西安工业大学
硕士学位论文
冷拔单晶铜线材微观组织及其信号传输特性
姓名：王雪艳
申请学位级别：硕士
专业：材料加工工程
指导教师：严文;范新会
20070523
西安工业大学硕士学位论文
能力以及优异的信号传输性能，拥有广阔的市场应用前景“】，啪。
就单晶铜的性能而言，在力学性能方面，单晶铜棒室温延伸率可达６１００％，单向扭断值可达１１０次以上，通过变形可制成高速信号传输线，应用于高科技产品嘲。目前国内所制各的单晶铜线材直径多为ｍ３．８ｒａｍ，远大于实际应用中的铜线材直径嘲。同时，随着电子产品发展的需要，超微细铜线（直径小于０．０５ｒａｍ）的市场需求也在逐年增大，但由于其加工难度大，对原材料性能的要求比较高。单晶铜线材必须经过塑性变形即多次拉拔，才能制成成品。国内电缆行业拥有低氧铜杆的连铸连轧生产线，也有浸涂成型和上引法的无氧铜杆生产线，所产出的铜杆其内部组织均匀性不高，细线拉制非常困难。在采用１８００ｍ／ｍｉｎ以上的拉丝速度时，国外先进技术拉制一公斤ｏＯ．０２ｍｍ的铜丝最多断头一次，而我国拉制规定长度的００．０４ｍｍ以下的铜线时较为困难，尤其是很难拉制规定长度ｏ０．０２ｍｍ及以下的铜丝。有时虽已制成漆包线等产品，但在用户的高速绕线或自动嵌线设备上应用时，也常因材料韧性较差而容易断线ｍ。在此过程中，塑性变形过程对单晶铜线材性能影响尤为重要。关于单晶铜塑性变形组织的研究，近年国内外也有报道。但是关于塑性变形单晶铜微观组织与信号传输方向性关系的研究以及方向性产生的微观机制的报道却比较少，李瑞麟关于线材的系列文章中指出，单晶铜线材“传递信号是有方向差异的”，必须进行“标注”，在实际应用中，多种进口音响线材电缆一般用箭头在线材的绝缘外层做出标注“”，如图１．１所示ＣＯＰＰＥＲＨＥＡＤ线，其内导体为ＰＳＣ（完美单晶铜），而国内生产的各种电缆一般很少见此标记。
（ａ）电缆接头处的箭头标志（ｂ）立响电缆内导线
图１．１音响电缆实物图
基于电缆的最核心部分，导体是最重要的组成元件。ＰＳＣ铜导体是最新ＡＵＤＩＯＱＵＥＳＴ线材的标准导体，这种导体是基于ＡＵＤＩＯＱＵＥＳＴ的上一代ＦＰＣ完美单晶铜导体开发而成。最新的ＰＳＣ铜导体仍旧保持最完美的单晶体铜结构，首先经过特殊的超高温熔炉后缓慢拉制，并快速成型，将导线加工成精确的圆型导体，最后经过多次复杂的工序依次去除氧，除氢及其它金属和杂质，将导体纯度保持在９９．９９９９％以上。另外，由于高频信号等微弱信息一般沿导体的表面传导，因此ＰＳＣ铜导体还要特别经过精密的激光工序等进行导体表
圈１?３Ｅ呦衍射原理图
图１．４Ｎｉ的典型Ｅ酷Ｐ花样１）晶粒取向分析ＥＢＳＤ最直接的应用就是进行晶粒取向的测量，用ＥＢＳＤ可直接获得样品中不同晶粒或不同相之间的取向差异，由取向测量数据结合显微组织原位观察，可以研究腐蚀、裂纹、断裂、原子迁移、偏析、沉淀、孪生和再结晶等。目前已经应用ＥＢｓＤ研究球钢的微观组织，结果表明，Ⅲ钢冷加工电镀工艺中的沿晶断裂、腐蚀、偏聚和氢致开裂等都受晶界和晶体学结构的影响。欧洲、美国及日本也广泛的应用ＥＢｓＤ研究Ｃｕ２ＺｎｚＡｌ形状记亿合金等材料热处理、性能、组织和取向之间的关系。
２）微织构分析材料内部显微组织的择优取向决定着材料的力学、电学和磁学等物理性能的各项异性。ＥＢＳＤ自动、快速的取向测量，并且能知道这些取向在显微组织中的分布，ＥＢＳＤ衍射花样形状分布与晶体的取向直接对应，使得ＥＢＳＤ成为微织构分析的新方法。‘“３）应变研究材料微观区域的残余应力使局部的晶面变得歪扭、弯曲，造成ＥＢＳＰ模糊。因此，从衍射花样的质量可以定性的评估应变程度。由菊池衍射花样的质量可以直观地定性分析超合金和铝合金的应力变化以及外力作用下所发生的塑性变形和断裂过程，还能分析半导体中离子注入损伤，溶质原子诱导应交等。在应变的定量分析方面，国内外虽有诸多有益的报道，但受各方面技术的限制，ＥＢＳＤ技术仍面临极大的挑战。
４）物相鉴定在电子探针分析中，对于某些化学成分相似的氧化物和碳化物很难以区分，如Ｍ７Ｃ３（六方晶系）和Ｍ７Ｃ（四方晶系）、钢中的铁素体（体心立方）和奥氏体（面心立方）。但ＥＢＳＤ技术可以从相的结晶学关系上很容易地加以区分。目前，ＥＢＳＤ可以对７大晶系任意对称性的样品进行自动取向测量和标定。结合ＥＤＳ微区成分分析，ＥＢＳＤ可以应用于未知物相的鉴定”””。
５）材料失效机理研究多晶材料的解理断裂是一种很普遍的断裂形式，这种脆性断裂严重影响材料的实际应用。对于具有解理断裂特性的脆性材料，应用特殊的试验分析技术，ＥＢＳＤ技术可以对试样断面中大量的晶粒进行快速而准确的晶体学取向测量，进而可以对材料的脆性本质以及解理断裂的机制进行研究。此外，ＥＢＳＤ技术还可以应用于腐蚀
２试验方法
２试验方法
本文主要研究冷拔单晶铜线材微观组织对信号传输的影响，为单晶铜线材的实际应用提供理论依据。故本研究的实验工作主要分为四个方面：一、制备单晶铜线材，将单晶铜线材拉拔到所需直径的铜线材：二、对单晶铜线材的微观组织进行分析，主要包括金相显微组织、透射电镜显微组织分析；三、变形单晶铜线材电子背散射衍射实验显微组织分析；
四、单晶铜线材对电信号传输特性的测试，主要包括用单晶铜线材和多晶线材制备的电缆驻波比和插损的测试。并分析讨论单晶铜线材微观组织结构对产生信号传输方向性差异的影响机理。
２．１单晶铜线材的制备
本试验所用单晶铜线材是通过单晶连铸技术与区域熔炼技术相结合的水平连铸方法制备的，其设备结构简图如图２．１所示。其原理是通过加热铸型和一个与之分离带冷却器的冷铸型，在铸型出口与冷却器之间产生一个轴向温度梯度，形成定向凝固条件，保证液固界面在铸型外面自由凝固，这样可以保证在经过一定组织演化后得到所需的单向生长的单晶组织。通过选择不同内孔直径的石墨铸型，即可得到不同直径以及长度的原始单晶铜线材。单晶铜线材的制备工艺为：采用功率为８０００瓦的高频电源对石墨坩埚加热，自来水冷却，抽拉速度为６０～１２０ｃｍ／ｍｉｎ。根据该工艺参数制备出的单晶铜线材其金相组织如图２．２所示。
１主动轮２导向轮３石墨坩埚４导向轮５
牵引轮６排线卷７牵引电机控制柜
８送料电机控制柜９工作台１０送料卷
图２．１热型连铸设备总体结构简图图２．２单晶铜金相组织２．２变形单晶铜线材的制备
变形单晶铜线材是通过无退火冷拔变形得到的，冷拔在陕西泾阳电缆厂的Ｃ７３３—４／ＺＦ型工业拉丝机（如图２．３）上进行。冷拔是通过不同的模具（如图２．４），按照一定的