КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер проекта 25-19-00633
НазваниеРазработка и исследование перспективных композитных проводников для использования в электронике и электротехнике
Руководитель Мурашкин Максим Юрьевич, Кандидат технических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Уфимский университет науки и технологий» , Республика Башкортостан
Конкурс №104 - Конкурс 2025 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»
Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-205 - Разработка новых конструкционных материалов и покрытий
Ключевые слова композитные материалы, цветные металлы, проводниковые сплавы, механические свойства, эксплуатационные свойства, микроструктура, фазовый состав, термомеханическая обработка, деформация, термостойкость, электроника, электротехника
Код ГРНТИ53.49.15
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Быстро прогрессирующие отрасли электротехнической промышленности и электроники находятся в постоянном поиске путей повышения эффективности передачи энергии, снижения стоимости эксплуатации и обслуживания электрических сетей и электронных устройств, а также удешевления и снижения веса используемых проводниковых материалов. Решить данную проблему пытаются за счет модернизации процессов получения и обработки, разработкой материалов новых химических композиций. Однако на данный момент ресурс улучшения монометаллических проводников находятся на грани исчерпания. В связи с этим поиск путей создания передовых материалов для электротехники и электроники с уровнем свойств, позволяющим удовлетворить предъявляемые к ним современные требования, является весьма актуальным. Одна из многообещающих стратегий, которая может позволить получить новые проводники, является создание композитных проводников (КП) в состав которых входят отдельные сплавы на основе алюминия или меди, соединенных механическим, гальваническим или иными способами.
В рамках проекта планируется осуществить разработку научных и технологических основ создания перспективных КП на основе алюминиевых сплавов (Al/Al), а также из разнородных материалов – алюминиевого и медного сплавов (Al/Cu), демонстрирующих необычно высокий уровень механических и эксплуатационных свойств. Реализация соединения в КП разнородных материалов рационального химического состава с регламентированной микроструктурой позволит взять лучшие качества от каждого из них, нивелируя недостатки. Создание КП Al/Cu позволит, повысив прочностные характеристики, и заметно увеличить электропроводность относительно алюминиевых проводников, снизить вес и стоимость относительно медного аналога.
При выполнении проекта новизна решаемой задачи обусловлена реализацией комплексного подхода, заключающегося в применении при создании перспективных КП недавно разработанных для использования в электротехнике сплавов систем легирования Al-Cu-Mn, Al-Zr, Al-Mg-Zr и Al-Fe, специальных методов их получения и термомеханической обработки (ТМО). Композитные проводники Al/Al в виде проволоки будут состоять из мягкого сердечника с электропроводностью близкой к чистому алюминию, что обеспечить высокую электропроводность изделия в целом и высокопрочного сплава в качестве оболочки. Такая конструкция КП будет гарантировать высокую прочность при разных условиях нагружения, стойкость к образованию поверхностных дефектов при транспортировке, монтаже и эксплуатации (фреттинг-износу/усталости) провода.
Композитный проводники Al/Cu в виде проволоки будут состоять из медной оболочки, обеспечивающей повышенную электропроводность. В качестве сердечника планируется использовать новые термостойкие алюминиевые сплавы, демонстрирующие сочетание «прочность-электропроводность», превосходящее по уровню коммерчески используемые аналоги. Отдельным научным вопросом, исследуемым в рамках проекта, будет являться состояние границ раздела между сплавами, образующими КП. В случае разнородных материалов сердцевины и оболочки возникает определенная вероятность формирования интерметаллидных фаз на границах слоев, что может существенно влиять на механические и эксплуатационные свойства готового изделия.
Новизна решения поставленной задачи будет заключаться в том, что, помимо механических свойств и электропроводности, особое внимание в будет уделено эксплуатационным и технологическим свойствам КП. Впервые будет изучено сопротивление износу сплавов, образующих оболочку КП, осуществлены исследования характеристик ползучести КП при температуре эксплуатации. Исследования технологических свойств, полученных КП, позволят определить их способность к использованию при производстве готовых изделий. Такая комплексная оценка механических, эксплуатационных и технологических свойств новых КП позволит четко определить области их применения, а также возможность коммерческого производства.
Ожидаемые результаты
В результате выполнения проекта ожидается получение следующих результатов:
1. Будут созданы оригинальные двухкомпонентные композитные проводники в виде проволоки типа алюминий-алюминий и алюминий-медь с уровнем механических, эксплуатационных и технологических свойств, превосходящим современные аналоги изделий электротехнического назначения из алюминиевых сплавов (для композитов «алюминий-алюминий») и современные биметаллические проводники (для композитов «алюминий-медь»).
2. Будет получен уникальный комплекс данных о механических (предел прочности, условный предел текучести, усталостная прочность, сопротивление ползучести), физических (электрическая проводимость), эксплуатационных (сопротивление износу и коррозии) и технологических (способность к перегибами и навивам) свойств экспериментальных образцов новых композитных проводников.
3. Будет выявлена зависимость комплекса свойств композитных проводников от выбора материала (их химического и фазового состава, микроструктуры) сердечника и оболочки, от состояния границы раздела между материалами образующими композитный проводник, а также от соотношения образующих его материалов.
4. Будут выработаны технологические условия получения максимальной пластичности композитных проводников типа медь-алюминий для их использования в устройствах, работающих на токах высокой частоты (ТВЧ)
5. Будут разработаны научные и технологические принципы получения и обработки новых композитных материалов для электротехники и электроники, обладающие комплексом свойств, не имеющим мировых аналогов.
Получение образцов новых композитных материалов, характеризующихся существенно более высокими механическими, физическими, эксплуатационными и технологическими свойствами, нежели существующие коммерческие аналоги, позволит расширить сферу применение таких материалов, выйти на новые рынки сбыта, а также усилить конкурентоспособность и импортонезависимость предприятий Российской Федерации в области энергетики, электротехники и электроники.
Полученные в проекте результаты, безусловно, будут соответствовать мировому уровню, и представлять значительный научный интерес для физического материаловедения перспективных материалов конструкционного и электротехнического назначения, так как расширят представления о принципах выбора легирования и состава композитных проводников, управления их микроструктурой и, соответственно механическими, эксплуатационными и технологическими свойствами.
При проведении исследований структуры, состава, свойств композитных биметаллических проводников будут использованы самые современные методики и оборудование Центра коллективного пользования «Наноструктурные материалы и высокие технологии» (УУНиТ);
По результатам проведенных исследований будет опубликовано 9 статей, из них 8 в изданиях, индексируемых в системах цитирования Web of Science, Scopus; 4 публикации индексируемых в системе цитирования RSCI. Будет получен 1 патент на изобретение.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2025 году
1. Для решения задачи по созданию двухкомпонентного высокопрочного и термостойкого КП типа Аl/Al были изготовлены образцы сплавов оригинального химического состава на основе системы Al-Cu-ПМ, (где ПМ=Mn, Zr) и Al-Zr. При получении сплавов системы систем Al-Cu-Mn и Al-Cu-Mn-Zr, предназначенных для использования в качестве материала прочной и термостойкой оболочки, впервые был использован непрерывный метод литья в ЭМК, при реализации которого скорость охлаждения расплава (Vc) составляла около 103К/с, а также традиционный метод литья в кокиль (К). Образцы термостойкого сплава системы Al-Zr, были получены по традиционной технологии методом совмещенного литья и прокатки (СЛП). Установлено, что использование литья в ЭМК позволяет избежать образования при кристаллизации эвтектической фазы (Al)+Al2Cu в исходных литых заготовках сплавов системы Al-Cu-ПМ, наличие которой характерно для их аналогов, полученных литьем в К. Сравнение метода получения (СЛП и ЭМК) на структуру и свойства сплав Al-0.5Fe показало, что в сплаве СЛП наблюдались более крупные интерметаллидные частицы, что привело к повышенной электропроводности при сравнительной механической прочности и низкой термостабильности. В частности, такой эффект был обеспечен холодной деформацией по схеме РКУП-К+ХВ.
2. С целью выбора рационального соотношения материала оболочки и сердечника для высокопрочного и термостойкого КП типа Al/Al, вначале были осуществлены комплексные исследования микроструктуры, механических свойств, электропроводности и термостойкости цельноалюминиевых образцов проволоки полученных из сплавов системы Al-Cu-ПМ и Al-Zr, полученных с использованием разных режимов термомеханической обработки (ТМО).
(а) Установили, что рациональный режим ТМО должен включать предварительную термическую обработку (ТО) – гетерогенизационный отжиг при 400°С, в течение 72 часа и последующую деформацию холодным волочением (ХВ) со степенью от 62 до 82% (ТО+ХВ) или равноканальное угловое прессование, выполненное по схеме Конформ (РКУП-К) при комнатной температуре и ХВ (ТО+РКУП-К+ХВ). После обработки ТО+ХВ образцы проволоки сплавов системы Al-Cu-ПМ – материалов оболочки КП, демонстрировали предел прочности от 360 до 426 МПа, удлинение до разрыва в диапазоне 2.5-4.6% и электропроводность 47.6-49.5%IACS. Обработка ТО+РКУП-К+ХВ, за счет формирования ультрамелкозернистой структуры, позволила повысить прочность проволоки на 15% без существенных потерь пластичности и электропроводности. Проволока из сплава Al-Zr – материала для сердечника после ТМО имела предел прочности около 200 МПа, удлинение до разрыва от 5.2 до 6.5% и электропроводность 57.6-58.1%IACS.
(б) Исследование термостойкости материалов исследования позволило установить, что проволока из сплавов Al-Cu-Mn-Zr и Al-Zr легированных цирконием, разупрочняется менее чем на 10% после отжига при 230°С, 1 ч, и может быть использована в условиях длительной эксплуатации при 150°С.
(в) Комплексный анализ эволюции микроструктуры цельноалюминиевых образцов проволоки сплавов Al-Cu-ПМ и Al-Zr, осуществленный на каждом из этапов ТМО, позволил установить, что достигнутый баланс механических свойств, электропроводности и термостойкости в основном контролируется морфологией наноразмерных частиц вторичных фаз Al20Cu2Mn3 и Al3Zr (для случая сплавов, легированных Zr), образовавшихся в результате гетерогенизационного отжига, а также структурой, сформированной в алюминиевой матрице.
3. Используя результаты осуществленных исследований, были изготовлены исходные заготовки КП с оболочкой из сплава Al-Cu-Mn-Zr полученного литьем в ЭМК и сердечников из сплава Al-Zr. После ТМО по рациональному режиму ТО+ХВ (ХВ со степенью деформации 73%) были получены экспериментальные образцы КП проволоки c соотношением материала «оболочка-сердечник» 80%/20%. Они продемонстрировал предел прочности 352 МПа, удлинение до разрыва 4.2% при электропроводности 50.6% IACS. По уровню свойств экспериментальные КП образцы заметно превзошли по уровню прочности, пластичности и термостойкости используемые в настоящее время проводники выполненные из сплавов системы Al-Mg-Si.
4. Были получены КП типа Аl/Al следующих сочетаний (оболочка/сердечник/доля сердечника): Al-1.7Fe/Al-0.5Fe/10%, Al-1.7Fe/Al-0.5Fe/30%, Al-1.7Fe/Al-0.5Fe/50%, Al-1.7Fe/Al-1.7Fe/10%, Al-0.5Fe/Al-0.5Fe/10%, Al-0.5Fe-0.3Cu/Al-0.5Fe/30%, как одноэтапной (ХВ), так и двухэтапной деформационной (РКУП по схеме «Конформ» и последующее ХВ) обработкой. Расчет уровня свойств КП по правилу смесей показал небольшие расхождения с экспериментальными данными, которые объясняются наличием границ раздела «оболочка-сердечник». Фрактографический анализ показал вязкий характер разрушения во всех исследуемых образцах, как в холоднодеформированном, так и в отожженном состояниях.
5. Были получены КП типа Al/Cu двумя методами: электрохимическим (ЭХ) и механическим (М) – аналогичным тому, который использовался для КП типа Аl/Al. Омедненные проволоки ЭХ, продемонстрировали удовлетворительные физико-механические свойства, однако охарактеризовались слабой адгезией алюминиевого и медного слоев. Проволоки, полученные методом М, показали как хорошую адгезию слоев, так и высокий потенциал роста пластичности при отжиге. Повышение температуры отжига с 300 °C до 325 °C в КП Al\Cu с различным материалом сердечника привело к снижению механической прочности и пластичности образцов.
6. Было показано, что наличие границы раздела незначительно влияет на механическую прочность и электропроводность КП типа Аl/Al. Наличие границы раздела «сердечник-оболочка» объясняет более медленное накопление структурных дефектов в сердечнике как для сплавов Al-0.5Fe, так и для Al-1.7Fe. Также было изучено влияние протяженности границы «сердечник-оболочка» на свойства КП 1.7Fe/Al-0.5Fe. Значения прочности, пластичности и УЭП для КП Al-1.7Fe/Al-0.5Fe равномерно распределены между значениями для цельнометаллических проволок Al-0.5Fe и Al-1.7Fe, что позволяет достоверно предсказать свойства производимых КП.
Публикации
1. Медведев А.Е., Шайхулова А.Ф., О.О. Жукова, Е.Б. Медведев, М.М. Мотков, М.Ю. Мурашкин Improving the Complex of Properties of Copper-Clad Aluminum Wire by Using Electromagnetically Cast Al-Fe Alloys Russian Journal of Non-Ferrous Materials, №6, 2025 (год публикации - 2025)
2. Медведев А.Е., Шайхулова А.Ф., Мотков М.М., Мурашкин М.Ю. Influence of the core-sleeve boundary interface on the composite Al-Al wire properties Materials Physics and Mechanics (год публикации - 2025)
3. А.Е. Медведев, А.Ф. Шайхулова, М.Ю. Мурашкин Влияние протяженности границы раздела на электропроводность композитных алюминиевых проволок типа «алюминий-алюминий» Физика и технология перспективных материалов–2025: сборник трудов Международной конференции, отв. ред. А.А. Назаров [Электронный ресурс] / Уфимск. ун-т науки и технологий. – Уфа: Уфимский университет, 2025. – 429 с. – URL: https://uust.ru/media/ documents/digital-publications/2025/187.pdf (год публикации - 2025)
4. Медведев А.Е., Шайхулова А.Ф., О.О. Жукова, Н.А. Еникеев, М.М. Мотков, М.Ю. Мурашкин The influence of production technology and subsequent deformation treatment on the microstructure and properties of the Al-0.5Fe alloy Russian Journal of Non-Ferrous Metals (год публикации - 2026)