báo cáo vật liệu điện vật liệu kim loại dẫn điện đồng

Mục lục A. GIỚI THIỆUI. Sự dẫn điện trong vật dẫn …………………………………...2II. Kim loại dẫn điện tốt: …..…………………………………...3B. KIM LOẠI ĐỒNGI. Tên và kí hiệu :1.Vị trí trong bảng tuần hoàn ...…………………………62.Tính chất vật lý ...………………………………………6II. Mạng tinh thể của đồng ………………………………………7III. Ứng dụng của các vật liệu kim loại đồng trong vật liệu đẫn điện hiện nay 1.Một số sản phẩm dây dẫn đồng …………………………..82.Công nghệ luyện đồng ..…………………,………………11

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT TPHCM

- -BÁO CÁO VẬT LIỆU ĐIỆN-ĐIỆN TỬ

Đề Tài : Kim Loại Dẫn Điện Đồng

GVHD: Phạm Xuân Hổ SVTH:

-Độ dẫn điện còn gọi là điện dẫn suất hay suất dẫn điện (σ )

-Điện trở là đại lượng thể hiện mức độ cản trở dòng điện của vật đang cho dòng điện chạy qua thường gọi là trở kháng

Dưới đây là số liệu điện trở suất của một số vật liệu

(Ωm) ở 20Ωm) ở 20m) ở 20 0 C

Hệ số nhiệt điện trở(Ωm) ở 20K −1 )

Khả năng dẫn điện: Cao nhất

Tính chất: Là kim loại mềm, dễ uốn

Công dụng: Tuy có khả năng dẫn điện cao nhất nhưng vì giá thành đắt đỏ mà

người ta hiếm khi ứng dụng bạc cho ngành công nghiệp điện Thay vào đó bạc được dùng để đúc tiền, tráng gương và làm đồ trang sức

Đồng

Kí hiệu hóa học: Cu

Tính chất: Là kim loại mềm, dễ uốn và tạo hình.

Công dụng: Hiện nay, đồng được xem là vật chất chế tạo dây dẫn điện phổ biến nhất

Không chỉ vậy, các đồ gia dụng hoặc mỹ nghệ cũng được sản xuất từ đồng như: chảo,

tượng đúc, que hàn,… Một số hợp chất của đồng thường tồn tại ở dạng màu xanh lam,xanh lục nên được dùng làm thuốc nhuộm trong các xí nghiệp vải.

Vàng

Kí hiệu hóa học: Au

Tính chất: dẫn nhiệt và điện tốt, khó bị oxi hóa, tính thẩm mỹ cao

Công dụng: Hầu hết trên thế giới hiện nay không chú ý nhiều đến tính năng dẫn điện

của vàng mà thay vào đó là dùng làm đơn vị trao đổi giá trị tiền tệ và trang sức Tuy nhiên, đối với những người lao động thường xuyên làm việc với điện và nạn nhân bị điện giật cần cởi bỏ trang sức vàng ra khỏi cơ thể để tránh dòng điện nhanh chóng lan nhanh khắp toàn cơ thể đe dọa đến tính mạng cá nhân

Nhôm

Kí hiệu hóa học: Al

Tính chất: Dẻo, khó bị oxi hóa, nhiệt độ nóng chảy cao

Công dụng: Trong một số trường hợp, nhôm được chế tạo làm dây dẫn điện Tuy

nhiên với đặc tính chịu nhiệt cao của mình mà nhôm thường được ứng dụng rộng rãi

trong các công trình kiến trúc như vách ngăn xây dựng, chế tạo tôn lợp mái nhà, cột, trụ nhà,

Sắt

Kí hiệu hóa học: Fe

Tính chất: Là một trong những kim loại phổ biến lâu đời nhất trên Trái Đất, có tính

thù hình, cứng và rắn chắc

Công dụng: Có thể nói rằng tính đến thời điểm hiện tại thì sắt chính là kim loại được

sử dụng nhiều nhất trong đời sống của con người Hầu như trong mọi lĩnh vực và ngành nghề đều cần đến sự ứng dụng của sắt như chế tạo công cụ lao động: cuốc, xẻng, gậy,… chế tạo đồ gia dụng như tủ, bàn, giường, cầu thang,… và đặc biệt là trong ngành sản xuất ô tô hoặc các công trình xây dựng kiến trúc thì không thể có kimloại nào thay thế được sắt trong việc tạo độ cứng, chắc chắn cho công trình hoặc sản phẩm

Nhưng hiện nay, đồng được xem là vật chất chế tạo dây dẫn điện phổ biến nhất vì giá thành hợp lý cho viêc sử dụng vào nghành công nghiệp điện

B KIM LOẠI ĐỒNG

I Tên và kí hiệu

Đồng là nguyên tố hóa họctrong bảng tuần hoàn nguyên tố có ký hiệu Cu và số nguyên tử bằng 29

a Vị trí trong bảng tuần hoàn

- Cấu hình e nguyên tử: 29 Cu: 1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 3d 10 4s 1

mà phân lớp d không được lấp đầu bởi các electron, các liên kết kim loại trong đồng thiếu các đặc điểm của liên kết cộng hóa trị và chúng tương đối yếu Điều này giải thích tại sao các tinh thể đồng riêng biệt có độ dẻo cao và độ cứng thấp Ở quy mô lớn, việc thêm vào các khuyết tật trong ô mạng tinh thể như ranh giới hạt, sẽ làm cản trở dòng vật liệu dưới áp lực nén từ đó làm tăng độ cứng của nó Ví dụ, đồng thường được đưa ra thị trường ở dạng polycrystalline hạt mịn, dạng này có độ cứng lớn hơn dạng monocrystalline

b Tính chất vật lý

Độ cứng thấp của đồng giúp giải thích một phần tính dẫn điện cao của nó(59.6×106 S/m) và cũng như tính dẫn nhiệt cao, các tính chất này được xếp hạng thứ 2 trong số những kim loại nguyên chất có tính chất tương tự ở nhiệt độ phòng (trong số các kim loại nguyên chất ở nhiệt độ phòng chỉ có bạc có độ dẫn điện cao hơn) Đặc điểm này

là do điện trở suất đối với sự vận chuyển electron trong các kim loại ở nhiệt độ phòng chủ yếu bắt nguồn từ sự tán xạ của electron đối với dao động nhiệt của mạng tinh thể,

mà điện trở xuất này tương đối yếu đối với cho một kim loại mềm Mật độ dòng thấm tối đa của đồng trong không khí ngoài trời vào khoảng 3,1×106 A/m2, vượt trên giá trị này nó bắt đầu nóng quá mức

Đồng có mạng tinh thể lập phương tâm diện, màu đỏ, dẻo, dễ kéo sợi, dát mỏng Dẫn điện và nhiệt tốt chỉ kém bạc, t0nc = 10830C, D = 8,98 g/cm3

II Mạng tinh thể của đồng

Một cấu trúc tinh thể là một sự sắp xếp đặc biệt của các nguyên tử trong tinh thể Mộtcấu trúc tinh thể gồm có một ô cơ sở và rất nhiều các nguyên tử sắp xếp theo một cáchđặc biệt; vị trí của chúng được lặp lại một cách tuần hoàn trong không gian ba chiều theo một mạng Bravais Kích thước của ô đơn vị theo các chiều khác nhau được gọi làcác thông số mạng hay hằng số mạng Tùy thuộc vào tính chất đối xứng của ô đơn vị

mà tinh thể đó thuộc vào một trong các nhóm không gian khác nhau Cấu trúc và đối xứng của tinh thể có vai trò rất quan trọng với tính dẫn điện của đồng

Ô đơn vị là một cách sắp xếp của các nguyên tử trong không gian ba chiều, nếu ta lặp lại nó thì nó sẽ chiếm đầy không gian và sẽ tạo nên tinh thể Vị trí của các nguyên tử trong ô đơn vị được mô tả bằng một hệ đơn vị hay còn gọi là một hệ cơ sở bao gồm bathông số tương ứng với ba chiều của không gian ( x , y , z )

Đối với mỗi cấu trúc tinh thể, tồn tại một ô đơn vị quy ước, thường được chọn để mạng tinh thể có tính đối xứng cao nhất Tuy vậy, ô đơn vị quy ước không phải luôn luôn là lựa chọn nhỏ nhất Ô cơ sở mới là một lựa chọn nhỏ nhất mà từ đó ta có thể tạo nên tinh thể bằng cách lặp lại ô nguyên tố

Đòng có cấu trúc mạng tinh thể lập phương tâm diện

Từ đó suy ra

r = a√2

4

Và có hai nguyên tử trong một ô cở sở

Mật độ nguyên tử bằng số nguyên tử trong 1 ô cở sở nhân với số ô có trong 1 đơn vị thể tích : NN = (1/ a³) * Số nguyên tử / 1 ô

III Ứng dụng của các vật liệu kim loại đồng trong vật liệu đẫn điện hiện nay

1 Một số sản phẩm dây dẫn đồng:

Dây đơn

Là loại dây dẫn chỉ có một sợ cứng, bằng đồng (hoặc nhôm) có thể là dây dẫn hoặc

thông thường có bọc lớp cách điện bằng chất dẻo PVC hoặc cao su lưu hóa, có loại bọc thêm lớp vải tẩm nhựa đường

Loại dây này được dùng rất phổ biến dẫn điện trong nhà, và được sản xuất với tiết diện không quá 10mm2 (cỡ dây Ø 30/10)

Dây Liên Xô có mã hiệu: πPP

Dây đơn mềm

Là loại dây dẫn có bọc cách điện bằng nhựa PVC hoặc cao su lưu hóa, có ruột bằng đồng, gồm nhiều sợi nhỏ có đường kính 0.2mm xoắn lại nên rất mềm dẻo Dây đơn mềm được sử dụng đi dây trong báng phân phối điện, các đầu dây ra ngoài các mảy điện, dây dấn điện trên ô tô…

Dây Liên Xô có mã hiệu: πPPA

Dây đôi

Gồm 2 dây dẫn ruột đồng, mềm, được bọc cách điện song song với nhau, chất cách điện là nhựa PVC hoặc cao su lưu hóa Nhờ dây dẫn được cấu tạo bởi nhiều sợi có đường kính nhỏ 0,2mm nên mềm dẻo dễ di động

Công dụng : dùng dẫn điện cho các thiết bị điện cần di động, không cố định, đồ dùng điện trong sinh hoạt như quạt để bàn, tủ lạnh, máy thu thanh, thu hình…

Dây Liên Xô có mã hiệu: πPπPB

Các thông số của dây đôi mềm

Dây xoắn mềm

Loại dây dẫn mềm có 2 hoặc nhiều dây dẫn được cách điện với nhau Mỗi ruột dây dẫn được cấu tạo bởi nhiều sợi dây có tiết diện nhỏ được xoắn lại với nhau, do đó dây dẫn có tính mềm dẻo và vững chắc Loại dây này mềm dẻo hơn loại dây đôi, với chất

cách điện cao su chịu nhiệt và được bọc thêm vải coton ở ngoài tăng cường sự vững chắc về cơ, chịu sự tiếp xúc nhiệt nên dùng làm dây dẫn cho bàn ủi điện, bếp điện.

Với loại dây xoắn có ống bọc ngoài cao su hoặc nhựa PVC được sứ dụng làm dây dẫn cho các thiết bị điện di động, chịu được sự va chạm về cơ nên an toàn điện cho người

sử dụng Như máy khoan điện cầm tay, máy tiện, máy công cụ và các máy móc dùng trong sinh hoạt…

Cấu tạo của dây xoắn mềm

Dây cáp

Là loại dây dẫn tải dòng điện lớn, có bọc cách điện cao su lưu hóa hoặc chất nhựa PVC Ruột bằng đổng, được cấu tạo bởi nhiều dây đơn nên có thể mềm hơn, để lắp đặt đường dây Thường dùng làm đường dây tải chính, trong khu nhà tập thể, xí nghiệp có thể đặt trèn buli hoặc đi trong óng

(Theo tiêu chuẩn TCVN 2103-77 và tiêu chuẩn cơ sở Bộ CKLK sốTC9-79)

Thông số của dây dẫn bằng đồng bọc nhựa dẻo, loại dây cứng

Ghi chú: Dòng điện tải sẽ tính giảm đi khi dây dẫn loại này được đặt trong ống

Dây cáp bọc giáp

Các loại dây dẫn đơn cứng hoặc dây cáp có bọc cách điện được bố trí hai hoặc nhiều dây trong cùng một vỏ bọc chung bao ngoài bằng cao su hoặc nhựa PVC hoặc ruban kim loại sắt, kẽm hay nhôm đều gọi là dây cáp bọc giáp Sự chịu đựng va chạm về cơ tùy thuộc vật liệu vỏ bọc ngoài cùng bảo vệ các dây dẫn chứa ở bên trong

Các loại dây cáp bọc giáp này được sử dụng đặt cố định hoặc nơi có sự rung chuyển thường xuyên như đường dây đẫn điện đến các máy công cụ, máy cưa bảo, máy tiện…Khi lắp đăt không cần đi trong ống, vì lớp vò bọc ngoài thay thế cho ống luồn đáy

Không nên sứ dụng dây cáp bọc giáp đi ngầm, lắp kín trong tưởng và các chỗ nối dây phải nối tại hộp nối

Trong trường hợp tổng quát, nên chọn mật độ dòng cho phép trong dây dẫn để dây không bị nóng lên và sụt áp nhiều trên đường dây theo bảng sau:

Tiết diện dây Mật độ dòng

2 Công nghệ luyện đồng

a Công nghệ luyện đồng:

a.1.Các công nghệ luyện đồng chủ yếu trên thế giới:

Công nghệ luyện đồng trên thế giới có thể phân chia ra hai loại: công nghệ cổ điển vàcông nghệ hiện đại Trong công nghệ cổ điển có hai công nghệ: Công nghệ hỏa luyện

và công nghệ thủy luyện

a.1.1.Công nghệ hỏa luyện cổ điển:

Đầu tiên quặng tinh sulphua đồng được thiêu khử bớt lưu huỳnh nhận được thiêu phẩm và khí SO2 Sau đó luyện thiêu phẩm ra sten đồng, còn khí SO2 đem đi sản xuất axit sulphuaric Đem sten đi thổi luyện ra đồng thô, sau đó đem đồng thô đi tinh luyện bằng phương pháp hỏa tinh luyện dể nhận đồng dương cực Đem đồng dương cực đi đúc thành tấm đồng dương cực Điện phân đồng dương cực nhận được đồng âm cực( chính là đồng thương phẩm) Dưới đây là các phản ứng cơ bản của công nghệ hỏa luyện cổ điển

- Công đoạn thiêu khử bớt lưu huỳnh:

Đầu tiên có phản ứng phân ly 4CuFeS2 → 2Cu2S + 4FeS + S2 (1)

Sau đó có các phẩn ứng oxy hóa một phần S2 + 2O2 → 2SO2 (2)

3Fe3O4 + FeS + SiO2 = 5[(FeO)2 SiO2] + SO2 (6)

Khi luyện sten trong lò phản xạ xỉ có thành phần : (CaOx)(FeOy)(SiO2)z thường xỉ có thành phần : 45% FeO, 32-35% SiO2, 5% CaO , còn lại các chất khác

- Công đoạn thổi luyện sten đồng ra đồng thô:

Ban đầu phản ứng oxy hóa tạo xỉ sắt:

2FeS + O2 + SiO2 = 2FeO SiO2 + 2SO2 (7)

Giai đoạn thổi luyện thứ hai:

12000C sắp xếp theo thứ tự như sau: Zn, Fe, Sn, As, Ni, Sb, Pb, Bi, S, Cu, Te, Se, Ag,

Au Chín nguyên tố đầu có ái lực với oxy lớn hơn đồng Khi oxy hóa đồng lỏng bằng phương pháp thổi luyện không khí, do hàm lượng các tạp chất rất nhỏ so với hàm lượng đồng nên sẽ xảy ra phản ứng oxy hóa đồng trước

Điện phân đồng dương cực nhận đồng catot thương phẩm

Điện phân tinh luyện đồng mục đích nâng cao chất lượng đồng từ ( 99,1-99,7%Cu) lên đồng Catot (99,99%Cu), đồng thời thu hồi thêm kim loại quý như vàng Áp dụng phương pháp điện phân trong dung dịch trong dung dịch axit Khi điện phân cực dương là đồng dương cực, cực âm là tấm cái đồng Các phản ứng điện hóa xảy ra nhưsau:

- Phản ứng cực dương: Đồng tan ra Cu -2e → Cu 2+ (12)

Cu -e → Cu + (13)

- Phản ứng cực âm: Ion Cu 2+ phóng điện và được hoàn nguyên về đồng kim loại

Cu2+ + 2e → Cu (14)

Khi điện phân tại cực dương các nguyên tố có điện thế dương hơn đồng như: Ag,

Au, chúng ở lại cực dương ở dạng hợp kim hoặc hợp chất không hòa tan vì khó bị oxyhóa đi vào dung dịch, trở thành bùn dương cực

a.1.2.Công nghệ thủy luyện cổ điển:

Đây là công nghệ chủ yếu để xử lý quặng đồng oxyt và quặng đồng hỗn hợp Công nghệ này có các công đoạn: Nghiền quặng, hòa tách trong dung dịch axit sulphuric và phụ gia, làm sạch dung dịch khỏi các tạp chất, điện phân chiết tách nhận được đồng Catot Nói chung trong quặng đồng oxyt thường có một số khoáng vật sau:

Malachite CuCO3•Cu(OH)2

Chrysocolla CuO·SiO2·2H2O

Azurite 2CuCO3·Cu(OH)2

Khi hòa tách bằng H2SO4 xảy ra các phản ứng cơ bản sau:

CuCO3.Cu(OH)2+ 2H2SO4 + 2H2O = 2CuSO4.5H2O+ CO2 (17)

CuSiO3.2H2O + H2SO4 +2H2O = CuSO4.5H2O+ SiO2 (18)

2CuCO3·Cu(OH)2 + 3H2SO4 + H2O = 3CuSO4.5H2O + 2CO2 (19)

Từ đó nhận được dung dịch 3CuSO4.5H2O Tuy nhiên dung dịch này còn chứa nhiều tạp chất ví dụ như SiO2, Fe, Cl- , nên cần phải làm sạch trước khi điện phân

a.1.3.Công nghệ hỏa luyện hiện đại:

Trong những năm gần đây, do việc thông qua các đạo luật về hạn chế chất thải vào khíquyển nên người ta nghiên cứu áp dụng công nghệ luyện đồng hiện đại Cơ chế phản ứng quá trình luyện đồng hiện đại vẫn tuân thủ những cơ chế quá trình luyện đồng cổ điển, chỉ khác về chủng loại thiết bị và các công đoạn dài dòng của luyện cổ điển được

cô đọng lại trong một vài thiết bị chủ yếu Đặc biệt các công đoạn luyện sơ cấp ban đầu Bây giờ có xu hướng chỉ thực hiện trong một hoặc hai thiết bị

Luyện trong trạng thái lơ lửng: Luyện lơ lửng Outokumpu, Luyện lơ lửng Inco

Luyện trong bể chất lỏng: Quá trình Worcra, Quá trình Noranda, Quá trình Misubishi, Quá trình IsaSmelt, luyện bể lỏng trong lò phản xạ, luyện bể lỏng trong lò thổi

Teniente cải tiến,

Quá trình thổi luyện: Thổi luyện lò Peirco-Smit

a.1.4.Công nghệ thủy luyện hiện đại:

Những ưu điểm của công nghệ thủy luyện đồng hiện đại là khắc phục được những nhược điểm của công nghệ hoả luyện như:

- Thải phát tán khí SO2

- Bão hoà thị trường axit sulphuaric

- Chi phí đầu tư cao

- Phải hạn chế các tạp chất ( As, Sb, Bi)

- Khả năng xử lý tinh quặng chất lượng thấp cũng như tinh quặng nhiều tạp chất , tức là có hiệu quả hơn để xử lý tinh quặng phức tạp

- Chi phí đầu tư thấp Chi phí đầu tư đặc biệt thấp đối với nhà máy có quy mô sản xuất nhỏ hơn hoả luyện

- Với công nghệ thủy luyện hiện đại có thể áp dụng với quy mô nhỏ, không nhất thiết phải lớn như công nghệ hỏa luyện hiện đại

- Có thể xây nhà máy ngay tại mỏ

Các quá trình thủy luyện hiện đại có thể được phân nhóm theo môi trường thuỷ luyện như sau:

- Quá trình sulphát

- Quá trình sulphát/clorua

- Quá trình clorua (và bromit)

Quá trình sulphát: Các quy trình dựa trên môi trường sulfat và nói chung là sử dụng oxy để oxy hóa là những công nghệ được thiết lập phổ biến nhất để hoà tách quặng đồng.Gồm có các quá trình: Activox, Nenatech, Dynatec, AAC/UBC, Placer Dome, Biocop, Bactech/Mintek, Geocoat

Quá trình sulphát/clorua: Cho thêm chất clorua vào hoà tách sulphat để cải thiện động học hoà tách và làm giảm nhiệt độ hoà tách thấp hơn Gồm có các quá trình:

Quá trình Noranda Antlerite:

Quá trình được phát triển bởi Noranda vào cuối năm 1970 để xử lý tinh quặng

chanlcopyrite Công nghệ này dựa vào sự chuyển đổi đồng thành khoáng vật antlerite CuSO4.2Cu(OH)2 Các bước hoà tách bao gồm:

1-chuyển đổi chanlcopyrite và các khoáng vật sulphua đồng khác thành khoáng vật antlerite, hematite và lưu huỳnh nguyên tố bằng xử lý với dung dịch sulphat-clorua đồng ở 135-145 oC và áp suất oxy 200 psi

2- Hoà tách bã antlerite bằng axit sulphuaric ở PH 2,5 tạo thành chất điện giải cho điện phân đồng

hematite

Quá trình Halide:

Quá trình hoà tách clorua xử lý sulphide đồng đã nhận được nhiều sự chú ý trong thập

kỷ qua DS Flett gần đây đã xem xét quá trình thuỷ luyện clorua xử lý các sulphua phức tạp Quá trình thuỷ luyện clorua( và bromide) Quá trình clorua có một số ưu điểm khác biệt hơn quá trinh sulphat:

- nhanh hơn, tạo nên hoà tách khí quyển thực tế hơn

- Hầu như tất cả các sulphides được ôxi hóa thành nguyên tố lưu huỳnh

- Độ hòa tan của các kim loại cao hơn dẫn đến khối lượng dung dịch thu đựơc cho cácbước tiếp theo nhỏ hơn

Những khó khăn của quá trình là: