التطبيقات الأساسية للنحاس التي تحتاج إلى معرفتها

النحاس: أحد أقدم المعادن التي اكتشفها الإنسان. وقد أظهرت الاكتشافات الأثرية في المقابر أن المصريين كانوا يستخدمون بالفعل أدوات نحاسية منذ 6000 سنة مضت. يمكن العثور على النحاس في الطبيعة في صورة نحاس أصلي وكوبريت وكالكوسيت. ويندر وجود النحاس الأصلي والكوبريت.

في الوقت الحاضر، يتم تكرير أكثر من 801 تيرابايت 3 تيرابايت من النحاس في العالم من الكالكوسيت، وهو نوع من الخامات منخفضة الجودة يحتوي على حوالي 2-31 تيرابايت 3 تيرابايت فقط من النحاس. لقد مرَّ تطور تعدين النحاس بعملية طويلة، ولكن حتى اليوم، يتم صهر النحاس بشكل أساسي عن طريق التعدين البيروميتالورجي، الذي يمثل حوالي 801 تيرابايت 3 تيرابايت من إجمالي إنتاج النحاس في العالم.

يتم إدخال تقنيات التعدين المائي الحديثة تدريجياً، مما يقلل بشكل كبير من تكلفة تكرير النحاس.

يتميز النحاس بالعديد من الخصائص الفيزيائية والكيميائية القيّمة، مثل الموصلية الحرارية والكهربائية العالية، والثبات الكيميائي، وقوة الشد العالية، و قابلية اللحامومقاومة التآكل والليونة وقابلية الليونة والطرق.

 يمكن سحب النحاس النقي إلى أسلاك دقيقة للغاية أو تحويله إلى رقائق نحاسية رقيقة للغاية. ويمكنه تشكيل سبائك مع الزنك والقصدير والرصاص والمنجنيز والكوبالت والنيكل والألومنيوم والحديد والمعادن الأخرى. تنقسم السبائك المُكوَّنة أساساً إلى ثلاث فئات: النحاس الأصفر، وهو سبيكة من النحاس والزنك؛ والبرونز، وهو سبيكة من النحاس والقصدير؛ والكوبرونيكل، وهو سبيكة من النحاس والكوبالت والنيكل.

نسبة تطبيقات الأداء الرئيسية للنحاس وسبائك النحاس وسبائك النحاس.

النحاس هو معدن غير حديدي له علاقة وثيقة بالبشر ويستخدم على نطاق واسع في مجالات الهندسة الكهربائية والصناعات الخفيفة وتصنيع الآلات وصناعة البناء وصناعة الدفاع الوطني وما إلى ذلك. في الصين، يأتي استهلاك النحاس في المرتبة الثانية بعد الألومنيوم بين المعادن غير الحديدية المواد المعدنية.

ووفقًا لمتوسط الاستهلاك السنوي للفرد: يتراوح متوسط الاستهلاك السنوي للفرد في البلدان المتقدمة (التي تضم حوالي 1.1 مليار شخص) بين 10-20 كجم؛ بينما يتراوح متوسط الاستهلاك السنوي للفرد في البلدان النامية (التي تضم حوالي 4.9 مليار شخص) بين صفر و2 كجم.

إن مستوى استهلاك النحاس في البلدان المتقدمة أعلى بكثير من نظيره في البلدان النامية. ففي البلدان المتقدمة، يحتاج المواطن العادي في البلدان المتقدمة إلى استهلاك حوالي طن واحد من النحاس في حياته، وهو رقم كبير.

تُظهر المقارنة بين البيانات المذكورة أعلاه أن مستوى استهلاك النحاس يعكس مستوى التنمية في بلد ما إلى حد ما. وعلى الرغم من أن الطلب على النحاس في الصين قد ازداد بشكل كبير في السنوات الأخيرة، إلا أنه لا تزال هناك بعض المناطق الفقيرة في المناطق الريفية حيث يبلغ متوسط الاستهلاك السنوي للفرد حوالي 0.1 كجم فقط، وهو ما يماثل استهلاك الهند (0.13 كجم)، مما يشير إلى وجود إمكانات تنموية هائلة.

هيكل استهلاك النحاس في الصين:

هيكل استهلاك النحاس في الولايات المتحدة:

من الشكلين أعلاه، يمكننا أن نرى أن هناك اختلافًا كبيرًا في هيكل استهلاك النحاس بين الصين والولايات المتحدة. حيث يمثل استهلاك المنتجات الكهربائية والإلكترونية في الصين نصف إجمالي الاستهلاك، بينما يمثل في الولايات المتحدة 701 تيرابايت 3 تيرابايت.

كما أن الولايات المتحدة لديها استهلاك أكبر للنحاس في صناعة البناء والتشييد، في حين أن استهلاك النحاس في الصين لا يكاد يذكر. بالمقارنة مع الدول الأوروبية والأمريكية، بدأ للتو استخدام النحاس في البناء في الصين في السنوات الأخيرة، مع وجود سوق محتمل ضخم.

ووفقاً للإحصاءات، ارتفع استخدام النحاس في المساكن في الولايات المتحدة من 120 كيلوغراماً لكل أسرة في عام 1970 إلى 200 كيلوغرام في عام 1996. وفي المتوسط، كان متوسط استخدام السيارات 10 كجم من النحاس لكل مركبة في عام 1950 وارتفع إلى 19 كجم في عام 1996. وتتطلب المركبات الكهربائية زيادة في استخدام النحاس من 25 كجم إلى 40 كجم لكل مركبة.

تخصيص استخدام النحاس في قطاعات البناء المختلفة في سوق النحاس العالمي.

وفيما يلي التخصيص المحدد لاستخدام النحاس في قطاعات البناء المختلفة في سوق النحاس العالمي:

(1) تشييد المساكن، بما في ذلك: أنظمة الأنابيب (الماء والتدفئة والغاز ومرشات الحريق، إلخ)؛ ومرافق المنزل (تكييف الهواء، والثلاجات، إلخ)؛ وديكور المبنى (الأسقف، والمزاريب، إلخ)؛ وخطوط الاتصالات (الصوت، والفيديو، والبيانات، إلخ)؛ وأنظمة الإمداد بالطاقة.

(2) إنتاج المعدات، بما في ذلك: المعدات الصناعية (المحركات، المحولات، إلخ)؛ النقل (السيارات، السكك الحديدية، الطائرات، إلخ)؛ الأجهزة الإلكترونية؛ المنتجات الصناعية الخفيفة (الأجهزة المنزلية، الأدوات، الأدوات، إلخ).

(3) البنية التحتية الأساسية، بما في ذلك: المشاريع الهندسية واسعة النطاق (مرافق النقل، وصناعة البتروكيماويات، والتعدين والمعادن، وما إلى ذلك)؛ وصناعة الطاقة الكهربائية (النقل والتوزيع، وما إلى ذلك)؛ وشبكات الاتصالات. وتجدر الإشارة إلى أن بناء المساكن يرتبط ارتباطاً مباشراً بمستويات معيشة الناس، ويحظى النحاس بأعلى نسبة من الاستخدام في هذا المجال. وعلى وجه الخصوص، تعتبر الصين بناء المساكن جزءًا مهمًا من دفع عجلة تنمية الاقتصاد الوطني. يمكن ملاحظة أن الترويج النشط لتطبيق النحاس يلعب دورًا مهمًا في التنمية الاقتصادية والاجتماعية للبلاد.

استخدام النحاس في الصناعة الكهربائية:

(1) نقل الطاقة

بيانات الاستهلاك الوطني للكهرباء من 1998 إلى 2003.

ويبين الشكل أعلاه حالة استهلاك الكهرباء في الصين من عام 1998 إلى عام 2003، مع توقع عام 2003 كقيمة متوقعة. وتتطلب الزيادة السريعة في الطلب على الكهرباء المدفوعة بالتنمية الاقتصادية في الصين كمية كبيرة من النحاس عالي التوصيل في نقل الطاقة، ويستخدم بشكل رئيسي في كابلات الطاقة وقضبان التوصيل والمحولات والمفاتيح والموصلات والوصلات البينية. في عملية نقل الطاقة من خلال الأسلاك والكابلات، تولد المقاومة الكهربائية حرارة وطاقة مهدرة.

من من منظور الحفاظ على الطاقة والاقتصاد، يروج العالم حاليًا لمعيار "المقطع العرضي الأمثل للكابل". في الماضي، كان المعيار الشائع يعتمد فقط على تقليل المقطع العرضي للكابل لتقليل الحد الأدنى المسموح به لحجم الكابل تحت التيار المقنن الذي يتطلبه التصميم، من أجل تقليل تكاليف التركيب الأولية دون التسبب في ارتفاع درجة الحرارة بشكل خطير.

تتميز الكابلات الموضوعة وفقًا لهذا المعيار بتكاليف تركيب أقل، ولكنها تستهلك طاقة أكثر نسبيًا بسبب المقاومة الكهربائية أثناء الاستخدام طويل الأجل. يراعي معيار "المقطع العرضي الأمثل للكابل" كلاً من تكاليف التركيب لمرة واحدة واستهلاك الطاقة، مما يؤدي إلى توسيع حجم الكابل بشكل مناسب لتوفير الطاقة وتحقيق الفوائد الاقتصادية الشاملة المثلى. ووفقًا للمعيار الجديد، غالبًا ما يتضاعف المقطع العرضي للكابل أكثر من الضعف مقارنة بالمعيار القديم، وهو ما يمكن أن يحقق تأثير توفير يبلغ حوالي 501 تيرابايت 3 تيرابايت.

في الماضي، وبسبب عدم كفاية المعروض من النحاس، اعتمدت الصين إجراء استبدال النحاس بالألومنيوم في خطوط النقل العلوية عالية الجهد، مع الأخذ في الاعتبار أن الألومنيوم يمثل 301 تيرابايت 3 تيرابايت فقط من وزن النحاس على أمل تقليل الوزن. ومع ذلك، من من منظور حماية البيئة، سيتم استبدال خطوط النقل العلوية بمد الكابلات تحت الأرض. في ظل هذه الظروف، فإن الألومنيوم له عيوب مثل ضعف التوصيل وحجم الكابل الأكبر مقارنة بالنحاس، مما يجعله أقل قدرة على المنافسة.

وللأسباب نفسها، فإن استبدال المحولات ذات الجرح الألومنيوم بمحولات ذات جرح نحاسي، والتي تتسم بالكفاءة في استهلاك الطاقة، يعد خيارًا حكيمًا أيضًا.

(2) تصنيع المحركات

في تصنيع المحركات، تُستخدم سبائك النحاس ذات الموصلية والقوة العالية على نطاق واسع. الأجزاء النحاسية الرئيسية هي الجزء الثابت والدوار ورأس العمود. في المحركات الكبيرة، يجب تبريد اللف بواسطة الماء أو غاز الهيدروجين، وهو ما يسمى بالتبريد الداخلي بالماء المزدوج أو المحركات المبردة بالهيدروجين، والتي تتطلب موصلات مجوفة طويلة.

تُعد المحركات من المستهلكين الكبار للكهرباء، حيث تستهلك حوالي 601 تيرابايت 3 تيرابايت من إجمالي إمدادات الكهرباء. وفاتورة الكهرباء التراكمية لتشغيل المحرك مرتفعة للغاية. وعمومًا، تصل إلى تكلفة المحرك نفسه خلال أول 500 ساعة من التشغيل وتصل إلى 4-16 ضعف التكلفة خلال عام. ويمكن أن تصل التكلفة على مدى العمر التشغيلي بأكمله إلى 200 ضعف التكلفة.

إن التحسين الطفيف في كفاءة المحركات لا يمكن أن يوفر الطاقة فحسب، بل يحقق أيضًا فوائد اقتصادية كبيرة. يعد تطوير وتطبيق محركات فعالة موضوعًا ساخنًا في العالم اليوم. نظرًا لأن استهلاك الطاقة الداخلية للمحركات يأتي بشكل أساسي من فقدان المقاومة للملفات، فإن زيادة مساحة المقطع العرضي للأسلاك النحاسية هو إجراء رئيسي لتطوير محركات فعالة. في السنوات الأخيرة، تم تطوير بعض المحركات عالية الكفاءة التي تستخدم 25-100% لفات نحاسية أكثر من المحركات التقليدية. وتقوم وزارة الطاقة الأمريكية حاليًا بتمويل مشروع تطوير يقترح إنتاج دوارات المحركات باستخدام تكنولوجيا النحاس المصبوب.

(3) كابلات الاتصالات

منذ ثمانينيات القرن العشرين، وبسبب مزايا القدرة الكبيرة على حمل التيار لكابلات الألياف الضوئية، فإنها تحل باستمرار محل الكابلات النحاسية في العمود الفقري للاتصالات وتعزز التطبيق بسرعة. ومع ذلك، لا تزال هناك حاجة إلى كمية كبيرة من النحاس لتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ضوئية وإدخال خطوط المستخدم. مع تطور صناعة الاتصالات، يتزايد اعتماد الناس على الاتصالات، وسيستمر الطلب على كل من كابلات الألياف الضوئية والأسلاك النحاسية في الزيادة.

(4) الأسلاك الكهربائية السكنية

وفي السنوات اﻷخيرة، ومع تحسن مستويات معيشة الناس في الصين واﻻنتشار السريع لﻷجهزة المنزلية، ازداد الحمل الكهربائي للكهرباء في المنازل بسرعة. وكما هو مبين في الشكل 6-6، في عام 1987، بلغ استهلاك الكهرباء المنزلي 26.96 مليار كيلوواط/ساعة؛ وبحلول عام 1996، ارتفع هذا الاستهلاك إلى 113.1 مليار كيلوواط/ساعة، أي بزيادة قدرها 3.2 مرات.

وعلى الرغم من هذا النمو، لا تزال هناك فجوة كبيرة مقارنة بالبلدان المتقدمة. على سبيل المثال، في عام 1995، كان نصيب الفرد من استهلاك الكهرباء في الولايات المتحدة 14.6 ضعف نصيب الفرد في الصين، وفي اليابان 8.6 ضعف نصيب الفرد في الصين. ولا تزال هناك إمكانية كبيرة لنمو الاستهلاك السكني للكهرباء في الصين في المستقبل. ومن المتوقع أن يزيد بمقدار ١,٤ مرة من عام ١٩٩٦ إلى عام ٢٠٠٥.

في الوقت الحالي، تعتبر القدرة التصميمية للأسلاك الكهربائية السكنية في الصين منخفضة نسبيًا. بأخذ شقة من غرفتي نوم كمثال، يقارن الجدول 6.1 بين معايير التصميم الكهربائي المعماري في بكين وهونغ كونغ واليابان. يمكن ملاحظة أن هونغ كونغ واليابان قد راعتا بشكل كامل الطلب على زيادة استهلاك الكهرباء السكنية في تصميماتهما، في حين أن قدرة تصميم الأسلاك الكهربائية السكنية في الصين تحتاج إلى تحسين عاجل.

استخدامات النحاس في صناعة الإلكترونيات

تُعد صناعة الإلكترونيات صناعة ناشئة تواصل تطوير منتجات نحاسية جديدة وتطبيقات جديدة مع نموها. وقد تطورت تطبيقاتها حالياً من أنابيب الإلكترون والدوائر المطبوعة إلى الإلكترونيات الدقيقة والدوائر المتكاملة لأشباه الموصلات.

(1) أنابيب الإلكترون

تتكون أنابيب الإلكترون بشكل أساسي من أنابيب الإرسال عالية التردد وفائقة التردد وأنابيب الإرسال ذات التردد العالي والتردد الفائق، والدليل الموجي، وأنابيب المغنطرونات، والتي تتطلب نحاسًا عالي النقاء خالٍ من الأكسجين ونحاسًا خاليًا من الأكسجين مقوى بالتشتت.

(2) الدوائر المطبوعة

تستخدم الدوائر المطبوعة النحاسية رقائق النحاس كسطح يتم لصقها على لوح بلاستيكي كدعامة. يُطبع مخطط أسلاك الدائرة على اللوح النحاسي بواسطة الطباعة الليثوغرافية الضوئية، ويُزال الجزء الزائد عن طريق الحفر لترك دائرة مترابطة.

ثم، قم بعمل ثقوب في الوصلة بين لوحة الدوائر المطبوعة والخارج، وأدخل أطراف المكونات المنفصلة أو الأجزاء الأخرى ولحمها على هذا المسار لإكمال تجميع دائرة كاملة. إذا تم استخدام طريقة الطلاء بالغمر، فإن كل اللحام المشترك يمكن إكمالها مرة واحدة.

ولذلك، تُستخدم الدوائر المطبوعة على نطاق واسع في الحالات التي تتطلب تخطيطًا دقيقًا للدوائر، مثل أجهزة الراديو والتلفزيونات وأجهزة الكمبيوتر وما إلى ذلك، مما يوفر الكثير من العمالة في توصيل الأسلاك وتثبيت الدوائر ويتطلب استهلاك كمية كبيرة من رقائق النحاس. بالإضافة إلى ذلك، هناك حاجة أيضًا إلى العديد من مواد اللحام النحاسية منخفضة السعر ومنخفضة الانصهار وجيدة التدفق لتوصيلات الدوائر.

(3) الدوائر المتكاملة

إن جوهر تكنولوجيا الإلكترونيات الدقيقة هو الدوائر المتكاملة. وتشير الدائرة المتكاملة إلى دارة مصغرة يتم فيها دمج المكونات والوصلات البينية التي تتكون منها الدائرة داخل أو على سطح أو فوق ركيزة من مادة بلورية شبه موصلة (شريحة) باستخدام تكنولوجيا معالجة متخصصة.

هذا النوع من الدوائر المصغرة أصغر بآلاف أو حتى ملايين المرات من حيث الحجم والوزن من أكثر الدوائر المنفصلة المدمجة في الهيكل. وقد أحدث ظهورها تغييراً هائلاً في الحواسيب وأصبحت أساس تكنولوجيا المعلومات الحديثة.

يمكن للدوائر المتكاملة المطورة حاليًا على نطاق واسع جدًا أن تنتج مئات الآلاف أو حتى ملايين الترانزستورات على مساحة رقاقة واحدة أصغر من ظفر الإصبع. وفي الآونة الأخيرة، حققت شركة الحواسيب المشهورة عالمياً "آي بي إم" (IBM) طفرة باستخدام النحاس بدلاً من الألومنيوم كوصلات بينية في رقائق السيليكون.

يمكن لهذا النوع الجديد من الرقاقات النحاسية الدقيقة النحاسية أن يحقق زيادة في الكفاءة تبلغ 301 تيرابايت 3 تيرابايت، ويقلل من أحجام خطوط الدوائر إلى 0.12 ميكرون، ويتيح دمج ما يصل إلى مليوني ترانزستور على رقاقة واحدة. وقد فتح ذلك آفاقاً جديدة للنحاس المعدني القديم في مجال التكنولوجيا الحديثة للدوائر المتكاملة لأشباه الموصلات.

(4) إطارات الرصاص

ولحماية التشغيل العادي للدوائر المتكاملة أو الدوائر الهجينة، يجب تغليفها ؛ وأثناء التغليف، يجب إخراج عدد كبير من الموصلات في الدائرة من الختم.

تتطلب هذه الخيوط قوة معينة لتشكل الإطار الداعم لدائرة التغليف المتكاملة، والتي تسمى إطار الرصاص.

في الإنتاج الفعلي، ولتحقيق إنتاج عالي السرعة وعلى نطاق واسع، عادة ما يتم ختم إطارات الرصاص بشكل مستمر على شريط معدني بترتيب معين. وتمثل مادة الإطار الرصاصي ثلث إلى ربع التكلفة الإجمالية للدائرة المتكاملة وتستخدم على نطاق واسع؛ ولذلك فإن التكلفة المنخفضة ضرورية.

تتميز سبائك النحاس بأسعار منخفضة، وقوة عالية، وموصلية وموصلية حرارية عالية، وأداء معالجة ممتاز، وقابلية لحام ومقاومة للتآكل. ومن خلال صناعة السبائك، يمكن التحكم في خصائصها ضمن نطاق كبير لتلبية متطلبات أداء إطارات الرصاص بشكل أفضل.

لقد أصبح النحاس مادة مهمة لإطارات الرصاص وهو حالياً المادة الأكثر استخداماً للنحاس في الأجهزة الإلكترونية الدقيقة.

استخدامات النحاس في صناعة الطاقة والبتروكيماويات

(1) صناعة الطاقة

تعتمد كل من الطاقة الحرارية وتوليد الطاقة الذرية على البخار للقيام بالعمل. وتتم حلقة البخار على النحو التالي: تولد الغلاية البخار - يدفع البخار التوربينات إلى العمل - يرسل البخار بعد العمل إلى المكثف - يبرد إلى ماء - يعاد إلى الغلاية ليصبح بخارًا مرة أخرى.

خلال هذه الفترة، يتكون المكثف الرئيسي من ألواح الأنابيب وأنابيب المكثف. ويستخدم النحاس في تصنيعها بسبب توصيلها الحراري الجيد ومقاومتها للتآكل المائي. وجميعها مصنوعة من النحاس الأصفر أو نحاس الألومنيوم أو نحاس أبيض.

ووفقًا للبيانات، تتطلب كل 10,000 كيلووات من السعة المركبة 5 أطنان من أنابيب المكثفات. وتتطلب محطة توليد الطاقة بقدرة 600,000 كيلووات 3,000 طن من مادة أنابيب المكثف. ويتطلب استخدام الطاقة الشمسية أيضًا العديد من الأنابيب النحاسية.

على سبيل المثال، يوجد فندق بالقرب من لندن مجهز بحمام سباحة مزود بسخان شمسي يمكنه الحفاظ على درجة حرارة المياه بين 18-24 درجة مئوية في الصيف. يحتوي السخان الشمسي على 784 رطلاً (356 كيلوغراماً) من الأنابيب النحاسية.

(2) صناعة البتروكيماويات

يُستخدم النحاس أحيانًا في صناعة البتروكيماويات أيضًا. أحد الأمثلة على ذلك هو استخدام سبائك النحاس والنيكل في المبادلات الحرارية في محطات الطاقة النووية المبردة بمياه البحر. وتتميز هذه السبيكة بمقاومة ممتازة للتآكل في مياه البحر ودرجات الحرارة المرتفعة، مما يجعلها مثالية للاستخدام في هذا التطبيق.

يستخدم النحاس أيضاً في بناء خطوط الأنابيب والصهاريج لنقل النفط والغاز نظراً لقوته العالية ومقاومته الممتازة للتآكل.

بالإضافة إلى ذلك، يُستخدم النحاس في المواد الحفازة للتفاعلات الكيميائية في المصافي والمصانع الكيميائية الأخرى.

(2) صناعة البتروكيماويات

يتميز النحاس والعديد من سبائك النحاس بمقاومة جيدة للتآكل في الأحماض غير المؤكسدة مثل المحاليل المائية وحمض الهيدروكلوريك والأحماض العضوية (مثل حمض الخليك وحمض الستريك والأحماض الدهنية وحمض اللاكتيك وحمض الأكساليك وغيرها) والقلويات المختلفة باستثناء الأمونيا والمركبات العضوية غير المؤكسدة (مثل الزيوت والفينولات والكحوليات وغيرها).

ولذلك، فهي تستخدم على نطاق واسع في صناعة البتروكيماويات لتصنيع مختلف الحاويات وأنظمة خطوط الأنابيب والمرشحات والمضخات والصمامات للتلامس مع الوسائط المسببة للتآكل.

يُستخدم النحاس أيضًا لتصنيع العديد من المبخرات والمبادلات الحرارية والمكثفات بسبب توصيله الحراري. ونظرًا لمرونته الجيدة، فإن النحاس مناسب بشكل خاص لتصنيع المبادلات الحرارية ذات الهياكل المعقدة ذات الأنابيب النحاسية المتقاطعة في الصناعات الكيميائية الحديثة.

بالإضافة إلى ذلك، يُستخدم البرونز في إنتاج الأدوات في مصانع تكرير البترول لأن الشرر لن يحدث عند الاصطدام، مما يمنع حدوث الحرائق.

(3) صناعة المحيطات

وتغطي المحيطات أكثر من 701 تيرابايت 3 تيرابايت من سطح الأرض، وتتزايد قيمة التنمية والاستخدام الرشيد للموارد البحرية. وتحتوي مياه البحر على أيونات الكلوريد التي يمكن أن تسبب التآكل بسهولة، والعديد من المواد المعدنية الهندسية مثل النحاس والحديد والألومنيوم وحتى النحاس المقاوم للصدأ لا تقاوم التآكل في مياه البحر.

بالإضافة إلى ذلك، يمكن أن يتشكل الحشف الحيوي البحري أيضًا على أسطح هذه المواد، وكذلك غير معدنية مواد مثل الخشب والزجاج. النحاس فريد من نوعه من حيث أنه ليس مقاومًا للتآكل في مياه البحر فحسب، بل له أيضًا تأثير مبيد للجراثيم عندما تذوب أيونات النحاس في الماء، مما قد يمنع الحشف الحيوي البحري.

ولذلك، يُعد النحاس وسبائك النحاس من المواد المهمة جدًا في صناعة المحيطات وتستخدم على نطاق واسع في محطات تحلية مياه البحر، ومنصات النفط والغاز البحرية، وغيرها من المرافق الساحلية وتحت الماء.

على سبيل المثال، أنظمة خطوط الأنابيب، والمضخات، والصمامات المستخدمة في عمليات تحلية مياه البحر، والمعدات المستخدمة في منصات النفط والغاز، بما في ذلك مناطق الرذاذ والمسامير تحت الماء, الحفر الأيام، والأكمام المضادة للحشف الحيوي، والمضخات، والصمامات، وأنظمة خطوط الأنابيب، وما إلى ذلك.

استخدامات النحاس في صناعة النقل

(1) السفن

نظرًا لمقاومتها الممتازة للتآكل في مياه البحر، أصبحت العديد من سبائك النحاس، مثل برونز الألومنيوم وبرونز المنغنيز ونحاس الألومنيوم والنحاس الأصفر والنحاس الأصفر (برونز القصدير والزنك) والنحاس الأبيض وسبائك النيكل والنحاس (سبيكة مونيل)، مواد قياسية لبناء السفن. ويمثل النحاس وسبائك النحاس 2-31 تيرابايت من وزن السفن الحربية ومعظم السفن التجارية الكبيرة. تُصنع مراوح السفن الحربية ومعظم السفن التجارية الكبيرة من برونز الألومنيوم أو النحاس الأصفر.

تزن المراوح الموجودة على السفن الكبيرة من 20 إلى 25 طنًا لكل منها، بينما يصل وزن المراوح الموجودة على حاملتي الطائرات إليزابيث كوين وماري كوين إلى 35 طنًا لكل منهما. وغالباً ما تكون أعمدة الذيل الثقيلة للسفن الكبيرة مصنوعة من معدن "الأدميرال"، كما أن البراغي المخروطية للدفات والمراوح مصنوعة أيضاً من نفس المادة. كما يستخدم النحاس وسبائك النحاس على نطاق واسع في المحركات وغرف الغلايات. استخدمت أول سفينة تجارية تعمل بالطاقة النووية في العالم 30 طناً من أنابيب المكثفات النحاسية البيضاء. وفي الآونة الأخيرة، يتم استخدام لفائف تسخين كبيرة مع أنابيب نحاسية من الألومنيوم كخزانات نفط.

هناك 12 من صهاريج التخزين هذه على متن سفينة تزن 100,000 طن، ونظام التدفئة المقابل كبير جداً. كما أن المعدات الكهربائية الموجودة على متن السفينة معقدة للغاية، حيث تعتمد المحركات والمحركات وأنظمة الاتصالات وما إلى ذلك اعتماداً كلياً تقريباً على النحاس وسبائك النحاس للعمل.

وغالباً ما يُستخدم النحاس وسبائك النحاس للزينة في مقصورات السفن من جميع الأحجام، وحتى القوارب الخشبية يُفضل تثبيتها بمسامير وبراغي ومسامير من سبائك النحاس (عادةً ما تكون من برونز السيليكون)، والتي يمكن إنتاجها بكميات كبيرة عن طريق الدرفلة. في الماضي، غالباً ما كانت الكسوة النحاسية تُستخدم لحماية بدن السفينة من الحشف الحيوي البحري، ولكن الآن، يشيع استخدام الطلاء المحتوي على النحاس بالفرشاة.

خلال الحرب العالمية الثانية، ولمنع الألغام المغناطيسية الألمانية من مهاجمة السفن، تم تطوير جهاز مضاد للألغام المغناطيسية. تم ربط شريط نحاسي حول بدن السفينة النحاسي وتمرير تيار كهربائي من خلاله لتحييد المجال المغناطيسي للسفينة، مما منع الألغام من الانفجار.

منذ عام 1944، تم تجهيز جميع سفن الحلفاء، البالغ عددها حوالي 18000 سفينة، بجهاز إزالة المغناطيسية هذا للحماية. تتطلب بعض السفن الحربية الكبيرة كمية كبيرة من النحاس لهذا الغرض. على سبيل المثال، تستخدم إحداها 28 ميلاً (حوالي 45 كيلومتراً) من الأسلاك النحاسية التي تزن حوالي 30 طناً.

(2) السيارات

تحتوي كل سيارة عادةً على 10-21 كيلوغراماً من النحاس، حسب نوع السيارة وحجمها. بالنسبة للسيارات الصغيرة، تمثل كمية النحاس المستخدمة 6-91 تيرابايت 3 تيرابايت من وزنها. يُستخدم النحاس وسبائك النحاس بشكل رئيسي في المشعات، وأنابيب نظام المكابح، والأجهزة الهيدروليكية، والتروس، والمحامل، ووسادات المكابح، وأنظمة التوزيع والطاقة، والغسالات، ومختلف الموصلات، والتجهيزات، وأجزاء الزينة.

تستخدم المشعاعات كمية كبيرة نسبياً من النحاس. في المشعاعات الحديثة ذات الأنبوب والشريط، يتم لحام الشرائط النحاسية في أنابيب المشعاع، ويتم طي الشرائط النحاسية الرقيقة في زعانف تبديد الحرارة. في السنوات الأخيرة، تم إجراء العديد من التحسينات لتحسين أداء المشعاعات النحاسية وتعزيز قدرتها التنافسية مع مشعات الألومنيوم.

فيما يتعلق بالمواد، يتم إضافة العناصر النزرة إلى النحاس لزيادة قوته ونقطة تليينه دون التضحية بالتوصيل الحراري، وبالتالي تقليل سمك الشريط وتوفير استخدام النحاس.

فيما يتعلق بعمليات التصنيع، فإن الترددات العالية أو اللحام بالليزر من الأنابيب النحاسية، ويستخدم لحام النحاس بالنحاس بدلاً من اللحام الناعم الملوث بالرصاص لتجميع قلب المبرد.

وترد نتائج هذه الجهود في الجدول 6-2. وبالمقارنة مع مشعاعات الألومنيوم الملحومة بالنحاس، في ظل نفس ظروف تبديد الحرارة، أي عند نفس انخفاض ضغط الهواء والمبرد، فإن المشعاعات النحاسية الجديدة أخف وزناً وأصغر حجماً بشكل ملحوظ، كما أن مقاومة النحاس الجيدة للتآكل وعمر الخدمة الطويل يجعل مزايا المشعاعات النحاسية أكثر بروزاً.

(3) السكك الحديدية

تتطلب كهربة السكك الحديدية كمية كبيرة من النحاس وسبائك النحاس. هناك حاجة إلى أكثر من 2 طن من الأسلاك النحاسية ذات الشكل الخاص لكل كيلومتر من الأسلاك العلوية. ولزيادة قوتها، غالبًا ما يتم إضافة كمية صغيرة من النحاس (حوالي 11 تيرابايت 3 طن) أو الفضة (حوالي 0.51 تيرابايت 3 طن).

بالإضافة إلى ذلك، تعتمد المحركات والمقومات وأنظمة التحكم والكبح والكهرباء والإشارات في القطارات على النحاس وسبائك النحاس لتعمل.

(4) الطائرات

النحاس ضروري أيضاً لتشغيل الطائرات. فعلى سبيل المثال، تُستخدم المواد النحاسية في الأسلاك والأنظمة الهيدروليكية وأنظمة التبريد والهواء المضغوط في الطائرات، وتستخدم أنابيب الألومنيوم البرونزية في محامل التثبيت ومحامل معدات الهبوط، وتستخدم سبائك النحاس المضادة للمغناطيسية في أجهزة الملاحة، وتستخدم العديد من الأجهزة عناصر نحاس البريليوم المرنة، من بين استخدامات أخرى.

تطبيقات النحاس في الصناعات الميكانيكية والمعدنية

(1) الهندسة الميكانيكية

يمكن العثور على مكونات النحاس في جميع الآلات تقريباً. بالإضافة إلى كمية النحاس الكبيرة المستخدمة في المحركات والدوائر الكهربائية, الأنظمة الهيدروليكيةوالأنظمة الهوائية، وأنظمة التحكم، ومجموعة متنوعة من أجزاء ناقل الحركة والمثبتات المصنوعة من النحاس الأصفر والبرونز، مثل التروس والتروس الدودية والأعمدة الدودية والموصلات والمثبتات وعناصر الالتواء والبراغي والصواميل وما إلى ذلك، كلها مصنوعة من سبائك النحاس.

تتطلب جميع الأجزاء تقريبًا التي تتحرك بالنسبة لبعضها البعض في الماكينة محامل أو بطانات مصنوعة من سبائك النحاس المقاومة للتآكل، وخاصة بطانات الأسطوانات وألواح الانزلاق لأجهزة البثق الكبيرة و مكابس الحدادةالتي تكاد تكون مصنوعة من البرونز ويمكن أن تزن عدة أطنان.

كما تصنع العديد من العناصر المرنة من برونز السيليكون وبرونز القصدير. وتعتمد أدوات اللحام وقوالب الصب وغيرها على سبائك النحاس.

(2) المعدات المعدنية

تُعد الصناعة المعدنية مستهلكاً رئيسياً للكهرباء وتُعرف باسم "النمر الكهربائي". في بناء مصنع للصناعات المعدنية، يجب أن يكون هناك نظام توزيع طاقة واسع النطاق ومعدات تشغيل الطاقة التي تعتمد على النحاس.

بالإضافة إلى ذلك، في علم المعادن البيروميتالورجي، هيمنت تكنولوجيا الصب المستمر، وتستخدم المكونات الرئيسية للمبلور في الغالب سبائك النحاس ذات القوة العالية والتوصيل الحراري العالي، مثل نحاس الكروم والنحاس الفضي.

بالنسبة للصهر الكهربائي، تُصنع البوتقات المبردة بالماء لأفران القوس الهوائي وأفران القوس الكهربائي من أنابيب نحاسية، ويتم لف ملفات التسخين بالحث المختلفة بأنابيب نحاسية أو أنابيب نحاسية ذات شكل خاص ويتم تبريدها بالماء.

(3) إضافات السبائك

يُعد النحاس عنصرًا مضافًا مهمًا في النحاس والحديد و سبائك الألومنيوم. يمكن أن تؤدي إضافة كمية صغيرة من النحاس (0.2 ~ 0.5%) إلى النحاس الهيكلي منخفض السبائك إلى تحسين قوته ومقاومته للتآكل الجوي والبحري.

يمكن أن تؤدي إضافة النحاس إلى الحديد الزهر المقاوم للتآكل والنحاس المقاوم للصدأ إلى زيادة تحسين مقاومتها للتآكل. تشتهر سبائك النحاس عالية النيكل التي تحتوي على حوالي 30% من النحاس بقوتها العالية ومقاومتها للتآكل، مثل "سبيكة مونيل" التي تستخدم على نطاق واسع في الصناعة النووية.

تحتوي العديد من سبائك الألومنيوم عالية القوة أيضًا على النحاس. من خلال التبريد والمعالجة الحرارية بالتبريد والشيخوخة، تترسب الجسيمات الدقيقة وتتوزع بشكل منتشر في السبيكة، مما يحسن بشكل كبير من قوتها، والمعروفة باسم سبائك الألومنيوم المتصلدة مع تقدم العمر.

والمشهور منها هو دورالومين أو الألومنيوم الصلب، وهو مادة هيكلية مهمة لتصنيع الطائرات والصواريخ ويحتوي على النحاس والمنجنيز والمغنيسيوم.

تطبيقات النحاس في الصناعات الخفيفة

ترتبط المنتجات الصناعية الخفيفة ارتباطًا وثيقًا بحياة الناس ولها تنوع واسع. نظرًا للأداء الشامل الجيد للنحاس، يمكن رؤيته في كل مكان في الصناعات الخفيفة. وفيما يلي بعض الأمثلة:

(1) مكيفات الهواء ووحدات التبريد

تتحقق وظيفة التحكم في درجة حرارة مكيفات الهواء ووحدات التبريد بشكل أساسي من خلال تبخر وتكثيف الأنابيب النحاسية في المبادلات الحرارية. يحدد حجم أنابيب التبادل الحراري وأداء نقل الحرارة لأنابيب التبادل الحراري إلى حد كبير كفاءة وتصغير آلة تكييف الهواء ووحدة التبريد بأكملها. تُستخدم أنابيب نحاسية عالية التوصيل الحراري في هذه الآلات.

في الآونة الأخيرة، تم تطوير وإنتاج أنابيب حرارية ذات أخاديد داخلية وزعانف عالية باستخدام خصائص المعالجة الممتازة للنحاس لاستخدامها في المبادلات الحرارية لمكيفات الهواء ووحدات التبريد والأجهزة الكيميائية وأجهزة استرداد الحرارة المهدرة.

يمكن زيادة معامل التوصيل الحراري الكلي للمبادل الحراري الجديد إلى 2-3 أضعاف معامل التوصيل الحراري للأنابيب العادية، و1.2-1.3 أضعاف معامل التوصيل الحراري للأنابيب منخفضة الزعانف، مما يوفر 401 تيرابايت 3 تيرابايت من النحاس ويقلل من حجم المبادل الحراري بأكثر من 1/3.

(2) الساعات

معظم الأجزاء العاملة في الساعات والمؤقتات وأجهزة الساعة المنتجة حاليًا مصنوعة من "نحاس الساعة". تحتوي هذه السبيكة على رصاص 1.5-21 تيرابايت 3 تيرابايت، وتتميز بخصائص معالجة جيدة، مما يجعلها مناسبة للإنتاج بكميات كبيرة.

على سبيل المثال، يتم قطع التروس من قضبان نحاسية طويلة مقذوفة، ويتم ثقب العروات من شرائط ذات سماكة مقابلة. تُصنع واجهات الساعات ذات الأنماط المحفورة والبراغي والمفاصل من النحاس الأصفر أو سبائك النحاس الأخرى.

وهناك عدد كبير من الساعات الرخيصة الثمن مصنوعة من النحاس الأصفر (برونز القصدير والزنك) أو مطلية بالنيكل والفضة (النحاس الأبيض). بعض الساعات الشهيرة مصنوعة من النحاس وسبائك النحاس. صُنع عقرب الساعات في ساعة "بيغ بن" البريطانية من قضبان نحاسية صلبة، وصُنع عقرب الدقائق من أنبوب نحاسي طوله 14 قدماً.

في مصنع الساعات الحديث، تكون سبائك النحاس هي المواد الرئيسية في مصنع الساعات الحديثة، ويتم معالجتها بالمكابس والقوالب الدقيقة لإنتاج ما بين 10,000 إلى 30,000 ساعة في اليوم بتكلفة منخفضة.

(3) صناعة الورق

في مجتمع اليوم المتغير بسرعة، أصبح استهلاك الورق مرتفعًا. يبدو سطح الورق بسيطًا، لكن عملية صناعة الورق معقدة للغاية وتتطلب العديد من الآلات، بما في ذلك المبردات والمبخرات والمضارب وآلات خفق الورق وغيرها.

ومعظم هذه المكونات، مثل أنابيب التبادل الحراري المختلفة، والبكرات، وقضبان الضرب، والمضخات شبه السائلة، والشبكات السلكية، مصنوعة من سبائك النحاس.

على سبيل المثال، تقوم ماكينة الورق ذات الأسلاك الطويلة المستخدمة حاليًا برش اللب المحضر على شبكة سلكية متحركة ذات ثقوب شبكية صغيرة (40-60 شبكة). تُنسج الشبكة السلكية من أسلاك النحاس الأصفر والبرونز الفوسفوري، ويكون عرضها كبيرًا، وعادةً ما يزيد عن 20 قدمًا (6 أمتار)، ويجب أن تبقى مستقيمة تمامًا.

تتحرك الشبكة على سلسلة من البكرات النحاسية أو النحاسية الصغيرة، وعندما تمر الألياف الرطبة مع اللب المتصل بها، يتم امتصاص الرطوبة من الأسفل. تهتز الشبكة أيضًا لربط الألياف الصغيرة في اللب معًا. يمكن أن يصل حجم الشبكة السلكية في ماكينات الورق الكبيرة إلى 26 قدمًا و8 بوصات (8.1 متر) وطولها 100 قدم (30.5 متر).

لا يحتوي اللب الرطب على الماء فحسب، بل يحتوي أيضًا على عوامل كيميائية مسببة للتآكل تستخدم في عملية صناعة الورق. ولضمان جودة الورق، تُفرض متطلبات صارمة على مادة الشبكة السلكية التي يجب أن تتمتع بقوة ومرونة ومقاومة عالية للتآكل، وهي ميزات مناسبة تمامًا لسبائك النحاس.

(4) الطباعة

تُستخدم ألواح النحاس في الطباعة الحجرية الضوئية في الطباعة. يتم تحسس الألواح النحاسية المصقولة باستخدام مستحلب حساس للضوء، ثم يتم تعريضها للصور الفوتوغرافية. يجب تسخين الصفيحة النحاسية المُحَسِّسة لتقوية المستحلب.

لتجنب التليين بسبب التسخين، غالبًا ما يحتوي النحاس على كمية صغيرة من الفضة أو الزرنيخ لزيادة درجة حرارة التليين. بعد ذلك، يتم حفر الصفيحة لتشكيل سطح طباعة بنقاط مقعرة ومحدبة موزعة.

في آلات التنضيد الأوتوماتيكية، تُستخدم قوالب الحروف النحاسية لتصنيع نماذج الألواح، وهو استخدام مهم آخر للنحاس في الطباعة. وعادةً ما تُصنع قوالب الحروف من النحاس الأصفر المحتوي على الرصاص، وأحياناً من النحاس أو البرونز.

(5) المستحضرات الصيدلانية

في صناعة المستحضرات الصيدلانية، تُستخدم العديد من الأجهزة النحاسية النحاسية النقية التي تعمل بالبخار والغليان والتفريغ. ويستخدم النحاس الأبيض الزنك على نطاق واسع في الأدوات الطبية. سبائك النحاس هي أيضاً مواد شائعة الاستخدام في إطارات النظارات وغيرها.

النحاس للعمارة والفنون

(1) نظام خطوط الأنابيب

نظرًا لمظهرها الجميل، ومتانتها، وسهولة تركيبها، وسلامتها، والوقاية من الحرائق، والرعاية الصحية والعديد من المزايا الأخرى، تتمتع أنابيب المياه النحاسية بميزة واضحة من حيث السعر إلى الأداء مقارنةً بالأنابيب النحاسية المجلفنة والأنابيب البلاستيكية. في المباني السكنية والعامة، يتم تفضيلها بشكل متزايد كمادة مفضلة لإمدادات المياه والتدفئة وإمدادات الغاز وأنظمة رش الحرائق.

في البلدان المتقدمة، تمثل أنظمة إمدادات المياه النحاسية نسبة كبيرة بالفعل. ويستخدم مبنى مانهاتن في نيويورك، الذي يدعي أنه سادس أطول مبنى في العالم، 60,000 قدم (1 كم) من الأنابيب النحاسية لنظام إمدادات المياه فقط. وفي أوروبا، هناك استهلاك كبير من الأنابيب النحاسية لمياه الشرب.

يبلغ متوسط استهلاك أنابيب النحاس لمياه الشرب في المملكة المتحدة 1.6 كجم للشخص الواحد سنوياً، بينما يبلغ في اليابان 0.2 كجم. تتآكل الأنابيب النحاسية المجلفنة بسهولة، وقد حظرت العديد من البلدان استخدامها بالفعل. وقد حظرت هونغ كونغ استخدامها منذ يناير 1996، وشنغهاي منذ مايو 1998. ومن الضروري أن تشجع الصين استخدام أنظمة أنابيب النحاس في بناء المساكن.

(2) ديكور المنزل (2)

في أوروبا، من التقليدي استخدام ألواح النحاس في الأسقف والأفاريز. وفي بلدان الشمال الأوروبي، يُستخدم حتى في زخرفة الجدران. يتمتع النحاس بمقاومة جيدة للتآكل في الغلاف الجوي، والمتانة، وقابلية إعادة التدوير، وقابلية ممتازة للتشغيل، ولون جميل، مما يجعله مناسبًا جدًا لتزيين المنازل.

ولا يزال تطبيقه في المباني القديمة مثل الكنائس يلمع بشكل ساطع حتى اليوم، ويتزايد استخدامه في المباني الحديثة واسعة النطاق، حتى الشقق والمنازل. على سبيل المثال، في لندن، يحتوي مبنى معهد الكومنولث، الذي يمثل العمارة البريطانية الحديثة، على سقف معقد مصنوع من ألواح النحاس يزن حوالي 25 طناً. ويحتوي مركز كريستال بالاس الرياضي، الذي افتتح في عام 1966، على سقف على شكل موجة مصنوع من 60 طناً من النحاس.

وفقًا للإحصاءات، في ألمانيا، يبلغ متوسط استهلاك ألواح النحاس للأسطح في ألمانيا 0.8 كجم للشخص الواحد سنويًا، بينما يبلغ في الولايات المتحدة 0.2 كجم. وبالإضافة إلى ذلك، فإن استخدام المنتجات النحاسية للديكور الداخلي، مثل مقابض الأبواب والأقفال والمفصلات والسور والمصابيح وزخارف الجدران وأدوات المطبخ، لا يدوم طويلاً وهو صحي فحسب، بل يضيف أيضًا جوًا أنيقًا ومحبوبًا للغاية من قبل الناس.

(3) المنحوتات والحرف اليدوية

لا يوجد معدن في العالم يمكن استخدامه على نطاق واسع في صناعة مختلف الحرف اليدوية مثل النحاس، الذي ظل صامداً منذ العصور القديمة وحتى يومنا هذا. وفي البناء الحضري اليوم، يُستخدم عدد كبير من سبائك النحاس المصبوب في صناعة النصب التذكارية والأجراس والأواني الكنزية والتماثيل وتماثيل بوذا والتماثيل المقلدة العتيقة.

كما تستخدم الآلات الموسيقية الحديثة، مثل المزامير المصنوعة من النحاس الأبيض والساكسفون المصنوع من النحاس الأصفر، مواد نحاسية. كما تتطلب العديد من الأعمال الفنية الرائعة، والمجوهرات المطلية بالذهب أو الذهب والفضة المقلدة الرخيصة والجيدة المظهر استخدام سبائك النحاس بتركيبات مختلفة.

تم إنجاز تمثال بوذا تيان تان تان في هونغ كونغ في عام 1996، وهو مصنوع من القصدير والزنك والبرونز المحتوي على الرصاص، ويزن 206 أطنان ويبلغ ارتفاعه 26 متراً. أما تمثال بوذا غوانين بوذا في جبل بوتو بمقاطعة تشجيانغ، الذي اكتمل بناؤه في عام 1997، فيبلغ ارتفاعه 20 متراً ووزنه 70 طناً. وهو أول تمثال نحاسي عملاق في العالم بُني باستخدام مواد ذهبية مقلدة.

بعد ذلك، تم الانتهاء من بناء تمثال بوذا ساكياموني البرونزي الذي يبلغ ارتفاعه 88 متراً في وشي. ويجري بناء تماثيل بوذا الأطول في جزيرة هاينان وجبل جيو هوا والهند واليابان.

(4) عملات معدنية

منذ أن بدأ أسلافنا من البشر في استخدام العملات المعدنية في التداول، استُخدم النحاس وسبائك النحاس في صناعة العملات المعدنية، وتوارثت الأجيال من جيل إلى جيل حتى الآن. ومع تطور الأنشطة الحديثة مثل الهواتف الآلية التي تعمل بقطع النقود المعدنية ووسائل النقل والتسوق التي يستفيد منها الناس، ازداد استخدام النحاس في إنتاج العملات المعدنية بمرور الوقت.

وبالإضافة إلى تغيير الأبعاد، يمكن استخدام تركيبات السبائك المختلفة بشكل ملائم لتصنيع وتمييز العملات من فئات مختلفة عن طريق تغيير ألوان سبائكها.

تشمل العملات المعدنية الشائعة الاستخدام "عملات فضية" تحتوي على 251 تيرابايت 3 تيرابايت 3 تيرابايت من النيكل، وعملات نحاسية تحتوي على 201 تيرابايت 3 تيرابايت من الزنك و11 تيرابايت 3 تيرابايت من القصدير، وعملات "نحاسية" تحتوي على كميات صغيرة من القصدير (31 تيرابايت 3 تيرابايت) والزنك (1.51 تيرابايت 3 تيرابايت). يستهلك إنتاج العملات النحاسية في جميع أنحاء العالم عشرات الآلاف من الأطنان من النحاس كل عام.

وتنتج دار سك العملة الملكية في لندن وحدها سبعمائة مليون قطعة نقدية نحاسية كل عام، وهو ما يتطلب حوالي سبعة آلاف طن من المعدن.

تطبيقات النحاس في التكنولوجيا الفائقة

لا يقتصر استخدام النحاس على مجموعة واسعة من التطبيقات في الصناعات التقليدية فحسب، بل يلعب أيضًا دورًا مهمًا في الصناعات الناشئة ومجالات التكنولوجيا الفائقة. فعلى سبيل المثال:

(1) أجهزة الكمبيوتر

تكنولوجيا المعلومات هي طليعة التكنولوجيا الفائقة. فهي تعتمد على أداة الحكمة الإنسانية الحديثة، وهي الحاسوب، لمعالجة ومعالجة بحر المعلومات المتغير والمتسع والمتسارع. ويتكون قلب الحاسوب من معالج دقيق (يشمل وحدة منطقية حسابية ووحدة تحكم) وذاكرة.

هذه المكونات الأساسية (الأجهزة) كلها عبارة عن دوائر متكاملة كبيرة الحجم، تحتوي على ملايين الترانزستورات والمقاومات والمكثفات والأجهزة الأخرى المترابطة والموزعة على رقائق صغيرة الحجم لإجراء حسابات عددية سريعة وعمليات منطقية وتخزين معلومات ضخمة.

يجب تجميع رقائق الدوائر المتكاملة هذه باستخدام إطارات الرصاص والدوائر المطبوعة لتعمل.

كما ذكر في الفصل السابق "التطبيقات في صناعة الإلكترونيات"، فإن النحاس وسبائك النحاس ليست فقط مواد مهمة لإطارات الرصاص واللحامات ولوحات الدوائر المطبوعة، ولكنها تلعب أيضًا دورًا مهمًا في توصيل المكونات الصغيرة للدوائر المتكاملة.

(2) الموصلية الفائقة ودرجة الحرارة المنخفضة

بالنسبة لمعظم المواد (باستثناء أشباه الموصلات)، تقل مقاومتها الكهربائية مع انخفاض درجة الحرارة. وعندما تنخفض درجة الحرارة إلى مستوى منخفض جدًا، يمكن أن تختفي مقاومة بعض المواد تمامًا، وهو ما يسمى بالتوصيلية الفائقة.

تسمى درجة الحرارة القصوى التي تظهر عندها الموصلية الفائقة درجة الحرارة الحرجة للمادة. وقد فتح اكتشاف الموصلية الفائقة آفاقاً جديدة في مجال استخدام الكهرباء.

مع مقاومة كهربائية صفرية، يمكن توليد تيار كبير جدًا (لا نهائي نظريًا) بجهد صغير جدًا، مما يولد مجالات وقوى مغناطيسية ضخمة، أو لا يوجد انخفاض في الجهد أو فقدان للطاقة عند مرور التيار خلالها. من الواضح أن تطبيقاتها العملية ستحدث تغييرات في الإنتاج والحياة البشرية، وقد جذبت الكثير من الاهتمام.

ومع ذلك، بالنسبة للمعادن العادية، لا تظهر الموصلية الفائقة إلا عندما تقترب درجة الحرارة من الصفر المطلق (0 كلفن = -273 درجة مئوية)، وهو أمر يصعب تحقيقه في الممارسة الهندسية. وفي السنوات الأخيرة، تم تطوير بعض السبائك فائقة التوصيل بدرجات حرارة حرجة أعلى من المعادن النقية.

على سبيل المثال، تبلغ درجة الحرارة الحرجة لسبائك Nb3Sn 18.1 كلفن. ومع ذلك، لا يزال تطبيقها يعتمد بشكل كبير على النحاس. أولاً، يجب أن تعمل هذه السبائك في درجات حرارة منخفضة للغاية، والتي يتم تحقيقها عن طريق تسييل الغاز مثل الهيليوم السائل والهيدروجين والنيتروجين السائل، حيث تبلغ درجات حرارة التسييل 4K (-269 درجة مئوية) و20K (-253 درجة مئوية) و77K (-196 درجة مئوية) على التوالي.

لا يزال النحاس يتمتع بليونة وليونة جيدة في درجات الحرارة المنخفضة هذه، مما يجعله مادة أساسية في مجال الإنشاءات ونقل خطوط الأنابيب في الهندسة ذات درجات الحرارة المنخفضة.

وبالإضافة إلى ذلك، فإن السبائك فائقة التوصيل مثل Nb3Sn وNbTi هشة ويصعب معالجتها في مواد ذات شكل، مما يتطلب النحاس كمادة تكسية لربطها معًا.

وفي الوقت الحالي، تم استخدام هذه المواد فائقة التوصيل في صنع مغناطيسات قوية في أجهزة التشخيص الطبية مثل التصوير بالرنين المغناطيسي وفواصل مغناطيسية قوية في بعض المناجم. كما تعتمد قطارات ماجليف المخطط لها والتي تتجاوز سرعتها 500 كم/ساعة على هذه المواد فائقة التوصيل لتعليق القطار وتجنب مقاومة التلامس بين العجلات والسكك الحديدية مما يحقق تشغيل العربات بسرعة عالية.

في الآونة الأخيرة، تم اكتشاف بعض المواد فائقة التوصيل بدرجة حرارة عالية، ومعظمها من الأكاسيد المركبة.

ومن أوائل هذه المواد وأكثرها شهرة أكسيد النحاس المحتوي على الرصاص (YBa2Cu3O7)، الذي تبلغ درجة حرارته الحرجة 90 كلفن والذي يمكن أن يعمل في درجات حرارة النيتروجين السائل. وفي الوقت الحالي، لم يتم تطوير مواد ذات درجات حرارة حرجة قريبة من درجة حرارة الغرفة حتى الآن، ويصعب تشكيل هذه المواد في كتل كبيرة، كما أن كثافة تيارها التي تحافظ على الموصلية الفائقة ليست عالية بما يكفي لاستخدامها في تطبيقات الكهرباء العالية. لذلك، هناك حاجة إلى مزيد من البحث والتطوير.

(3) تكنولوجيا الفضاء

في الصواريخ والأقمار الصناعية والمكوكات الفضائية، تتطلب العديد من المكونات الحرجة أيضًا استخدام النحاس وسبائك النحاس، بالإضافة إلى أنظمة التحكم الإلكترونية الدقيقة ومعدات الأجهزة.

على سبيل المثال، يمكن أن تستخدم البطانة الداخلية لغرفة الاحتراق وغرفة الدفع في محرك صاروخي التوصيل الحراري الممتاز للنحاس للتبريد للحفاظ على درجات الحرارة ضمن النطاقات المسموح بها.

تستخدم البطانة الداخلية لمحرك الصاروخ أريان 5 سبيكة من النحاس والفضة لمعالجة 360 قناة تبريد يتم تبريدها بالهيدروجين السائل أثناء إطلاق الصاروخ. بالإضافة إلى ذلك، فإن سبائك النحاس هي أيضاً مواد قياسية تستخدم في المكونات الحاملة في هياكل الأقمار الصناعية. وعادة ما تكون الألواح الشمسية على الأقمار الصناعية مصنوعة من سبائك النحاس التي تحتوي على عدة عناصر أخرى.

(4) فيزياء الطاقة العالية

إن الكشف عن لغز بنية المادة هو مشكلة علمية أساسية كبرى يسعى العلماء جاهدين لحلها. وسيكون لكل خطوة نحو فهم هذه المشكلة آثار كبيرة على البشرية. والاستخدام الحالي للطاقة الذرية مثال على ذلك.

اكتشفت أحدث الأبحاث في الفيزياء الحديثة أن أصغر وحدة للمادة ليست الجزيئات والذرات، بل الكواركات واللبتونات التي هي أصغر بمليارات المرات. وغالبًا ما تتطلب الأبحاث على هذه الجسيمات الأساسية طاقات عالية أكبر بمئات المرات من التأثيرات النووية وقت انفجارات القنابل الذرية، والمعروفة باسم فيزياء الطاقة العالية.

يتم الحصول على هذه الطاقة العالية عن طريق تسارع الجسيمات المشحونة عبر مسافات طويلة في مجال مغناطيسي قوي، أو "قصف" هدف ثابت (مسرع عالي الطاقة)، أو عن طريق تصادم تيارين من الجسيمات التي تتسارع في اتجاهين متعاكسين (مصادم).

وللقيام بذلك، يُستخدم النحاس لبناء قناة مجال مغناطيسي قوي لمسافات طويلة كهيكل متعرج. وبالإضافة إلى ذلك، هناك حاجة إلى هياكل مماثلة في أجهزة التفاعل النووي الحراري المتحكم فيه. ومن أجل تقليل توليد الحرارة الناتجة عن مرور التيارات الكبيرة، يتم لف هذه القنوات المغناطيسية من قضبان نحاسية مجوفة الشكل للسماح بدخول سائل التبريد.

على سبيل المثال، يتكون المغناطيس المبرد بالماء في المختبر الأوروبي الشهير لفيزياء الجسيمات (CERN) لمسرع السنكروترون البروتوني من حوالي 300 طن من مادة النحاس المبثوق الملفوف في أنابيب نحاسية مجوفة.

استخدم المعجل الأيوني الثقيل الذي تم بناؤه في الصين عام 1984 ما مجموعه 46 طناً من مادة الأنابيب، طول كل منها 40 متراً بقطر خارجي ودائرة داخلية. واستُخدمت أنابيب نحاسية تزن 105 أطنان في مصادم البوزيترون-الإلكترون الذي شُيِّد لاحقًا.

في جهاز التفاعل النووي الحراري الحراري المتحكم به الذي تم تطويره في الصين، يوجد ما مجموعه 16 ملف تركيز، كل منها ملفوف بقضيب نحاسي طوله 55 متراً. ويتم لحام الغلاف من ألواح النحاس، مع لحام أنابيب مياه التبريد عليها. واستخدم في هذا الجهاز ما مجموعه 50 طناً من النحاس.

تطبيقات مركبات النحاس

تشمل مركبات النحاس كبريتات النحاس (خماسي الهيدرات وأحادي الهيدرات والأحادي الهيدرات واللامائية)، وأسيتات النحاس، وأكسيد النحاس وأكسيد النحاس، وكلوريد النحاس وكلوريد النحاس، وأوكسي كلوريد النحاس، ونترات النحاس، وسيانيد النحاس، وأملاح الأحماض الدهنية النحاسية، وكربوكسيلات النحاس الحلزونية، وما إلى ذلك.

ولها تطبيقات واسعة في الزراعة والصناعة والطب والرعاية الصحية وغيرها من المجالات. من بينها، كبريتات النحاس هي الأكثر استخدامًا على نطاق واسع وعادةً ما تكون كبريتات النحاس الخماسية الهيدرات (CuSO4-5H2O)، والمعروفة باسم الزاج الأزرق بسبب لونها الأزرق. وغالباً ما يستخدم كمادة خام لإنتاج العديد من الأملاح الأخرى.

يمكن تتبع تاريخ استخدام الإنسان لمركبات النحاس منذ أكثر من 5,000 عام عندما وجد المصريون القدماء أن كبريتات النحاس كانت مادة جيدة للتلوين (عامل صبغ).

ووفقًا للإحصاءات، يوجد حاليًا أكثر من مائة مصنع ينتج كبريتات النحاس في جميع أنحاء العالم، ويبلغ استهلاكها السنوي حوالي 200 ألف طن، يستخدم ثلاثة أرباعها في الزراعة وتربية الحيوانات كمبيد للفطريات.

تطبيقات مركبات النحاس في الزراعة وتربية الحيوانات

تعتبر مركبات النحاس من مبيدات الفطريات الفعالة التي يمكنها السيطرة على جميع الأمراض التي تسببها العفن أو الفطريات. وبالإضافة إلى نقع البذور مباشرةً بكبريتات النحاس، يشيع استخدام خلائط ملح النحاس المختلفة في البساتين والحقول.

ومن أهمها خليط بوردو (خليط كبريتات النحاس والجير) الذي سمي على اسم منطقة النبيذ الفرنسية الشهيرة وخليط بورجوندي (خليط كبريتات النحاس والصودا)، بالإضافة إلى خليط باريس الأخضر وكوبروكيل، إلخ.

وفقًا للتقارير، يمكن لمبيدات الفطريات النحاسية أن تمنع أكثر من 300 نوع من الأمراض التي تحدث بشكل متكرر في أكثر من مائة محصول. وتشمل هذه المحاصيل مختلف أشجار الفاكهة المعمرة مثل العنب والبرتقال والموز والتفاح والكمثرى والخوخ وغيرها؛ والمحاصيل الاقتصادية مثل البن والمطاط والقطن وبنجر السكر وغيرها؛ والحبوب مثل القمح والأرز والذرة والشعير والشوفان وغيرها؛ والفاصوليا والطماطم والبطاطس والخس وغيرها.

كما أن النحاس عنصر غذائي ضروري للحفاظ على النمو الصحي للمحاصيل والماشية. وعمومًا، عندما يكون محتوى النحاس المتاح في تربة الأراضي الزراعية أقل من 2 جزء من المليون (1 جزء من المليون يساوي واحد في المائة)، ستعاني المحاصيل من نقص النحاس وتقل الغلة أو حتى تفشل في النمو. وبالمثل، عندما يكون محتوى النحاس المتاح في تربة المراعي أقل من 5 جزء في المليون، ستعاني الماشية من مرض نقص النحاس.

وفي الوقت الحالي، وبسبب العمليات المكثفة ذات الإنتاجية العالية، أدى الاستخدام الواسع النطاق للأسمدة التي تحتوي على القليل من النحاس أو لا تحتوي على النحاس على الإطلاق إلى تدهور الأراضي وتزايد مشكلة نقص النحاس في جميع أنحاء العالم.

لتصحيح نقص النحاس والوقاية منه، يجب إضافة أملاح النحاس في الوقت المناسب. يمكن إضافتها مباشرةً أو خلطها مع الأسمدة الغنية بالنيتروجين والفوسفور، أو استخدامها لتحسين جودة التربة للحصول على تأثير طويل الأجل، أو رشها على شتلات المحاصيل كل عام. أما بالنسبة للماشية، فإلى جانب تحسين المراعي، يمكن خلط أملاح النحاس في الأعلاف أو حقنها مباشرة في الماشية التي تعاني من أعراض نقص النحاس.

تعد كبريتات النحاس أيضًا محفزًا لنمو الخنازير والدجاج، والتي يمكن أن تحسن من شهيتها وتعزز تحويل الطعام. يمكن أن يؤدي خلط 0.1% من كبريتات النحاس في العلف إلى تعزيز زيادة وزن الخنازير والدجاج اللاحم بشكل كبير. أيونات النحاس لها تأثيرات مطهرة ومعقمة قوية، ويمكن أن تمنع انتشار بعض أمراض الماشية الشائعة.

على سبيل المثال، يمكن لكمية صغيرة من النحاس في الماء (أقل من جزء من المليون) أن تقتل القواقع، بما في ذلك تلك التي تستضيف طفيلي قواقع الدم، وبالتالي منع مرض قواقع الكبد الذي ينتشر بسهولة في الحيوانات الاستوائية والمعتدلة. يمكن أيضًا استخدام كبريتات النحاس لتطهير الحظائر لمنع انتشار تعفن القدم في الماشية والأغنام، وكذلك الحمرة الخنازير والزحار البقري.

وبالإضافة إلى ذلك، يمكن إضافة أملاح النحاس للقضاء على تلوث الطحالب الخضراء المزعجة في البرك وحقول الأرز والقنوات والأنهار. كما يمكن استخدام أملاح النحاس كمثبطات للعفن ومواد حافظة لتخزين الحبوب والفواكه والخضروات. وتتمثل إحدى الطرق الملائمة في تغليفها بورق منقوع في ملح النحاس.

تطبيقات مركبات النحاس في الصناعة

لمركبات النحاس تطبيقات واسعة النطاق في الصناعة، وتستخدم بشكل أو بآخر في كل مجال تقريباً. وفيما يلي بعض الأمثلة:

كبريتات النحاس هي مادة شائعة الاستخدام في عمليات الصباغة لتحسين متانة ومقاومة الغسيل لللمعان، وتستخدم على نطاق واسع في صناعات النسيج والجلود. تتميز مركبات النحاس بألوان مثل الأزرق والأخضر والأحمر والأسود وغيرها، ويمكن استخدامها كعوامل تلوين للزجاج والسيراميك والأسمنت والمينا. كما أنها مكونات لبعض صبغات الشعر.

نترات النحاس المضافة إلى الألعاب النارية تنتج الضوء الأخضر، إلخ. تتميز الدهانات التي تحتوي على مركبات النحاس المضاف إليها مركبات النحاس بخصائص مضادة للحشف الحيوي البحري. بعض مركبات النحاس العضوية هي مواد حافظة فعالة تستخدم لمنع التآكل في اللب والخشب والمنتجات الخشبية والقماش والأقمشة وغيرها من الأقمشة.

تُعد بعض مركبات النحاس من العوامل الكيميائية المهمة في إنتاج المطاط والبترول والألياف الاصطناعية، وتلعب أدوارًا في الحفز والتنقية.

يُستخدم إلكتروليت كبريتات النحاس في طلاء النحاس، وإنتاج رقائق النحاس الإلكتروليتية، وتنقية النحاس.

في صناعة التعدين، تُستخدم كبريتات النحاس كمنشط لتعويم المعادن مثل الرصاص والزنك والألومنيوم والذهب.

تطبيقات مركبات النحاس في صحة الإنسان

النحاس هو عنصر غذائي أساسي لصحة الإنسان، وهو مهم للدم والجهاز العصبي المركزي والجهاز المناعي ونمو ووظيفة الشعر والجلد وأنسجة العظام، وكذلك الأعضاء الداخلية مثل المخ والكبد والقلب.

يتم تناول النحاس بشكل أساسي من خلال النظام الغذائي اليومي. وتوصي منظمة الصحة العالمية بضرورة تناول البالغين 0.03 ملليغرام من النحاس لكل كيلوغرام من وزن الجسم يومياً للحفاظ على الصحة.

يجب على الحوامل والأطفال الصغار مضاعفة الكمية. يمكن أن يتسبب نقص النحاس في الإصابة بأمراض مختلفة، ويمكن تناول مكملات وحبوب النحاس لتكميله. يمكن لأيونات النحاس التطهير والتعقيم، وهي مفيدة للوقاية من الأمراض والنظافة.

على سبيل المثال، يمكنها قتل البكتيريا مثل الإشريكية القولونية والدوسنتاريا في الماء، والقضاء على القواقع والرخويات التي تنشر البلهارسيا، ويرقات البعوض التي تنشر الملاريا.

كما يمكن استخدامها في أحواض السباحة لمنع التلوث بالطحالب الخضراء وانتشار القدم الرياضية عبر الأرضية، إلخ. يمكن استخدام مركبات النحاس لعلاج بعض الأمراض. ومن المعروف أن ارتداء خاتم من النحاس يمكن أن يعالج التهاب المفاصل.

وقد استُخدمت كبريتات النحاس لعلاج أمراض الرئة والأمراض العقلية في بعض الدول الغربية، بينما استُخدمت في بعض الدول الأفريقية والآسيوية لعلاج القرحة والأمراض الجلدية. ويجري حالياً تطوير عقاقير تحتوي على النحاس.