Reines KupferpulverEs besteht hauptsächlich aus Kupfer und ist ein Metallelement. Kupfer ist ein weiches Metall. Wenn die Oberfläche gerade geschnitten ist, ist sie rotorange mit metallischem Glanz und die einfache Substanz ist purpurrot. Es weist eine gute Duktilität sowie eine hohe Wärmeleitfähigkeit und Leitfähigkeit auf und ist daher das am häufigsten verwendete Material für Kabel sowie elektrische und elektronische Komponenten. Es kann auch als Baumaterial verwendet werden und viele Arten von Legierungen bilden. Kupferlegierungen haben hervorragende mechanische Eigenschaften und einen geringen spezifischen Widerstand, wobei Bronze und Messing die wichtigsten sind. Darüber hinaus ist Kupfer auch ein langlebiges Metall, das viele Male recycelt werden kann, ohne seine mechanischen Eigenschaften zu beeinträchtigen. Es ist ein Nichteisenmetall, das eine sehr enge Beziehung zum Menschen hat. Es wird häufig in der Elektroindustrie, der Leichtindustrie, dem Maschinenbau, der Bauindustrie, der nationalen Verteidigungsindustrie und anderen Bereichen eingesetzt. Beim Verbrauch von Nichteisenmaterialien in China liegt es nach Aluminium an zweiter Stelle.
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Chemische Formel |
Cu |
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Genaue Masse |
64 |
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Molekulargewicht |
64 |
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m/z |
63 (100.0%), 65 (44.6%) |
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Elementaranalyse |
Cu, 100,00 |
Chemische Eigenschaften von Kupfer:
1. Reaktion mit Sauerstoff: Kupfer ist ein inaktives Schwermetall, das sich in trockener Luft bei Raumtemperatur nicht mit Sauerstoff verbindet. Beim Erhitzen kann schwarzes Kupferoxid entstehen:
Brennt es bei sehr hoher Temperatur weiter, entsteht rotes Cu2O:
2. Reaktion mit Luft (Reaktion mit O2, H2O, CO2): Nach längerer Einwirkung feuchter Luft bildet sich langsam eine Schicht Kupfergrün (basisches Kupfercarbonat) auf der Kupferoberfläche. Copper Green kann eine weitere Korrosion von Metall verhindern und seine Zusammensetzung ist variabel.
3. Reaktion mit Halogen:Reines Kupferpulverkann sich unter Zündbedingungen mit Chlor verbinden.
4. Reaktion mit Schwefel: Beim Erhitzen verbindet sich Kupfer direkt mit Schwefel zu Kupfersulfid (Cu2S):
5. Reaktion mit Eisenchloridlösung: In der Elektronikindustrie wird FeCl3-Lösung häufig zum Ätzen von Kupfer zur Herstellung gedruckter Schaltkreise verwendet. Gleichung:
6. Reaktion mit Säure: Reaktion mit Luft und verdünnter Säure. In der Potentialfolge (Metallaktivitätsfolge) stehen die Elemente der Kupfergruppe hinter dem Wasserstoff und können daher den Wasserstoff in verdünnter Säure nicht ersetzen. Allerdings kann Kupfer in Gegenwart von Luft zunächst zu Kupferoxid oxidiert werden, dann mit Säure reagieren und sich dann langsam in diesen verdünnten Säuren auflösen. Siehe die folgende Gleichung:
7. Reaktion mit oxidierenden Säuren: Kupfer wird durch oxidierende Säuren wie Salpetersäure und konzentrierte Schwefelsäure oxidiert und aufgelöst (Erhitzen erforderlich):
8. Katalysator: Kupfer kann als Katalysator für einige organische Reaktionen wirken, beispielsweise für die katalytische Oxidation von Alkohol:
Y--Strahlenmethode: Bi-Metallsalz wird unter y--Strahlung zu Metallpartikeln reduziert. Durch Y--Strahlung erzeugt die Lösung solvatisierte Elektronen, die Metallionen ohne Reduktionsmittel reduzieren, ihre Wertigkeit verringern und durch Keimbildung und Wachstum Metallpartikel bilden können. Vorteile: Es ist einfach, bei normaler Temperatur und normalem Druck zu arbeiten, und die Partikelgröße wird gleichzeitig bei der Partikelerzeugung geschützt, wodurch eine Partikelagglomeration verhindert werden kann, und es kann in großem Maßstab hergestellt werden
Elektrolytische Methode: Der bei der Herstellung von Kupferpulver verwendete Elektrolyt ist CuSO mit einer geeigneten Menge H, also und. Lösung: Die Anode besteht aus einer Kupferplatte aus reinem Metall und die Kathodenoberfläche besteht aus einer Titanlegierung. Wenn Strom angelegt wird, wandert Cu2+ zur Kathode, reduziert sich und lagert sich auf deren Oberfläche ab. Ultraschallvibration und Kavitation bewirken, dass das abgeschiedene Metallkupfer schnell abfällt und mit kleinen Partikeln im Elektrolyten suspendiert wird, wodurch die Ansammlung und das Wachstum von Partikeln wirksam verhindert werden kann. Der technologische Prozess zur Herstellung von Kupferpulver durch Elektrolyse ist: Elektrolyse - > Schaben - > Filtration → Sammeln von Kupferpulver → Waschen → Antioxidationsbehandlung → Waschen - > Backen - > Wasserstoffreduktion - > Zerkleinern - > Sieben. Zu den Faktoren, die den Elektrolyseprozess beeinflussen müssen, gehören Ionen und Ionenkonzentration, Stromdichte, Zusatzstoffe, Pulverabstreifzyklus, Elektrolyttemperatur usw.
Reines KupferpulverAls eines der frühesten vom Menschen genutzten Metalle nahm es aufgrund seiner hervorragenden Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit, Duktilität und Korrosionsbeständigkeit stets eine zentrale Stellung im Prozess der menschlichen Zivilisation ein. Von den Pyramiden der alten ägyptischen Pharaonen bis zu den Präzisionskomponenten moderner Raumfahrzeuge, von den dekorativen Künsten der traditionellen Architektur bis hin zu bahnbrechenden Technologien im Bereich der neuen Energien hat die Anwendung von Kupfer in alle Bereiche der Industrie, Technologie, des Lebens, der medizinischen Versorgung und mehr vorgedrungen.
Kupfer ist das Kernmaterial für die Stromübertragung und Energieumwandlung mit einer Leitfähigkeit, die nur von Silber übertroffen wird. Die Kosten betragen jedoch nur 1/100 von Silber, was es zum bevorzugten Leiter für globale Energiesysteme macht.
1. Stromnetzinfrastruktur
Mehr als 90 % der weltweiten Ultrahochspannungsleitungen verwenden Leiter aus Kupfer oder Kupferlegierungen. In Chinas Ultrahochspannungstechnik werden etwa 8 Tonnen Kupfermaterial pro Kilometer Übertragungsleitung verbraucht, wodurch sichergestellt wird, dass der Leistungsverlust auf 0,05 %/100 km reduziert wird. Im Bereich der Transformatoren verbessert der Einsatz von Kupferwicklungen den Anlagenwirkungsgrad auf über 98 %, wodurch jährlich Strom eingespart wird, der der Stromerzeugung von drei Drei-Schluchten-Kraftwerken entspricht.
2. Neue Energierevolution
Photovoltaik-Industrie: Die Silberpaste monokristalliner Silizium-Solarzellen enthält 60 % Kupfer und der leitfähige Klebstoff auf Kupferbasis verbessert die Verpackungseffizienz der Komponenten um 15 %.
Bis 2025 wird die weltweit installierte Photovoltaikkapazität 5.000 GW überschreiten, was zu einem Anstieg der Kupfernachfrage um 300.000 Tonnen pro Jahr führen wird.
Im Bereich der Windenergie werden die Innenkabel von Offshore-Windkraftanlagen mit Kupferkernen konstruiert, die eine fünfmal höhere Korrosionsbeständigkeit als Aluminiumkerne und eine verlängerte Lebensdauer von 25 Jahren aufweisen. Eine Windkraftanlage mit einer Einzelleistung von 15 MW benötigt 40 Tonnen Kupfermaterial, das sind 300 % mehr als das 5-MW-Modell.
Energiespeichersystem: Das Hinzufügen von Kupfernanopartikeln zum positiven Elektrodenmaterial von Lithium-Ionen-Batterien kann die Zyklenlebensdauer der Batterie auf über 8000 Mal und die Energiedichte auf 350 Wh/kg erhöhen. Das Energiespeichersystem Tesla Megapack hat einen Kupfergehalt von 2,8 Tonnen pro Einheit und ist damit eines der weltweit größten Kupferverbrauchsterminals.
Von integrierten Schaltkreisen bis hin zum Quantencomputing: Die Anwendungen von Kupfer in der Elektronik stoßen weiterhin an die Grenzen der Physik.
1. Halbleiterfertigung
Verbindungstechnologie: Bei 45-nm-Prozesschips ist der spezifische Widerstand von Kupferverbindungen im Vergleich zu Aluminium um 40 % reduziert und die Signalübertragungsverzögerung wird um 30 % reduziert. Der 3-nm-Prozess von TSMC nutzt die selbstausrichtende Mehrfachstrukturierungstechnologie mit 18 Schichten Kupferverbindungen auf einem einzigen Chip und einer Linienbreitengenauigkeit, die innerhalb von 2 nm kontrolliert wird.
Verpackungsmaterial: Beim Flip-Chip-Gehäuse erhöht die Kupfer-Pillar-Bump-Technologie die I/O-Dichte auf 10.000/mm², was zehnmal höher ist als bei herkömmlichen Zinn-Blei-Lötkugeln. Intel Xeon-Prozessoren verwenden Kühlkörper aus Kupfer-Graphen-Verbundwerkstoff mit einer Wärmeleitfähigkeit von 1800 W/(m · K), was 50 % höher ist als die von reinem Kupfer.
2. Quantencomputing
Der IBM-Quantencomputer „Osprey“ verwendet supraleitende Spulen aus einer Niob-Titan-Legierung, aber 90 % der Verbindungsdrähte im Niedertemperatur-Kühlsystem bestehen aus hochreinem, sauerstofffreiem Kupfer, das einen spezifischen Widerstand von weniger als 1 × 10 ⁻¹Ω· m bei -273 Grad gewährleistet. Im Google-Prozessor „Sycamore“ erreicht der kupferbasierte Mikrowellenresonator eine Signaltreue von 99,9999 % und fördert so die Quantenüberlegenheit.
Kupfer spielt eine entscheidende Rolle bei der Leichtbau- und Elektrifizierungstransformation von Transportfahrzeugen.
1. Neues Energiefahrzeug
Motorsystem: Der Permanentmagnet-Synchronmotor Tesla Model 3 nutzt die Kupferrotortechnologie, die den Wirkungsgrad um 8 % verbessert und das Gewicht um 15 % im Vergleich zu herkömmlichen Asynchronmotoren reduziert. Im Acht-in-Eins-Elektroantriebssystem der BYD e-Plattform 3.0 erreicht die Belegungsrate der Kupferflachdraht-Motorsteckplätze 78 % und die Leistungsdichte übersteigt 6 kW/kg.
Lademöglichkeiten: Die weltweit erste 800-V-Hochspannungs-Schnellladeplattform verwendet Schütze aus Kupferlegierungen, die eine dreimal höhere Lichtbogenerosionsbeständigkeit als Silberkontakte und eine bis zu einer Millionfache Lebensdauer aufweisen. Der Kupfergehalt eines einzelnen Tesla V4-Kompressorstapels erreicht 45 kg, was einer Steigerung von 20 % im Vergleich zur V3-Version entspricht.
2. Luft- und Raumfahrt
Triebwerkskomponenten: Die Turbinenschaufeln des GE9X-Triebwerks bestehen aus einer Hochtemperaturlegierung auf Kupferbasis mit einer Arbeitstemperatur von 1150 Grad, was 50 Grad höher ist als das Material der vorherigen Generation. Die Kraftstoffsystemleitungen des Airbus A350XWB bestehen aus Titan-Kupfer-Verbundmaterial, das eine zehnmal höhere Korrosionsbeständigkeit aufweist alsReines Kupferpulverund reduziert das Gewicht um 40 %.
Satellitentechnologie: Der Beidou-3-Satellit verwendet Antennen aus Kupfer-Niob-Titan-Formgedächtnislegierungen mit einer Deformationswiederherstellungsrate von 99,99 % in extremen Umgebungen von -180 Grad bis 120 Grad und gewährleistet so die Genauigkeit der Signalübertragung.
Die Witterungsbeständigkeit und der ästhetische Wert von Kupfer machen es zu einem ewigen Material im Bereich der Architektur.
1. Wahrzeichengebäude
Shanghai-Zentrumsgebäude: Die äußere Vorhangfassade besteht aus einer Kupfer-Zink-Legierungsplatte, die nach 15 Jahren natürlicher Oxidation eine einzigartige „kupfergrüne“ Schutzschicht gebildet hat. Das Reflexionsvermögen ist von 85 % auf 60 % gesunken, was die Einheit von Gebäudeenergieeinsparung und künstlerischer Wirkung verdeutlicht.
Das „Paper Bag Building“ an der University of Technology Sydney: Die Außenfassade besteht aus 32.000 perforierten Kupferplatten und durch parametrisches Design werden dynamische Licht- und Schatteneffekte erzeugt. Die Effizienz der natürlichen Beleuchtung im Innenbereich wurde um 40 % gesteigert und die LEED-Platin-Zertifizierung erhalten.
2. Kulturelles Erbe
Kupferkomponenten der Nährhalle des Palastmuseums: Der während der Qianlong-Zeit gegossene kupfervergoldete goldene Torring wurde im Wachsausschmelzverfahren mit einer Oberflächenvergoldungsschichtdicke von 0,2 mm hergestellt. Nach 300 Jahren ist die Integrität immer noch zu 95 % erhalten.
Louvre-Pyramide: Eine von IM Pei entworfene Glas-Kupfer-Struktur mit einem Kupferrahmen aus 316L-Edelstahl, der mit Kupfer beschichtet ist und die höchste Korrosionsbeständigkeit gemäß ISO 9227-Standard und einen verlängerten Wartungszyklus von 20 Jahren erreicht.
Die antibakteriellen Eigenschaften und die Biokompatibilität von Kupfer fördern seine innovativen Anwendungen im medizinischen Bereich.
1. Antibakterielles Material
Kontrolle von Krankenhausinfektionen: Die Mayo Clinic in den Vereinigten Staaten verwendet Türgriffe aus Kupferlegierung und Gold, wodurch die Anzahl der Oberflächenbakterien im Vergleich zu Edelstahl um 99,7 % und die im Krankenhaus erworbene Infektionsrate um 22 % reduziert werden. Chinas Hilfe beim Bau von Ebola-Behandlungszentren in Afrika nutzt vollständig medizinische Geräte aus Kupferlegierungen, wobei die Kreuzinfektionsrate unter 0,3 % kontrolliert wird.
Textilanwendung: Das Kupferionenfasergewebe weist eine Hemmrate von 99,99 % gegen Staphylococcus aureus auf und wird zur Herstellung medizinischer Hilfsmittel wie OP-Kleidung und Masken verwendet, um die Sicherheit des medizinischen Personals während der COVID-19-Epidemie zu gewährleisten.
2. Krebsbehandlung
Kupferkomplex-Medikamente: Der Cisplatin-Kupferkomplex (Cu Pt) kann die Apoptoserate von Brustkrebszellen auf 85 % erhöhen, indem er die DNA-Topoisomerase von Tumorzellen zerstört, was 30 Prozentpunkte höher ist als bei herkömmlichen Chemotherapeutika.
Nanotechnologie: Kupferoxid-Nanopartikel (CuO-NPs) in der photothermischen Therapie können die Temperatur der Tumorstelle unter 808-nm-Laserbestrahlung auf 52 Grad erhöhen und so eine präzise Ablation erreichen.
Die Festigkeit und Verschleißfestigkeit von Kupferlegierungen unterstützen die Entwicklung einer High-End-Fertigungsindustrie.
1. Formenbau
Druckgussform: Die Oberfläche des H13-Stahlsubstrats, das mit einer Legierungsbeschichtung auf Kupferbasis besprüht ist, kann die Lebensdauer der Form um das 50.000-fache auf das 200.000-fache verlängern, angewendet bei der integrierten Herstellung von Tesla-Druckgusskörpern.
Kunststoffform: Berylliumkupferlegierung (C17200) hat eine Wärmeleitfähigkeit von 105 W/(m · K), was fünfmal höher ist als P20-Formstahl und verkürzt den Spritzgusszyklus um 30 %. Es wird bei der Herstellung von Apple iPhone-Hüllen verwendet.
2. Lagertechnologie
Hochgeschwindigkeits-Eisenbahnachslager: Durch die Verwendung von pulvermetallurgischen Käfigen auf Kupferbasis bleibt der Reibungskoeffizient bei einer Fahrgeschwindigkeit von 350 km/h stabil unter 0,002, was die Lebensdauer im Vergleich zu herkömmlichen Stahlkäfigen um das Dreifache verlängert.
Hauptwellenlager einer Windkraftanlage:Reines KupferpulverDie Aufkohlungsbehandlungstechnologie aus Nickellegierungen ermöglicht eine Kontaktermüdungslebensdauer der Lager von mehr als 1 × 10 ⁷ U/min und unterstützt so den stabilen Betrieb einer 15-MW-Offshore-Windkraftanlage.
Kupfer weist einen einzigartigen Wert bei der Kontrolle der Umweltverschmutzung und beim Recycling von Ressourcen auf.
1. Wasseraufbereitungstechnologie
Schwermetallentfernung: Kupferoxid-Nanopartikel haben eine Adsorptionskapazität von 256 mg/g für Bleiionen in Wasser, was zehnmal höher ist als die von Aktivkohle. Sie werden zur Kontrolle der Schwermetallverschmutzung im Jangtse-Einzugsgebiet eingesetzt.
Photokatalytischer Abbau: Unter sichtbarem Licht kann der Verbundkatalysator Cu₂O/TiO₂ dafür sorgen, dass die Mineralisierungsrate organischer Schadstoffe 90 % erreicht, was für das Cyanobakterienbehandlungsprojekt Taihu Lake Lake verwendet wird.
2. Abfallrecycling
Entwicklung des städtischen Bergbaus: China recycelt jährlich etwa 2 Millionen Tonnen Altkupfer, was einer Reduzierung des Kupferabbaus um 30 Millionen Tonnen und einer Reduzierung der Kohlenstoffemissionen um 120 Millionen Tonnen entspricht.
Geschlossener Herstellungskreislauf: Apple nutzt Daisy-Roboter zur Demontage von iPhones und erreicht eine Kupferrückgewinnungsrate von 98 % für die Produktion von MacBook-Hüllen, wodurch ein „Design-Use-Recycling“-Kreislauf entsteht.
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