Kupari: määritelmä, koostumus, tyypit, ominaisuudet ja sovellukset

Kupari on kemiallinen alkuaine, joka on myös metalli. Sen tärkeimmät ominaisuudet ovat erinomainen sähkönjohtavuus, korkea lämmönjohtavuus ja hyvä korroosionkestävyys. Se on myös sitkeä ja sillä on mielenkiintoinen punertavanruskea väri. Näiden ominaisuuksien yhdistelmä johtaa kuparin laajaan käyttöön suunnittelussa ja esteettisessä käytössä.

Mikä on kupari?

Kupari on kemiallinen alkuaine, numero 29 alkuaineiden jaksollisessa taulukossa. Kuparielementin symboli on Cu, latinasta "cuprum". Se on sitkeä metalli, jonka väri on punertavanruskea. Sitä käytetään laajalti sen korkean lämmön- ja sähkönjohtavuuden vuoksi.

Mikä on kuparin historia?

Kuparin historia juontaa juurensa 8700 eKr. Pohjois-Irakista löydetty kupaririipus on päivätty suunnilleen tuolta ajalta, ja sen uskotaan tällä hetkellä olevan vanhin kuparista valmistettu esine. Kupari on ollut tärkeä metalli monissa muinaisissa sivilisaatioissa, mutta yleisesti ollaan yhtä mieltä siitä, että mesopotamialaiset (Pohjois-Irakissa) löysivät kuparin. Itse asiassa esihistoriallinen ajanjakso on kuparikausi 5500 eKr. ja 4,000 eKr. välillä, jota yleensä kutsutaan kalkoliittikaudeksi kreikan sanoista kuparia (chalk) ja kalliota (lithos).

Kupari on yksi harvoista metalleista, joita voi esiintyä luonnossa luonnollisessa metallimuodossaan. Tämä eroaa useimmista metalleista, jotka on uutettava metallurgian avulla malmista. Paikoissa, joissa esiintyy alkuperäistä kuparia, metallurgian tekniikka ei ollut välttämätöntä, jotta nämä sivilisaatiot alkaisivat työskennellä kuparin kanssa aseiden ja koristeiden muodostamiseksi.

Mikä on kuparin toinen termi?

Toinen kuparin termi on latinalainen sanacuprum, joka antaa kuparille sen symbolin Cu alkuaineiden jaksollisessa taulukossa. Kuparin latinankielinen nimi tuli alun perin Kyproksen saarelta, koska saari oli muinaisina aikoina tärkein kuparin lähde. Cuprum oli "Kyproksen metalli".

Mistä kupari on tehty?

Kupari on kemiallinen alkuaine. Se on valmistettu vain yhdestä atomin tyypistä - sitä ei voida jakaa yksinkertaisempiin aineisiin. Kupariatomin atomiluku on 29, mikä tarkoittaa, että sen atomiydin sisältää 29 protonia.

Kuparia uutetaan luonnonmalmeista - joko kuparisulfidimalmista (kuten kalkopyriittistä) tai kuparioksidimalmista. Nämä malmit louhitaan, murskataan ja prosessoidaan kupariksi. Näitä kuparimalmeja löytyy osista Pohjois- ja Etelä-Amerikasta (kuten Chile ja Peru) sekä alueilla, kuten Ural-vuoristo Venäjällä ja Sambiassa ja Kongon demokraattisessa tasavallassa Afrikassa.

Mitkä ovat erilaiset prosessit kuparin valmistamiseksi?

Erilaiset kuparin valmistusprosessit on kuvattu alla:

1. Kaivostoiminta

Kuparimalmien louhinta tehdään yleensä suurissa avolouhoksissa. Nämä ovat avoimia, porrastettuja reikiä maassa, joita kaivetaan asteittain syvemmälle. Kiven räjäyttämiseen käytetään räjähteitä ja syntyneet lohkareet kuljetetaan murskattavaksi pienemmiksi paloiksi prosessointia varten.

2. Poisto

Kahden yleisen kuparimalmin tyypin mukaan on kaksi pääpuhdistusprosessia. Oksidimalmeille käytetään hydrometallurgista prosessia. Murskattu malmi kasataan ja kasan läpi suodatetaan happoliuos. Tämä luo raskaan liuotusliuoksen. Sulfidimalmeille käytetään pyrometallurgista prosessia. Malmin uuttaminen tapahtuu vaahdotuksella ja sakeuttamisella hiukkasten tiheyden mukaan.

3. Puhdistus

Oksidimalmeissa käytetään hydrometallurgiaa. Tämä tarkoittaa, että raskaana oleva uuttoliuos lähetetään liuotinuuttoprosessiin kuparin konsentroimiseksi liuoksessa. Tämä liuos lähetetään sitten elektrolyyttiseen talteenottoon, jossa kiinteän kuparin kerrostamiseen käytetään sähköä. Rikkimalmeissa käytetään pyrometallurgiaa, mikä tarkoittaa, että raakakuparin valmistukseen käytetään sulattoa. Tämän jälkeen tämä puhdistetaan edelleen sähköpuhdistuksella.

4. Seostus

Kuparilejeeringit valmistetaan sulattamalla ensin seosaine ja sitten sulattamalla kupari sen lisäämiseksi. Sula seos valetaan sitten ja sen annetaan jäähtyä ja jähmettyä.

5. Sähköpuhdistus

Kuparin sähköpuhdistukseen kuuluu epäpuhtaan kuparimateriaalin elektrolyyttinen liuottaminen liuokseen. Puhdas kupari kerrostetaan sähkökemiallisesti elektrodille kohdistamalla sähkövirta liuoksen läpi. Tämä poistaa epäpuhtaudet kuparista korkeamman puhtauden saavuttamiseksi. Prosessi on kuitenkin kallis ja sillä on erittäin suuri sähköntarve.

Mitkä ovat kuparin ominaisuudet?

Kuparimetallin ensisijainen ominaisuus on erinomainen sähkö- ja lämmönjohdin. Se on myös muokattava ja taipuisa, mikä tarkoittaa, että se voidaan taivuttaa suhteellisen helposti. Näin työskentely on helppoa esimerkiksi joustavan kaapeloinnin ansiosta. Toinen kuparimetallin keskeinen ominaisuus on sen korroosionkestävyys erityisesti vesi- ja merivesiympäristöissä. Lopuksi kuparilla on se etu, että se on esteettisesti houkutteleva, sillä se on väriltään punertavanruskea ja se voidaan kiillottaa.

Mikä on kuparin väri?

Kupari on tyypillisesti punaruskeaa väriä. Kuitenkin puhdas kupari ennen hapettumista on itse asiassa vaaleanpunaista, mutta ruskean kuparioksidin muodostuminen tapahtuu niin nopeasti, että mikä tahansa helposti saatavilla oleva kupari on tavallista punaruskeaa. Kuparilla voi myös olla vihreää tahraa (kuten Vapaudenpatsaalla) – tämä on kuparikarbonaattia.

Miltä kupari näyttää?

Kupari näyttää punertavanruskealta kiiltävältä metallilta. Kuparia voidaan työstää moniin erilaisiin käytännöllisiin muotoihin, kuten alla olevan kuvan 1 johtoihin, sekä vesijohtoputkiin ja elektroniikkaan:

Mitkä ovat eri tyypit kuparia?

Kuparia on saatavana eri tyyppejä eri sovelluksiin. Kunkin kuparilajin ominaisuudet ja sovellukset riippuvat kuparin puhtaudesta ja siitä, mitä seosaineita (jos sellaisia ​​on) se sisältää. Alla on lueteltu erilaisia ​​kuparityyppejä:

1. Kuparilanka

Kuparilanka hyödyntää metallin erinomaista sähkönjohtavuutta. Se on yleisin johdin useimmissa sähkösovelluksissa. Sitä käytetään suurille virroille teollisuudessa ja myös kotitalouskäyttöön, aina kotisi pistorasioita ja valoja varten.

2. Kupariputki

Kupariputkia on käytetty laajasti kotitalouksien juomavesijärjestelmissä sen korroosionkestävyyden ja siten pitkäikäisyyden vuoksi. Viime vuosikymmeninä kupariputkien käyttö kotitalouksien putkistoissa on ollut standardi suurimmassa osassa maailmaa. Putkia on saatavana eri halkaisijaltaan ja mitoiltaan (seinämäpaksuuksina). Kuparin korkea hinta ja parempien muoviputkimateriaalien ilmaantuminen tarkoittaa, että kuparia valitaan harvemmin.

3. Kuparilejeeringit

Kaksi yleisintä kupariseosta ovat messinki (seostettu sinkin kanssa) ja pronssi (seostettu tinaan). Messinkiä käytetään tyypillisesti laajemmin. Sitä käytetään LVI-varusteisiin, musiikki-instrumentteihin ja koriste-esineisiin. Sinkin lisääminen antaa seokselle suuremman lujuuden ja sitkeyden. Pronssilla on hyvin samanlaiset ominaisuudet kuin kuparilla, kuten: sen korkea lämmönjohtavuus, erinomainen sitkeys ja suolaveden korroosionkestävyys. Pronssia käytetään siksi laakereissa ja holkeissa sekä laivojen juoksupyörissä.

4. Puhdasta kuparia

Puhdas kupari on erityisesti valmistettu varmistamaan mahdollisimman vähän epäpuhtauksia ja maksimoimaan kuparin lämpö- ja sähköominaisuudet. Puhdas kupari on yleensä pehmeämpää ja vähemmän sitkeää kuin kupari, jossa on lisäaineita tai pieniä seosaineita. Sitä käytetään ihanteellisesti tarkkuussähkökomponenteissa, joille sen sähkönjohtavuus ja alhainen lämpölaajeneminen ovat ihanteellisia.

5. Kuparinanohiukkaset

Kuparinanohiukkaset ovat hyvin pieniä kuparihiukkasia tai kuparipohjaisia ​​materiaaleja, joiden koko on 1–100 nm. Nanohiukkasten on havaittu käyttäytyvän eri tavalla kuin bulkkimateriaalien käyttäytyminen. Kuparinanohiukkasten tapauksessa niillä on erittäin korkea katalyyttinen aktiivisuus teollisissa kemiallisissa reaktioissa, mikä johtuu todennäköisesti niiden suuresta pinta-ala-tilavuussuhteesta. Lisäksi kuparin nanohiukkaset ovat osoittaneet erinomaisia ​​antimikrobisia vaikutuksia.

6. Vapaasti työstettävät kuparit

Vapaasti työstetyissä kupareissa on pieniä määriä (<1%) of other alloying elements added to improve the machinability of the copper. Free-machining copper can then be more easily machined into items such as welding nozzles and soldering iron tips.

7. Kuparilevyt ja -levyt

Kuparilevyt ovat ohuita kuparilevyjä (noin 2 mm tai vähemmän), kun taas levyt ovat paksumpia (jopa 12 mm paksuja). Yleensä näitä on saatavana eri kuparilaatuina. Levyt ovat erittäin muokattavia ja niistä voidaan muotoilla erilaisia ​​komponentteja.

8. Happivapaat kuparit

Happivapaat kuparit sulatetaan rakeistetun grafiittihauteen alla hapen sulkemiseksi pois. Ne ovat puhtaimpia saatavilla olevia kupareja, joissa on minimaaliset epäpuhtaudet hapettamattomien olosuhteiden vuoksi. Sen korkea sähkönjohtavuus ja vähäiset haihtuvat epäpuhtaudet tekevät siitä sopivan käytettäväksi korkeapaineelektroniikassa.

9. Elektrolyyttiset kuparit

Elektrolyyttiset kuparit puhdistetaan elektrolyysillä liuoksessa epäpuhtauksien poistamiseksi. Tällä erittäin puhtaalla kuparilla on korkea sähkönjohtavuus, ja siksi sitä käytetään erilaisissa sähkökomponenteissa, kuten kiskoissa ja käämeissä.

Mitkä ovat kuparin ominaisuudet?

Erilaisten kuparien ominaisuudet on esitetty taulukossa 1:

Taulukko 1: Kuparin ominaisuudet

Kunkin lajin ominaisuudet ovat samanlaiset, mutta niiden erot johtavat erilaisiin sovelluksiin.

Mitkä ovat kuparin fyysiset ominaisuudet?

Erilaisten kuparityyppien fysikaaliset ominaisuudet on esitetty alla olevassa taulukossa 2:

Taulukko 2: Kuparin fyysiset ominaisuudet

Pöydän luotto: https://www.lenntech.com/

Fysikaaliset ominaisuudet riippuvat kuparin prosenttiosuudesta materiaalissa sekä seosaineista

Mitkä ovat kuparin kemialliset ominaisuudet?

Kuparin kemialliset ominaisuudet riippuvat ensisijaisesti sen hapetusasteesta. Kaksi yleisesti esiintyvää hapetustilaa ovat Cu+ ja Cu2+. Alla olevassa taulukossa 3 on joitain kuparin yleisten yhdisteiden kemiallisia ominaisuuksia ja olosuhteita:

Taulukko 3: Kuparin kemialliset ominaisuudet

Nämä ominaisuudet voivat vaihdella kullekin tietylle kupariyhdisteelle (kuten oksalaateille, sulfiiteille ja sulfaateille).

Mitkä ovat kuparin sovellukset?

Kuparin sovelluksia löytyy jokapäiväisestä yhteiskunnasta. Alla on joitain yleisiä esimerkkejä:

1. Elektroniikka

Kuparia käytetään laajalti elektroniikassa, koska sillä on erinomainen sähkönjohtavuus. Se mahdollistaa virtojen kuljettamisen pienempiin kuparin poikkileikkauksiin verrattuna alumiiniin, mikä mahdollistaa pienemmän bulkin käytön ja komponenttien pienentämisen.

2. Arkkitehtuuri

Kuparia käytetään arkkitehtuurissa esteettisesti näyttävän ulkonäön saavuttamiseksi. Sitä on käytetty katto- ja seinien verhoiluun sekä vesikouruihin ja sadevesiputkeen.

3. Putkityöt

Kupariputkia käytetään laajasti kotitalouksien vesiputkistoon sen erittäin hyvän korroosionkestävyyden ansiosta.

4. Kuljetus

Kuparia käytetään laajasti nykyaikaisissa ajoneuvoissa monimutkaisessa elektroniikassa käytettyjen sähkökaapeleiden määrästä johtuen. Sähköajoneuvojen markkinaosuuden kasvaessa kuparia käytetään yhä enemmän elementeissä, kuten sähkömoottoreissa. Tämä johtuu kuparin erinomaisesta sähkönjohtavuudesta, toiseksi vain hopean jälkeen.

5. Uusiutuva energia

Kuparia käytetään uusiutuvan energian markkinoilla useilla tavoilla. Esimerkiksi tuuliturbiinit käyttävät kuparia tuottavissa turbiineissa. Aurinkosähköpaneelit vaativat myös kuparia liitäntöihin ja kaapelointiin.

6. Lääketieteelliset laitteet

Kuparia käytetään lääketieteellisten laitteiden pinnoitteena sen antibakteeristen ominaisuuksien vuoksi. Tällä tavalla se vähentää potilaiden infektioriskiä.

7. Sähköjohdot

Kuparia käytetään laajalti sähköjohdoissa sen erinomaisen sähkönjohtavuuden ansiosta. Tietyn virran tehokkaaseen kuljettamiseen vaadittava kuparin poikkileikkaus on pienempi kuin muiden kohtuullisesti saatavilla olevien materiaalien, kuten alumiinin.

8. Kolikko

Kuparia on historiallisesti käytetty kolikoissa useista syistä: se on muokattavaa ja siksi helposti leimattavaa, mutta silti riittävän kestävää selviytyäkseen liikkeessä. Sillä on myös antimikrobisia ominaisuuksia ja korroosionkestävyys.

9. Teollisuuskoneet

Kuparia käytetään monin eri tavoin teollisuuden laitteissa ja palveluissa, kuten kuparin painevalussa. Sähkösovellusten, kuten moottoreiden ja kaapeloinnin, lisäksi sitä käytetään myös lämmönvaihtimissa, kuten jäähdytyslauhduttimissa. Sitä voidaan käyttää myös erityiseen kemialliseen kestävyyteen.

Mitkä ovat kuparin edut?

Kuparilla on useita selkeitä etuja, jotka on lueteltu alla:

Sillä on erinomainen sähkönjohtavuus, hopean jälkeen, mikä tekee siitä maailmanlaajuisesti yleisimmin käytetyn sähkö- ja elektroniikkakomponenttien johtimen.

Sillä on erittäin hyvä lämmönjohtavuus, ja siksi sitä käytetään lämmönvaihtimissa, kuten jäähdytys- ja ilmastointilaitteiden lauhduttimissa.

On korroosionkestävä, erityisesti vesi- ja merivesisovelluksissa, mikä on johtanut sen laajaan käyttöön vesijärjestelmien putkistoissa.

On taipuisa ja voidaan taivuttaa suhteellisen helposti. Sen kanssa on helppo työskennellä sekä putkistossa että kaapeloinnissa.

On antimikrobinen, joka voi olla erittäin hyödyllinen veden kuljetuksessa sekä lääketieteellisissä sovelluksissa potilaiden terveyden suojelemiseksi.

Mitkä ovat kuparin terveyshyödyt?

Kupari on hivenaine, joka on välttämätön ihmisten terveydelle hyvin pieninä määrinä. Kupari osallistuu kehon toimintaan edistämällä raudan imeytymistä, osallistumalla punasolujen tuotantoon sekä kollageenin tuotantoon. Sen uskotaan parantavan immuunijärjestelmän toimintaa.

Lisää tutkimusta tarvitaan, mutta on joitain viitteitä siitä, että kupari voi parantaa osteoporoosia (alhainen luun tiheys), ja on olemassa todistamattomia teorioita, joiden mukaan kuparirannerenkaita voidaan käyttää lievittämään nivelkipua niveltulehduksesta.

Kuparia sisältäviä ruokaryhmiä ovat lehtivihannekset, täysjyväviljat, pähkinät ja siemenet. Erityisiä runsaasti kuparia sisältäviä ruokia ovat osterit, shiitake-sienet, bataatit ja tumma suklaa.

Mitkä ovat kuparin rajoitukset?

Kuparilla on useita rajoituksia, joista osa on lueteltu alla:

On suhteellisen kallis verrattuna mahdollisiin vaihtoehtoisiin materiaaleihin, kuten: alumiini (sähkökaapelit) tai muovi (vesiputket).

On suhteellisen raskas verrattuna materiaaleihin, kuten alumiiniin, joten yläjohdoille se ei ehkä ole käytännöllistä.

Hapettaa erityisesti korkeissa lämpötiloissa, joten sen käyttöikä on rajoitettu, jos se altistuu ilmalle.

Aiheuttaa iskuriskin verrattuna vaihtoehtoiseen kuituoptiikan signaalinsiirtotekniikkaan.

On myrkyllistä suurina määrinä, joten sitä ei voida käyttää paikoissa, joissa kuparin säännöllinen nieleminen saattaa tapahtua, kuten ruokailuvälineissä.

Ruostuuko kupari helposti?

Kupari ei ruostu teknisesti, koska ruoste on rautaoksidia eikä kuparissa ole rautaa. Kupari kuitenkin kokee rajallista pintakorroosiota. Kuparia pidetään yleisesti korroosionkestävänä. Sillä on luonnollisesti punertavanruskea väri, mikä johtuu kuparioksidin passivointikalvon muodostumisesta metallin pinnalle. Ajan myötä pintaan muodostuu vihreä kuparikarbonaatti, kun kuparioksidi reagoi veden ja ilmassa olevan hiilidioksidin kanssa.

Onko kupari myrkyllistä ihmisille?

Kyllä, kupari voi olla myrkyllistä ihmisille merkittävinä pitoisuuksina. Kupari on ihmisten terveydelle välttämätön hivenaine, mutta jos kuparia on liikaa, syntyy useita komplikaatioita. Veren korkea kuparipitoisuus liittyy Alzheimerin tautiin ja tietyntyyppisiin syöpiin, kuten rinta- ja keuhkosyöpään. Akuutti kuparimyrkytys on erittäin harvinainen, mutta sitä voi esiintyä, jos suuria määriä imeytyy. Tämä voi olla kohtalokasta, koska elinten, kuten maksan ja munuaisten, toimintahäiriö alkaa tapahtua.

Onko kupari metallia?

Kyllä, kupari on metalli. Lisäksi sitä pidetään raskasmetallina sen suhteellisen suuren tiheyden vuoksi. Lisätietoja on Metalloids-oppaassamme.

Mikä on ero kuparin ja metallin välillä?

Kupari on yksi yli 90 alkuainemetallista. Kupari on metalli, mutta monet metallit ovat hyvin erilaisia ​​kuin kupari. Muut metallit ovat väriltään erilaisia; useimmat metallit ovat valkoisia tai harmaita, mutta kupari on punaruskeaa. Muut metallit voivat olla erilaisia ​​fyysisiltä ja kemiallisilta ominaisuuksiltaan - kovempia ja hauraampia kuin kupari, eivätkä ne yleensä johda lämpöä tai sähköä yhtä helposti.

Mikä on ero kuparin ja alumiinin välillä?

Kupari ja alumiini ovat kaksi eri metallia, joilla on erilaiset ominaisuudet. Ilmeisin visuaalinen ero on väri: kupari on punertavanruskea, kun taas alumiini on himmeän hopeanharmaa. Kuparilla on korkeampi vetolujuus kuin alumiinilla ja parempi sähkön- ja lämmönjohtavuus.

Mikä on ero kuparin ja messingin välillä?

Messinki on pääasiassa kuparin ja sinkin seos. Messinki eroaa siksi kuparista, koska se sisältää muita metalleja. Messinki voi sisältää muita metalleja, kuten tinaa, lyijyä, alumiinia tai mangaania pienempiä määriä tiettyjen ominaisuuksien saavuttamiseksi.

Yhteenveto

Tässä artikkelissa esiteltiin kupari, selitettiin mitä se on ja keskusteltiin kuparin erilaisista sovelluksista. Jos haluat lisätietoja kuparista, ota yhteyttä Xometryn edustajaan.

Xometry tarjoaa laajan valikoiman valmistusominaisuuksia ja muita lisäarvopalveluita kaikkiin prototyyppi- ja tuotantotarpeisiisi. Vieraile verkkosivuillamme saadaksesi lisätietoja tai pyytääksesi ilmaisen, sitomattoman tarjouksen.

Vastuuvapauslauseke

Tällä verkkosivulla oleva sisältö on tarkoitettu vain tiedoksi. Xometry ei anna minkäänlaista takuuta tai takuita tietojen tarkkuudesta, täydellisyydestä tai pätevyydestä, olipa se sitten ilmaistua tai oletettua. Suorituskykyparametreja, geometrisia toleransseja, erityisiä suunnitteluominaisuuksia, laatua ja materiaalityyppejä tai prosesseja ei pidä päätellä edustavan sitä, mitä kolmannen osapuolen toimittajat tai valmistajat toimittavat Xometryn verkon kautta. Ostajat, jotka hakevat tarjouksia osista, ovat vastuussa näiden osien erityisvaatimusten määrittämisestä. Katso lisätietoja käyttöehdoistamme.