Монокристаллическая медь. Терминология и производство.

Синонимы: длинозерная медь (Long Grain Copper), однокристаллическая медь (Single Crystal Copper).

Монокристаллическая медь - это медь, которая переходит из расплавленной фазы в твердую относительно долго и равномерно по всему объему. В результате получается металл с относительно упорядоченной кристаллической решеткой. Существует несколько методов получения монокристаллов. Это относится не только к меди, но и любому веществу, имеющему внутреннее строение в виде кристаллической решетки (металлы, металлические сплавы, кремний, германий, алмаз и т.д.). Монокристаллы широко применяются в электронике, авиационной технике, машиностроении и т.д.

Термин "монокристалл" не совсем корректен, так как им принято описывать одиночный кристалл вещества. Мы же, для удобства, называем монокристаллом однонаправленную упорядоченную структуру всего поликристалла меди, состоящего из одиночных кристаллов (т.е. монокристаллов). Аналогичные термины, принятые в коммерциии: Single Crystal Copper, Long-Grain Copper, Unidirectional Long-Grain Copper (однонаправленная медь, длиннозерная медь и пр.)

Кристаллическая решетка меди. Представим себе микроскопический куб размером 0.36х0.36х0.36 нанометров. В каждой вершине этого куба и в центре каждой его грани находится атом меди. Всего этот кубик содержит 14 атомов меди. Это элементарная ячейка кристаллической решетки меди. Именно эти кубики составляют жидкую фазу расплавленной меди. При остывании, то есть с уменьшением энергии расплава, межатомные связи сцепляют кубики в кристаллическую решетку.

Эта решетка получается неупорядоченной, поликристаллической. Кубики тут необязательно сцепляются ровно грань к грани. Появляются развороты по осям, пустоты между гранями кубиков и т.д. Возникают целые области в структуре металла, в которых упорядоченность кубиков имеет определённую закономерность. Области (зерна) с разными закономерностями упорядоченности, касающиеся друг друга, образуют видимую под микроскопом ярко выраженную границу. Это есть граница между зернами кристаллической решетки меди.

Электропроводность меди, как и любого металла, обеспечивается электронами, которые могут покидать атомы и свободно путешествовать (колебаться) в кристаллической решетке и, тем самым, проводить электрический ток. Чем свободнее и без помех происходит перемещение электронного облака, тем меньше электрический сигнал подвергается межкристаллической дисторсии (искажению). Примеси кислорода, серебра, фосфора и других веществ в меди ухудшают её электропроводность. Следовательно, чем чище медь, и, чем больше порядка в её решетке (например, существует качественная длиннозерная медь, имеющая длинные, сильно вытянутые зерна), тем лучше аудио кабель. Наилучший результат дает монокристаллическая медь (Single Crystal или Monocrystal Copper) высокой степени очистки. Чтобы её изготовить необходимо кристаллическую решетку очищенной меди привести в порядок, то есть изготовить практически однозерную медь.

Процесс производства металлов с однонаправленной длиннозерной структурой (unidirectional columnar structure) в первые был запатентован профессором Ацуми Оно (Atsumi Ohno) из института Чиба (Япония) в 1982 году (патент US4515204; JAPAN PAT.1049146). Данный процесс обеспечивает непрерывное литье (Continuous Casting) расплавленного металла или сплава (в том числе и меди) в предварительно разогретые формы, с последующим равномерным остывание всего объема металла. В результате получается однородная медь с упорядоченной кристаллической решеткой. Для производства ОСС меди (Ohno Continuous Casting) применяется металл повышенной очистки 99.9997% Cu или 99.9999% Cu. Этот процесс очень затратный в плане энергии и времени, что делает OCC медь очень дорогой по сравнению со стандартными марками. Кроме того, спектр применения такой меди очень узок, что приводит к дополнительному её удорожанию.

Существует несколько способов производства монокристаллической меди, дающих различную степень упорядоченности кристаллической решетки металла. Наиболее эффективным на данный момент является метод бестигельной зонной плавки, который заменил собой более дорогостоящий метод OCC. В процессе зонной плавки стержень из стандартной бескислородной меди с очисткой до 99,99% подвергается рафинированию до 5N или 6N с одновременным упорядочением кристаллической решетки металла. В дальнейшем из таких стержней изготавливают жилы для производства кабелей.

Зонная плавка металлов (глубокая очистка металлов или полупроводников от примесей) основана на физических процессах разделения веществ при плавке. Преимущество этих процессов заключается в том, что очистка протекает без использования реагентов, вносимых извне в очищаемый металл. Зонная плавка или кристаллизационный метод очистки удаляет примеси движущимся жидким фронтом кристаллизации и применима для любого вещества, имеющего кристаллическую решетку и различную растворимость примесей в жидком и твердом состояниях. Жидкий фронт (расплавленная зона) формируется электронно-лучевым нагревом медного стержня без тигеля в вакууме. Стержень бомбардируется направленным стабилизированным пучком электронов, создаваемым электронной пушкой с кольцевым катодом (нагревателем).

Процесс заключается в медленном движении расплавленной зоны вдоль стержня, которая охватывает всю его площадь поперечного сечения и постепенном перераспределении примесей (см.схему ниже). В процессе медленного движения узкой расплавленной зоны от одного конца стержня к другому, сгусток примесей перед расплавленной зоной перераспределяется (выталкивается) к концу стержня.

Одновременно происходит упорядочение кристаллической решетки меди из-за медленного и равномерного её остывания в поперечном сечении стержня вдоль всей его длины при движении расплавленной зоны.

Подробнее об этом читайте по ссылкам:
The Production of Ultrahigh Purity Copper for Advanced Applications на англ.яз.
Про монокристаллическую медь, выплавляемую методом Astumi Ohno (OCC),
Solidification. The Separation Theory and its Practical Application. London-Paris-Tokyo, 1987 (англ.)
https://link.springer.com/article/10.1007/BF02841295
Выдержка из статьи о выращивании монокристаллов меди методом Чохларского:
Growth of single crystals of copper and their thermal profile estimation
https://link.springer.com/article/10.1007/BF02847635
Зонная плавка металлов:
Информация о различных методах производства монокристаллов металлов, в том числе и меди на англ.
Установка зонной плавки и её применение для получения сверхчистых металлов. на русском; на англ.яз.
Продажа монокристаллических (Single Crystal) медных прутков (стержней) для изготовления кабельной проволоки:
https://www.americanelements.com/copper-single-crystal-7440-50-8
https://princetonscientific.com/materials/metal-single-crystals/copper-single-crystal/
http://www.goodfellow.com/E/Copper-Single-Crystal.html

Производство медной поволоки. Компании, производящие проволоку, закупают медные или серебряные стержни у металлургических компаний или у компаний, занимающихся дополнительным рафинированием (до 6N) и монокристаллизацией металлов (читайте выше). Медные стержни в специальных станках пропускаются через алмазные кольца меньшего диаметра.

Полученный пруток повторно волочат через кольцо еще меньшего диаметра. Куски проволоки сваривают между собой и повторяют процесс до тех пор пока не получится тонкая жила диаметром 0.25, 0.2, 0.15 или 0.1мм. Внутреннее напряжение, возникающее в жиле после волочения, снимают при помощи её нагрева. Этот процесс называется нормализацией или отжигом. Отжигают жилу, пропуская через неё электрический ток, который нагревает ее до требуемой температуры.

При необходимости медную жилу лудят или покрывают серебром. Жилы различного сортамента готовы к продаже заводам, производящим различные типы кабелей (коаксиальные, витые пары, аудио, видео, акустические и пр.). Стоимость жилы зависит от стоимости металлов на бирже. Цена может сильно колебаться в течение года. Стоимость полимеров для изготовления изоляции также зависит от многих факторов: стоимости нефтепродуктов, химических добавок, транспортных затрат и пр. О полимерах для кабельной изоляции поговорим ниже.

Кабельный завод, получая заказ от кабельного бренда, формирует отпускную цену на тот или иной кабель, учитывая стоимость жилы и диэлектриков, плюс стоимость рабочей силы и электроэнергии. Кабельные бренды могут работать с несколькими заводами на территории Китая, Тайваня, США, Европы и России. Кабельные заводы, в свою очередь, могут изготавливать продукцию для нескольких десятков различных кабельных брендов.

Задача кабельного бренда - инженерно-техническая. То есть создать оптимальную кабельную конструкцию, подобрать нужные для этого материалы, найти хороший кабельный завод, а также эффективно решить проблему транспортировки, маркетинга, наладить устойчивую дилерскую сеть и пр.