下引式铜单晶定向凝固连铸设备的分析

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1、原创性声明本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己发表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：日期：本论文使用授权说明本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅：学校可以公布论文的全部或部分内容。(保密的论文在解密后应遵守此规定)签名：新虢纽吼q1．1导体铜的发展历程第一章绪论人类应用铜已有数千年的历史。墓葬考古发现，早在6000年前的史前时期，埃及人

2、就使用铜器。铜是人类祖先最早应用的金属。它具有许多优异的特性和奇妙的功能，不但为人类社会的进步做出了不可磨灭的贡献，而且随着人类文明的发展而不断开发出新的用途。铜既是一个古老的金属，又是一个充满生机和活力的现代工程材料。当前人类步入了丰富多彩的，以电气化和电子信息为特征的高度文明的社会，为铜的应用开辟了更为广阔的天地。铜的主要性能有：(1)铜具有优良的导电和导热性，居所有工程金属材料之旨，这是它在当前电气化和电子信息社会中产生举足轻重作用的主要原因；(2)铜还有许多优异的综合性能：它对大气、海水、土壤以及许多化学介质有很强的耐蚀性：它用在结构上刚柔并济，富

3、有弹性、耐摩擦、抗磨损等有足够的机械性能；(3)它具有多彩的外观，是人们钟爱的、古朴典雅的象征。(4)除了上述众多的使用性能外，它还有一系列良好的加工、铸造、焊接、易切削等工艺性能，从而使它得到了广泛的应用。⋯由于铜具有优良的导电性能，因此被广泛应用于电气、电子行业。随着半导体技术、集成电路技术和电子元器件的质量不断取得突破，电子、通信、音像设备和高清晰度电视机等相关产业的迅猛进步，要求零部件向小型化、精密化方向发展；同时对该领域所用的金属材料的品质提出了更高的要求，其发展趋势之一是研发更细、更薄的高级材质。如集成电路的底板和连线就分别需要直径为10lIm

4、和厚度为20um的内部无缺陷的极细线材和极薄板材。要做到这一点，就要求在塑性加工之前的原材料没有偏析、气孔、夹杂等缺陷。在电子通信设备、高保真音像设备中采用无缺陷、无晶界的单晶导体，显著提高了信号传输的保真度。为提高信号传输速度，要求电缆、网络线等用的铜线为没有晶界的单晶材料。【2J从导体材料品质的角度出发，提高线材传导性能，改善信号传输质量有两条途径：【3】。(1)高纯度。追求导体材料的高纯度，减少杂质对导电性能的影响。其发展取决于冶金精炼技术的突破。(2)无缺陷。从金属物理学的角度考虑，减少金属内部缺陷，消除金属组织中的晶界，减少电子传输中的散射作用，

5、不仅可以提高金属的电导率，而且可以降低信号传输中的衰减程度，提高信噪比。理论研究表明，金属中的晶界，尤其是垂直于导体轴线方向的横向晶界，相当于一系列串联的电容，对音频信号的传输有很强的衰减作用。当晶界上存在氧化物等杂质时，这种效应更加强烈。日木人谦田先牛的实验表明【4】=非晶态的水银导体虽然其导电性能仪是铜的十分之一，但其对音频信号的传输性能确是十分令人满意的。这就表明，消除晶界对提高信号的传输性能有明显的作用，其作用超过了单纯提高电导率的效果。因此，从消除晶界入手，提高电缆的保真度或导体的电导率，改善线材的力学性能、工艺性能等，是一个全新的思路。作为导体

6、的铜线材的开发正是基于以上思路，其发展过程如图1．1【5】所示：铡训辅酬7NLOW÷———————一PuRro／————————一Hl矾图1-1导体铜的开发过程从四十年代开始，高纯度铜5N(表示铜的纯度为99．999wt％,"N”代表Cu含量百分数中9的个数，以下“N”的意义相同)、6N、7N甚至8N的出现，对通讯电缆的发展起到了重要的作用。但直到八十年代初，金属导体中的晶界对电缆质量的影响才被认识到。70年代，对铜线材的开发，研究者开始关注为什么不同加工手段生产的电2lS—T弘謇芝u土～缆，其性能有着明显的差异。这个时期，TPC(ToughPitchCo

7、pper韧铜)在一般用途电缆如电力引线、非昂贵的音频设备用导线等的应用上占着主导地位。然而，TPC中含有330～-500ppm的氧和其他杂质，用在音频设备上严重削弱了信号传输的保真度，这就促使了更纯的导体铜的开发。OFC(OxygenFreeCopper无氧铜)也在同期被开发出来，它是在无氧的惰性气氛中经轧制而成，其氧含量可降低至lOppm，因而明显地提高了音频设备的音质效果；同时，OFC的电导率也比TPC高0．5％～0．2％。在八十年代初期，日立公司开发了一种线性无氧铜“LC．OFC”(LinearCrystal．OxygenFreeCopper)导体材

8、料，该法依据晶界的热力学不稳定性，将多晶无氧铜在真空、接近熔点的温