dụng vật liệu kim loại đồng vật liệu dẫn điện 3.1 Ứng dụng vật liệu kim loại đồng vật liệu dẫn điện 3.1.2 Làm dây dẫn điện 3.1.2 Bo mạch điện tử 3.1.3 Tản nhiệt 3.2 Một số sản phẩm đồng có thị trường 3.2.1 Dây dây dẫn Đồng 3.2.2 Cáp đồng 3.2.3 Nam châm điện Kết Luận Tài liệu tham khảo MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Xã hội phát triển, loại máy móc thiết bị điện đời có đóng góp vơ lớn, tiết kiệm sức lao động người Thế để thiết bị điện tử hoạt động điện yếu tố quan trọng thiết yếu Điện có vai trị vơ quan trọng sống sinh hoạt, sản xuất Tất ngành nghề từ thủ cơng đến chun nghiệp cần có tham gia điện Điện thành phần tham gia vào sản xuất thiếu Cho dù nơi đâu, thành phố hay đồng quê, nông thôn hay thành thị, vùng núi hay hải đảo mạng lưới điện ln điều cần thiết Cuộc sống người chẳng ngày hơm khơng có tồn điện tham gia vào sống Vì quan trọng điện vấn đề vật truyền tải lượng điện không phần quan trọng Và kim loại Đồng kim loại có hiệu suất truyền tải điện tốt nên nhóm chúng em định lựa chọn đề tài kim loại đồng để nghiên cứu nhằm hiểu biết sâu tính chất vật lí, hóa học thơng số làm việc quan trọng Mục tiêu nghiên cứu Hiểu tính chất vật lí, hóa học thơng số làm việc kim loại Đồng Song với tìm hiểu ứng dụng vật liệu kim loại Đồng vật liệu dẫn điện Thông tin số sản phẩm Đồng, có thị trường cơng nghệ sản xuất kim loại Nhằm đưa đến cho người đọc nhìn khách quan sâu sắc kim loại Đồng Những nội dung Bài tiểu luận “ Kim loại dẫn điện Đồng ” gồm nội dung sau: Khái quát dẫn điện; Kim loại Đồng; Ứng dụng vật liệu kim loại Đồng vật liệu dẫn điện KHÁT QUÁT VỀ SỰ DẪN ĐIỆN 1.1 Sự dẫn điện vật dẫn Dẫn điện khả môi trường cho phép di chuyển hạt điện tích qua nó, có lực tác động vào hạt, ví dụ lực tĩnh điện điện trường Sự di chuyển tạo thành dòng điện Cơ chế chuyển động tùy thuộc vào vật chất, tượng dẫn điện quan sát có khác biệt khác Những dạng dẫn điện chủ yếu gồm: - Tính dẫn điện điện tử: Hạt mang điện điện tích âm, xác điện tử Tính dẫn điện đặc tính dẫn điện kim loại bán dẫn điện tử - Tính dẫn điện ion hay phân li: Hạt mang điện con, điện tích dương âm phân tử hay nguyên tử Sự chuyển dịch điện tích dẫn đến tượng điện phân - Tính dẫn điện điện di (thường thấy điện môi lỏng): Vật chất mang điện nhóm điện tích phân tử (hay molion) Sự tồn dòng điện vật chất dẫn đến tượng điện chuyển 1.2 Khái niệm dòng điện, độ dẫn điện điện trở Dòng điện chuyển dịch có trật tự điện tích tác động điện trường Dòng điện xuất vật chất bị ảnh hưởng điện áp, tác dụng lực điện trường tạo trạng thái chuyển động cách có trật tự điện tích có vật chất Độ dẫn điện khả vật liệu cho phép nhiệt điện truyền qua Nó hoạt động với chuyển động vật lý electron truyền lượng electron Độ dẫn điện thơng qua nhiệt, điện, chất lỏng, khơng khí…Các mơi trường có độ dẫn điện khác tùy thuộc vào vật liệu dẫn điện Nó nghịch đảo điện trở suất Đơn vị SI siemens / mét Trong dẫn điện, có chuyển động thực electron phía điện cực dương Điện trở đại lượng đặc trưng cho tính chất cản trở dịng điện vật Điện trở có số tính chất ohm (Ω) Điện trở suất số vật liệu Vật liệu Bạc Đồng Vàng Nhơm Tungsten Hợp kim Cu-Zn Sắt Bạch kim Chì 1.3 Sơ lược kim loại dẫn điện tốt: 1.3.1 Kim loại Bạc Ký hiệu hóa học: Ag Khả dẫn điện: Cao Tính chất: kim loại mềm dễ uốn Cơng dụng: Bạc có độ dẫn điện tốt kim loại, cao đồng, giá thành cao nên khơng sử dụng rộng rãi để làm dây dẫn điện đồng 1.3.2 Kim loại Đồng Ký hiệu hóa học: Cu Tính chất: kim loại mềm dễ uốn tạo hình Cơng dụng: Do tính chất dẫn điện tốt, nên nguyên liệu làm dây dẫn điện thường làm đồng Ngồi đồng cịn có khả chống bị ăn mòn cao mềm dẻo dễ uốn ép theo yêu cầu 1.3.3 Kim loại Vàng Ký hiệu hóa học: Au Tính chất: dẫn nhiệt, dẫn điện tốt, khó bị oxi hóa tính thẩm mỹ cao Cơng dụng: vàng kim loại dẫn điện tốt, xếp vị trí thứ bảng xếp hạng chất dẫn điện sau bạc đồng, bạc đồng có khả dẫn điện tốt vàng chúng bị xỉ màu bị gặm mòn theo thời gian Đặc biệt vàng đắt quý 1.3.4 Kim loại Nhôm: Ký hiệu hóa học: Al Tính chất: Là kim loại nhẹ màu trắng bạc, nóng chảy nhiệt độ khơng cao dẻo Cơng dụng: kim loại có tính dẫn điện tốt, nằm top 10 kim loại dẫn điện tốt Nó đứng sau bạc, đồng vàng Nhờ đặc tính bật mà hợp chất nhơm có độ tinh khiết lên đến 99,5% sử dụng để làm dây dẫn điện Thế nhưng, người ta thường chủ yếu dùng dây dẫn điện đồng tính kinh tế tốt KIM LOẠI ĐỜNG 2.1 Tơng quan Đồng Đồng, tiếng Anh Copper, nguyên tố hóa học bảng tuần hồn ngun tố có ký hiệu Cu, có số hiệu ngun tử 29 2.1.1 Vị trí bảng tuần hoàn 2 6 10 10 Cấu hình e: Cu (Z = 29): 1s 2s 2p 3s 3p 3d Vị trí: 29, chu kỳ 4, nhóm IB 4s Cấu hình e ion 2 Cu+ (ZCu = 29): 1s 2s 2p 3s 3p 3d 2 6 Cu2+: 1s 2s 2p 3s 3p 3d 2.1.2 Tính chất vật lí Là kim loại màu đỏ, dẻo, dễ kéo sợi tráng mỏng o Dẫn điện nhiệt cao (chỉ bạc) D = 8,98g/cm ; t nc= 1083 C Khi có tạp chất độ giảm điện đồng giảm dần, Các loại hợp kim đồng ổn Khi đồng tiếp xúc với khơng đồng ngun chất có màu đỏ cam có màu lam ngọc Màu sắc đặc trưng kim loại đồng có nhờ có chuyển tiếp electron phân lớp 3d 4s 2.1.3 Mạng tinh thể đồng Đồng có cấu trúc tinh thể loại lập phương diện tâm Thông số mạng a=3,61Ao, số nguyên tử ô a nv = 4, mật độ nguyên tử N = ne =nv/a3 Mật độ mặt: Dùng để đánh giá mức độ liên kết nguyên tử mặt xét, mật độ mặt lớn mặt bền vững Trong đó: nS: Số nguyên tử thuộc mặt S1nt: Diện tích tiết diện (mặt cắt) nguyên tử thuộc mặt Smat: Diện tích mặt tính mật độ mặt Mật độ khối: Tính tốn mật độ khối nhằm mục đích phân tích mức độ điền đầy vật chất kiểu mạng, cho biết sơ đánh giá khối lượng riêng vật liệu có kiểu mạng Trong đó: Số ngun tử V1nt: Thể tích ngun tử Vocoban: Thể tích Vocoban = a Thay vào biểu thức ta có: Như vậy, cấu trúc lập phương tâm mặt có hệ số xếp chặt 74% Mật độ nguyên tử: số nguyên tử ô cở sở nhân với số có đơn vị thể tích: NN = (1/ a) * Số nguyên tử /lô a số mạng => NN = (1/ (0.3615*10-9))*2 =4.233*10^28 ( số mạng đồng a = 0.3615nm ) Mật độ e: số nguyên tử nhân với số nguyên tử đơn vị thể tích : Ne = No * số e-/ nguyên tử => Ne = (4.233*1028) * = 4.233*1028 (Cu, Ag, Au: er/ nguyên tử Al: 3e/ nguyên tử) 2.2 Thông số kỹ thuật đồng - Nhiệt độ nóng chảy: 1357,77 K (1084,62 °C, 1984,32 °F) - Độ giãn nở nhiệt: 16,5.10-6 K - Độ dẫn nhiệt: 401 W·m ·K Điện trở suất 20 °C: 16,78 n Ω·m - Độ cứng theo thang Mohs: 3,0 - Độ cứng theo thang Vickers: 369 MPa - Độ cứng theo thang Brinell: 874 MPa - Tính chất từ: Nghịch từ - Độ cảm từ (χmol): −5.46·10 cm /mol Mô đun Young: 110–128 GPa - Mô đun cắt: 48 GPa - Mô đun nén: 140 Gpa −1 −1 (ở 25 °C) −1 −6 2.3 Công nghệ chế tạo Đồng ngày 2.3.1 Sản xuất đồng cathode Đồng cathode sản xuất từ nhà máy luyện kim, số công đoạn 14 Bước 4: Bọc cách điện Sau công đoạn bện mạch, dây phôi chuyển sang công đoạn bọc vỏ cách điện: Sản phẩm Cáp điện lực ruột đồng: có kết cấu CU/XLPE/PVC, điện áp làm việc từ 600V đến 1000V Nhóm sản phẩm trước thường cách điện PVC, thường sử dụng vật liệu XLPE Sản phẩm dây điện mềm: Nhóm sản phẩm dây điện mềm (SP2) có kết cấu Cu/PVC/PVC, điện áp làm việc từ 300V - 500V nên vật liệu để làm vỏ bọc cách điện dùng nhựa PVC Hai lõi pha sản phẩm bọc hai màu thường đen trắng để phân biệt sử dụng đấu nối thiết bị 15 Bước 5: Bọc vỏ bảo vệ Bọc vỏ bảo vệ cho dây cáp điện nhằm mục đích: bảo vệ tồn lõi dây (cáp) bao gồm ruột dẫn phần cách điện khỏi tác động bên làm ảnh hưởng đến chất lượng giảm tuổi thọ ruột dẫn, dùng để thể thông tin sản phẩm (in tên sản phẩm, quy cách, nhà sản xuất, số mét đánh dấu ), tạo hình thức thẩm mỹ cho sản phẩm Bước 6: Đóng gói nhập kho sản phẩm Dây & Cáp điện GOLDCUP nhập kho xuất kho cho khách hàng sau tất hạng mục: đường kính độ giãn dài sợi đồng, điện trở lõi dây điện, đường kính dây điện, độ dày vỏ cách điện…được kiểm tra đáp ứng tiêu chuẩn Dây & Cáp điện GOLDCUP đóng gói thành cuộn máy đóng gói tự động, chiều dài 100 - 200 mét/cuộn Bên quấn bao Plastic Dây cáp điện trước bao gói băng đầu bảo quản có gắn nhãn mác hàng hố bên ngồi Bao bì kiểm tra đóng gói đảm bảo làm kín cách, khơng bị hỏng đáp ứng tất tiêu chuẩn chất lượng 16 17 ỨNG DỤNG CỦA CÁC VẬT LIỆU KIM LOẠI ĐỒNG TRONG VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN HIỆN NAY 3.1 Ứng dụng vật liệu kim loại đồng vật liệu dẫn điện 3.1.2 Làm dây dẫn điện Lõi dây dẫn điện thường làm đồng vì: Đồng rẻ nhẹ bạc nên thuận tiện cho việc di chuyển Ưu điểm: dẫn điện tốt, có độ dãn cao, độ thắt độ dẻo tốt Nhược điểm: dây điện có lõi dẫn điện nhơm lại có ưu điểm vượt trội là: nhẹ hơn, cứng hơn, rẻ tiền có đặc tính điện ổn định dây điện có lõi dẫn điện đồng nên người ta thường dùng dây điện có lõi dẫn điện nhơm nhiều dây điện có lõi dẫn điện đồng 3.1.2 Bo mạch điện tử Đồng thường sử dụng làm vật liệu dẫn điện cho bảng mạch, đồng có đặc tính dẫn điện tốt Một lớp hàn phủ lên để bảo vệ bảng mạch chống lại q trình 18 oxy hóa lớp in lụa để đánh dấu tất linh kiện bảng mạch 3.1.3 Tản nhiệt Tản nhiệt thường làm đồng vì: - Tính dẫn nhiệt cao vật liệu, dẫn đến truyền nhiệt cao - Độ bền tốt, cho phép thiết bị làm việc hệ thống có áp suất cao - lên đến 16 atm - Chống ăn mòn cao - Khả trì chất lượng làm việc nhiệt độ nước làm mát lên đến 250 độ - Giá thành cao - Không phép kết nối đồng thời thiết bị với ống thép mạ kẽm theo hướng chuyển động môi chất làm việc - phản ứng điện hóa xảy trường hợp gây phá hủy vật liệu - Không nên sử dụng pin đồng hệ thống mà chất làm mát chứa lượng lớn muối cứng có độ axit cao Ứng dụng: Bộ tản nhiệt sử dụng để làm mát động đốt trong, chủ yếu ô tô có máy bay có động piston, đầu máy xe lửa, xe máy, nhà máy phát điện cố định nơi khác sử dụng động nhiệt 19 3.2 Một số sản phẩm đồng có thị trường 3.2.1 Dây dẫn Đồng Đồng vật liệu dẫn điện quan trọng dẫn điện bạc, mà lại dễ kiếm bạc nhiều Điện trở suất đồng vào khoảng 0,173 Ω/m đồng mềm 0,017 – 0,018 Ω /m đốì với đồng cứng Độ bền kéo đồng tốt, 300 – 400 N/mm2 (đồng cứng) 180 — 220 N/mm2 (đồng mềm) Dây đồng chịu ảnh hưởng tác động môi trường Đồng cán kéo thành sợi, gọi đồng cứng, dùng làm dây dẫn trần Dây đồng cứng sau mềm, dùng làm dây bọc Đồng vật liệu q, có tính chất hàng chiến lược Ngồi ứng dụng làm dây dẫn, đồng cịn vật liệu dùng để tạo nhiều chi tiết máy quan trọng thiết bị điện, 20 máy móc trang bị cơng nghiệp quốc phịng Vì thế, việc sử dụng đồng làm dây dẫn cần tiết kiệm Dây dẫn đồng đa phần sử dụng dân dụng, thiết bị điện, hộ gia đình Các loại dây điện dân dụng cho hệ thống điện nhà Dây đơn Dây đơn loại dây có sợi cứng làm từ đồng nhơm Nó thường sử dụng hệ thống điện nhà Tiết diện dây dẫn không 10 mm2, bọc lớp cách điện PVC, bọc thêm lớp vải tẩm nhựa đường Dây đơn mềm Cũng dây đơn dây đơn mềm có vỏ bọc cách điện làm PVC cao su lưu hóa Ruột dẫn dây đơn mềm làm từ nhiều sợi đồng nhôm nhỏ với đường kính khoảng 0.2 mm nên dẻo mềm 21 Dây đơn mềm thường ứng dụng để dây bảng điện phân phối, làm đầu thiết bị điện, dây dẫn điện cho tơ,… Dây điện đơi Dây đơi có cấu tạo mềm dẻo, ruột dẫn dây làm từ sợi đồng nhỏ có kích thước 0.2 mm Vỏ dây làm từ nhựa PVC cao su lưu hóa Nó thường đươc ứng dụng cho bị điện hay di động, không đặt chỗ cố định tivi, tủ lạnh, quạt điện , Dây cáp Một loại dây dẫn dùng để truyền tải dòng điện dây cáp Cấu tạo 22 dây cáp gồm nhiều sợi đồng, vỏ cách điện làm cao su lưu hóa nhựa PVC Dây cáp điện ưa chuộng xưởng sản xuất, cho doanh nghiệp, khu tập thể, chung cư,… Khi dùng dây cáp người ta thường đặt đường ống buli, dịng điện qua dây cáp giảm Dây cáp bọc giáp Dây cáp bọc giáp loại dây cáp điện bên ngồi bọc lớp giáp chắn kẽm, nhơm, sắt buban Dây cáp bọc giáp có nhiều tiết diện phù hợp với mật độ dòng điện khác để tránh bị sụt áp hay bị nóng lên sử dụng Tiết diện dây dẫn