tiểu luận vật liệu điện điện tử đề TÀI NGHIÊN cứu KIM LOẠI dẫn điên ĐỒNG

lOMoARcPSD|10162138 TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TƯ - - MÔN HỌC: VẬT LIỆU ĐIỆN – ĐIỆN TƯ ***** ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU “KIM LOẠI DẪN ĐIỆN ĐỜNG” GVHD: Ths Phạm Xn Hơ Thực hiên: ̣ Nhóm  Thạch Hoàn Hảo (nhóm trưởng) 20161109 1|Page  Nguyễn Công Hâ ̣u 20161313  Hà Vũ Minh Luân (lớp 4-6) 20161338  Bùi Văn Hiếu 20161315  Nguyễn Quang Huy 20161321 lOMoARcPSD|10162138 MỤC LỤC I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KIM LOẠI DẪN ĐIỆN ĐỒNG .4 Lịch sử phát triển .4 Khái niêm ̣ kim loại đồng Sự dẫn điện vật dẫn Khái niệm dẫn điện Khái niệm độ dẫn điện .8 Khái niệm điện trở II KIM LOẠI DẪN ĐIỆN ĐỒNG .9 Tên gọi ký hiệu đồng dãy kim loại dẫn điện tốt 10 Mạng tinh thể cấu tạo hóa học kim loại đờng 10 III ỨNG DỤNG CỦA KIM LOẠI ĐỒNG TRONG VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN 15 IV MỘT SỚ SẢN PHẨM ĐỜNG CĨ TRÊN THỊ TRƯỜNG 15 a Đồng đỏ 15 b Đồng lạnh 16 c Đồng đen 17 3|Page lOMoARcPSD|10162138 LỜI NÓI ĐẦU Ngày cùng với phát triển cơng nghệ 4.0 nói chung và ngành cơng nghiệp điện tử nói riêng vật liệu điện là yếu tố tất yếu thúc đầy phát triển cùa công nghiệp điện tử người tiếp cận đến khoa học công nghệ toàn cầu , nghiên cứu và chế tạo từ kim loại và hợp kim cho thiết bị, dụng cụ phục vục nhu cầu thực tế cho đời sống từ trước đến kim loại đồng có vai trị quan trọng công nghiệp điện, sử dụng phổ biến nhất, ngoài hợp kim đồng (von-phram) ứng dụng phục vụ cho công nghiệp điện tử, công nghệ cao thế nhóm chúng em chọn đề tài " kim loại dẫn điện đồng" để phân tích và tìm hiểu cấu tạo, tính chất cũng ứng dụng và vai trò thiết thực kim loại đồng sống đại ngày 4|Page lOMoARcPSD|10162138 I GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KIM LOẠI DẪN ĐIỆN ĐỒNG Lịch sử phát triển Đồng xuất tự nhiên ở dạng đồng kim loại và ghi chép tư liệu số văn minh cổ đại, và có lịch sử sử dụng là 9.000 năm TCN ở Trung Đông Hoa tai đồng tìm thấy ở miền bắc Iraq có niên đại 8.700 năm TCN Có chứng cho thấy vàng và sắt thiên thạch (không phải sắt nung chảy) là kim loại vào thời mà người sử dụng trước xuất đồng Lịch sử nấu đồng cho là theo công đoạn sau: làm cứng nguội đồng tự sinh, Ủ luyện, nung chảy, và đúc mẫu chảy Ở miền đông nam Anatolia, cả bốn kỹ thuật này xuất khoảng đầu thời đại đồ đá mới khoảng 7500 TCN Chỉ nông nghiệp phát minh động lập ở nhiều nơi thế giới, đồng nung chảy cũng phát minh ở nhiều nơi khác Có lẽ đồng phát ở Trung Quốc trước 2800 TCN, ở Trung Mỹ vào khoảng năm 600, và Đông Phi vào khoảng thế kỷ IX hay X Đúc mẫu chảy phát minh năm 4500–4000 TCN ở Đông Nam Á và việc định tuổi cacbon tiến hành ở mỏ tại Alderley Edge, Cheshire, Vương Quốc Anh cho tuổi 2280 - 1890 TCN Người băng Ötzi, người đàn ông định tuổi vào khoảng 3300–3200 TCN, phát có bọc sáp với đồng ở phần đầu đồng có tinh khiết 99,7%; làm lượng asen cao tóc nên người ta cho ơng có liên quan đến việc nấu chảy đồng Các thí nghiệm với 5|Page lOMoARcPSD|10162138 đồng hỗ trợ với việc phát kim loại khác; đặc biệt, đồng nấu chảy làm phát nấu chảy sắt Việc sản xuất đồng xã hội Old Copper Complex ở Michigan và Wisconsin xác định tuổi khoảng 6000 đến 3000 TCN Việc sử dụng đồng đỏ phát triển thời đại văn minh đặt tên là thời đại đồ đồng hay thời đại đồng đỏ Thời kỳ độ khu vực định thời kỳ đồ đá mới và thời kỳ đồ sắt đặt tên là thời kỳ đồ đồng, với số cơng cụ đồng có độ tinh khiết cao sử dụng song song với công cụ đá Đồ đồng văn minh Vinča có tuổi 4500 TCN Người ta cịn tìm thấy đồ vật đồng nguyên chất và đồng đỏ ở thành phố Sumeria có niên đại 3.000 năm TCN, và đồ vật cổ đại người Ai Cập đồng và hợp kim đồng với thiếc cũng có niên đại tương tự Thời đại đồ đồng bắt đầu ở Đông Nam châu Âu vào khoảng 3700–3300 TCN, ổ Tây Bắc châu Âu khoảng 2500 TCN Nó kết thúc bắt đầu thời đại đồ sắt khoảng 2000–1000 TCN ở vùng Cận Đông, và 600 TCN ở Bắc Âu Sự chuyển tiếp thời đại đồ đá mới và đồ đồng trước gọi là thời kỳ đồ đồng đá, công cụ đồng dùng cùng lúc với công cụ đồ đá Thuật ngữ này dần bị giảm ở vài nơi thế giới, thời đại đồng đá và thời đại đá mới kết thúc cùng lúc Đồng thau, hợp kim đồng với kẽm, biết đến từ thời kỳ Hy Lạp sử dụng rộng rãi bởi người La Mã 6|Page lOMoARcPSD|10162138 Khái niêm ̣ kim loại đồng Đồng là nguyên tố hóa học nằm bảng tuần hoàn nguyên tố (kí hiệu là Cu) Đồng là kim loại có tính dẻo, độ dẫn điện, dẫn nhiệt cao, bề mặt đồng có màu cam đỏ đặc trưng Kim loại Đồng và hợp kim đồng người phát và sử dụng cách hàng ngàn năm Sự dẫn điện vật dẫn Kim loại mang tính dẫn điện,khác với tính dẫn I-on là khơng có chuyển dịch nhìn thấy vật chất có dịng điện chạy qua Mặc dù kim loại có số lượng lớn điện tích chảy qua thời gian dài không phát thay đổi nào khối lượng cũng thay đổi cấu tạo hóa học (khơng kể tới õi hóa kim loại), electron nằm ở không gian nút tinh thể, chúng dao động cách hỗn loạn, tốc độ chúng phụ thuộc vài nhiệt độ Kích thước electron khơng đáng kể so với kích thước ngun tử lại càng không đáng kể so với khoảng cách trung bình nguyên tử, electron mức độ nào xem là phân tử khí Vì thế đơi chúng gọi là khí điện tử Khi kim loại khơng bị tác dụng điện trường ngoài phân bố 7|Page lOMoARcPSD|10162138 tốc độ chuyển động nhiệt electron (vt) theo hướng có xác suất nhau, dịng điện khơng tồn tại khơng có điện trường ngoài Nếu kim loại đặt điện trường ngoài E electron chịu tác động lực: Các electron chuyển động với gia tốc ngược hướng điện trường E và bằng: Trong (C) ; (kg) Qua thời gian t kể từ bắt đầu chuyển động vận tốc clectron đạt được: Tốc độ chung electron tổng và Các electron va chạm với nguyên tử ở nút tỉnh thể, sau lần va chạm vận tốc giảm 0, sau lại tăng lên với gia tốc a Gọi là thời gian chuyển động tự không va chạm electron Khi tốc độ cực đại electron là: Vận tốc trung bình: Với :độ dài bước tự clectron Có thể chứng minh độ dài bước tự tỷ lệ nghịch với nhiệt độ: Trong đó: : Hê ̣ số đàn hồi N: Mâ ̣t đô ̣ nguyên tử k: Hằng số Boltzmann T: Nhiê ̣t đô ̣ 8|Page lOMoARcPSD|10162138 Khái niệm dẫn điện Dẫn điện là 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 dịng điện Khái niệm độ dẫn điện Độ dẫn điện là khả mang dòng điện chất Thuật ngữ độ dẫn cũng sử dụng ngữ cảnh khác (ví dụ, độ dẫn nhiệt) Để đơn giản, sổ tay hướng dẫn này thuật ngữ “độ dẫn” sử dụng với nghĩa độ dẫn điện Sự truyền tải điện qua vật chất ln u cầu có mặt hạt mang điện Chất dẫn điện phân loại thành hai nhóm sở bản chất hạt mang điện Chất dẫn điện nhóm bao gồm mạng lưới nguyên tử với lớp vỏ electron bên ngoài Các electron “đám mây electron” này phân ly tự khỏi nguyên tử và truyền điện qua mạng lưới và cũng truyền qua chất Kim loại, graphite, và số hợp chất hóa học khác nằm nhóm này Chất dẫn điện nhóm thứ hai gọi là chất dẫn điện ion Trái với chất dẫn điện nhóm thứ nhất, dịng điện khơng tạo bởi electron di chuyển tự mà bởi ion Do vận chuyển điện tích chất điện phân luôn gắn liền với vận chuyển vật chất Chất dẫn điện nhóm thứ hai bao gồm ion mang điện và di chuyển và gọi là chất điện phân Khái niệm điện trở Là quan hệ hiệu điện thế không đổi đặt ở hai đầu dây dẫn và cường độ dòng điện chiều tạo nên dây dẫn 9|Page lOMoARcPSD|10162138 Cơng thức tính điê ̣n trở: R: điê ̣n trở (Ω) ρ: Điê ̣n trở suất (Ω.m) l: Chiều dài dây dẫn (m) S: tiết diê ̣n dây dẫn (mm2) Điê ̣n dẫn G mô ̣t đoạn dây dẫn là đại lượng nghịch đảo điê ̣n trở: Điê ̣n dẫn tính với đơn vị II KIM LOẠI DẪN ĐIỆN ĐỒNG Tên gọi ký hiệu đồng dãy kim loại dẫn điện tốt Đồng là nguyên tố hóa học bảng tuần hoàn nguyên tố có ký hiệu là Cu, có số hiệu nguyên tử 29 Đồng là kim loại dẻo có độ dẫn điện và dẫn nhiệt cao Đồng nguyên chất mềm và dễ uốn; bề mặt đồng tươi có màu cam đỏ Nó sử dụng làm chất dẫn nhiệt và điện, vật liệu xây dựng, và thành phần hợp kim nhiều kim loại khác Tên: Đồng Ký hiê ̣u: Cu Mạng tinh thể cấu tạo hóa học kim loại đờng Đồng có kiểu mạng lập phương tâm diện 10 | P a g e lOMoARcPSD|10162138 a) Dạng thực ô sở b) Phần thể tích nguyên tử ô Các nguyên tử (ion) nằm ở đỉnh và (tâm) mặt hình lập phương.Các nguyên tử xếp sít phương đường chéo mặt nên mặt tinh thể chéo hợp bởi phương này có nguyên tử xếp sít Trên phương đường chéo khối và cạnh a nguyên tử xếp rời và tạo nên lỗ hổng với số lượng song kích thước lớn a) Các thơng số vâ ̣t lý kỹ thuâ ̣t quan trọng Trạng thái vật chất Chất rắn Nhiệt độ nóng chảy 1357,77 K (1084,62 °C, 1984,32 °F) Nhiệt độ sôi 2835 K (2562 °C, 4643 °F) Mật độ 8,94 g·cm−3 (ở °C, 101.325 kPa 11 | P a g e lOMoARcPSD|10162138 Mật độ thể lỏng ở nhiệt độ nóng chảy: 8,02 g·cm− Nhiệt lượng nóng chảy 13,26 kJ·mol−1 Nhiệt bay 300,4 kJ·mol−1 Nhiệt dung 24,440 J·mol−1·K−1 Áp suất P (Pa) 10 100 k 10 k 100 k ở T (K) 1509 1661 1850 2089 2404 2834 Đồng là kim loại có dạng thù hình, có mạng lập phương tâm mặt với thông số mạng a = 3,6A0 có tính chất sau: - Khối lượng riêng lớn (g = 8,94g/cm3) lớn gấp lần nhôm - Tính chống ăn mịn tốt - Nhiệt độ nóng chảy tương đối cao (10830C) - Độ bền không cao (σb = 16Kg/mm2, HB = 40) tăng mạnh biến dạng nguội (σb = 45Kg/mm2, HB = 125) Do biện pháp hóa bền đồng là biến dạng nguội Mặc dù có độ cứng khơng cao đồng lại có khả chống mài mịn tốt - Tính cơng nghệ tốt, dễ dát mỏng, kéo sợi nhiên tính gia cơng cắt - Theo TCVN đồng ký hiệu chữ Cu và theo sau là số hàm lượng %Cu (Cu99,99; Cu99,97; Cu99,95; Cu99,90) 12 | P a g e lOMoARcPSD|10162138 - Theo tiêu chuẩn CDA (Copper Development Association) Mỹ đồng nguyên chất ký hiệu CDA 1xx Ví dụ CDA 110 Có nhiều cách phân loại hợp kim đồng phổ biến là phân loại theo thành phần hóa học Theo phương pháp này người ta chia hợp kim đồng làm hai loại: b) Latông (đồng vàng hay đồng thau): là hợp kim đồng mà hai nguyên tố chủ yếu là đồng và kẽm Ngoài cịn có ngun tố khác Pb, Ni, Sn Latông theo TCVN 1695-75 ký hiệu chữ L sau là chữ ký hiệu tên nguyên tố hóa học và số thành phần Latơng chia thành hai nhóm: - Latơng đơn giản: là hợp kim hai nguyên tố Cu-Zn với lượng chứa Zn 45% Zn nâng cao độ bền và độ dẻo hợp kim đồng Khi lượng Zn cao vượt q 50% hợp kim Cu-Zn trở nên cứng và dòn Các mác thường dùng là LCuZn10, LCuZn20, LCuZn30 làm ống tản nhiệt, ống dẫn và chi tiết dập sâu loại này có độ dẻo cao 13 | P a g e lOMoARcPSD|10162138 - Latơng phức tạp: là hợp kim ngoài Cu và Zn đưa thêm vào số nguyên tố Pb, Al, Sn, Ni… để cải thiện tính chất hợp kim Ví dụ: Pb làm tăng tính cắt gọt, Sn làm tăng tính chống ăn mịn, Al và Ni làm tăng tính Các loại latơng phức tạp thường dùng: LCuZn29Sn1, LCuZn40Pb1 Theo tiêu chuẩn CDA: latơng đơn giản ký hiệu CDA 2xx, ví dụ CDA 240 tương đương với LCuZn20 Latông phức tạp ký hiệu CDA 3xx CDA 4xx, ví dụ CDA 370 tương đương với LCuZn40Pb1 c) Brông (đồng thanh) Là hợp kim đồng với nguyên tố khác ngoại trừ Zn Brông ký hiệu chữ B, tên gọi brông phân biệt theo nguyên tố hợp kim Người ta phân biệt loại đồng khác tùy thuộc vào nguyên tố hợp kim chủ ́u đưa vào: ví dụ Cu-Sn gọi là brơng thiếc; Cu - Al gọi là brông nhôm Brông thiếc: là hợp kim đồng với nguyên tố hợp kim chủ ́u là thiếc Brơng thiếc có độ bền cao, tính dẻo tốt, tính chống ăn mịn tốt, thường dùng loại BCuSn10Pb1, BCuSn5Zn2Pb5 để làm ổ trượt, bánh răng, lò xo… Theo tiêu chuẩn CDA brông thiếc ký hiệu: CDA 5xx, ví dụ: CAD 521 Brơng nhơm: là hợp kim đồng với nguyên tố hợp kim chủ yếu là nhơm Brơng nhơm có độ bền cao Brơng thiếc, tính chống ăn mịn tốt có nhược điểm là khó đúc, thường dùng thay Brơng thiếc rẻ tiền Các loại Brông nhôm thường dùng là BCuAl9Fe4, BCuAl10Fe4Ni4 Theo tiêu chuẩn CDA brông nhôm ký hiệu: CDA6xx, ví dụ: CAD614 Brơng Berili: là hợp kim đồng với ngun tố hợp kim là Be, cịn gọi là đồng đàn hồi Hợp kim có độ cứng cao, tính đàn hồi cao, tính chống ăn mịn và dẫn điện tốt, thường dùng làm lò xo thiết bị điện Thường dùng với ký hiệu BCuBe2 tương đương với CDA 172 14 | P a g e Downloaded by Quang Tran (quangvaytiennhanh1994@gmail.com) lOMoARcPSD|10162138 15 | P a g e Downloaded by Quang Tran (quangvaytiennhanh1994@gmail.com) lOMoARcPSD|10162138 III ỨNG DỤNG CỦA KIM LOẠI ĐỒNG TRONG VẬT LIỆU DẪN ĐIỆN Một số sản phẩm dây dẫn đồng: Dây đơn Là loại dây dẫn có sợ cứng, đồng (hoặc nhơm) là dây dẫn thơng thường có bọc lớp cách điện chất dẻo PVC cao su lưu hóa, có loại bọc thêm lớp vải tẩm nhựa đường Loại dây này dùng phổ biến dẫn điện nhà, và sản xuất với tiết diện không 10mm2 (cỡ dây Ø 30/10) Dây Liên Xơ có mã hiệu: πP Dây đơn mềm Là loại dây dẫn có bọc cách điện nhựa PVC cao su lưu hóa, có ruột đồng, gồm nhiều sợi nhỏ có đường kính 0.2mm xoắn lại nên mềm dẻo Dây đơn mềm sử dụng dây báng phân phối điện, đầu dây ngoài mảy điện, dây dấn điện ô tô… Dây Liên Xơ có mã hiệu: πPA 16 | P a g e Downloaded by Quang Tran (quangvaytiennhanh1994@gmail.com) lOMoARcPSD|10162138 Dây đôi Gồm dây dẫn ruột đồng, mềm, bọc cách điện song song với nhau, chất cách điện là nhựa PVC cao su lưu hóa Nhờ dây dẫn cấu tạo bởi nhiều sợi có đường kính nhỏ 0,2mm nên mềm dẻo dễ di động Công dụng : dùng dẫn điện cho thiết bị điện cần di động, không cố định, đồ dùng điện sinh hoạt quạt để bàn, tủ lạnh, máy thu thanh, thu hình… Dây Liên Xơ có mã hiệu: ππB 17 | P a g e Downloaded by Quang Tran (quangvaytiennhanh1994@gmail.com) lOMoARcPSD|10162138 Các thông số dây đôi mềm Dây xoắn mềm Loại dây dẫn mềm có nhiều dây dẫn cách điện với Mỗi ruột dây dẫn cấu tạo bởi nhiều sợi dây có tiết diện nhỏ xoắn lại với nhau, dây dẫn có tính mềm dẻo và vững Loại dây này mềm dẻo loại dây đôi, với chất cách điện cao su chịu nhiệt và bọc thêm vải coton ở ngoài tăng cường vững cơ, chịu tiếp xúc nhiệt nên dùng làm dây dẫn cho bàn ủi điện, bếp điện Với loại dây xoắn có ống bọc ngoài cao su nhựa PVC sứ dụng làm dây dẫn cho thiết bị điện di động, chịu va chạm nên an toàn điện cho người sử dụng Như máy khoan điện cầm tay, máy tiện, máy cơng cụ và máy móc dùng sinh hoạt… Cấu tạo dây xoắn mềm: 18 | P a g e Downloaded by Quang Tran (quangvaytiennhanh1994@gmail.com) lOMoARcPSD|10162138 Dây cáp Là loại dây dẫn tải dòng điện lớn, có bọc cách điện cao su lưu hóa chất nhựa PVC Ruột đổng, cấu tạo bởi nhiều dây đơn nên mềm hơn, để lắp đặt đường dây Thường dùng làm đường dây tải chính, khu nhà tập thể, xí nghiệp đặt trèn buli ống (Theo tiêu chuẩn TCVN 2103-77 và tiêu chuẩn sở Bộ CKLK sốTC9-79) Thông số dây dẫn đồng bọc nhựa dẻo, loại dây cứng: Ghi chú: Dịng điện tải tính giảm dây dẫn loại này đặt ống 19 | P a g e Downloaded by Quang Tran (quangvaytiennhanh1994@gmail.com) lOMoARcPSD|10162138 Dây cáp bọc giáp Các loại dây dẫn đơn cứng dây cáp có bọc cách điện bố trí hai nhiều dây cùng vỏ bọc chung bao ngoài cao su nhựa PVC ruban kim loại sắt, kẽm hay nhôm gọi là dây cáp bọc giáp Sự chịu đựng va chạm tùy thuộc vật liệu vỏ bọc ngoài cùng bảo vệ dây dẫn chứa ở bên Các loại dây cáp bọc giáp này sử dụng đặt cố định nơi có rung chuyển thường xuyên đường dây đẫn điện đến máy công cụ, máy cưa bảo, máy tiện… Khi lắp đăt không cần ống, lớp vị bọc ngoài thay thế cho ống luồn đáy Không nên sứ dụng dây cáp bọc giáp ngầm, lắp kín tưởng và chỗ nối dây phải nối tại hộp nối Trong trường hợp tổng quát, nên chọn mật độ dòng cho phép dây dẫn để dây khơng bị nóng lên và sụt áp nhiều đường dây theo bảng sau: Tiết diện dây Mật độ dòng < 5mm => 15mm2 5A/mm2 4A/mm2 16 =>50mm2 3A/mm2 51 2A/mm2 =>100mm2 101 => 200mm2 > 200mm2 1,5A/mm2 1A/mm2 20 | P a g e Downloaded by Quang Tran (quangvaytiennhanh1994@gmail.com) ... KIM LOẠI DẪN ĐIỆN ĐỒNG .9 Tên gọi ký hiệu đồng dãy kim loại dẫn điện tốt 10 Mạng tinh thể cấu tạo hóa học kim loại đồng 10 III ỨNG DỤNG CỦA KIM LOẠI ĐỒNG TRONG VẬT... VỀ KIM LOẠI DẪN ĐIỆN ĐỒNG .4 Lịch sử phát triển .4 Khái niêm ̣ kim loại đồng Sự dẫn điện vật dẫn Khái niệm dẫn điện Khái niệm độ dẫn điện .8 Khái niệm điện. .. II KIM LOẠI DẪN ĐIỆN ĐỒNG Tên gọi ký hiệu đồng dãy kim loại dẫn điện tốt Đồng là nguyên tố hóa học bảng tuần hoàn nguyên tố có ký hiệu là Cu, có số hiệu nguyên tử 29 Đồng là kim loại