Wichtige Anwendungen von Kupfer, die Sie kennen sollten

Kupfer: Eines der frühesten vom Menschen entdeckten Metalle. Archäologische Funde in Gräbern haben gezeigt, dass die Ägypter bereits vor 6.000 Jahren Kupferwerkzeuge benutzten. In der Natur kommt Kupfer als natives Kupfer, Cuprit und Chalkosin vor. Natives Kupfer und Cuprit sind selten.

Heutzutage werden weltweit mehr als 80% des Kupfers aus Chalkosin raffiniert, einer Art minderwertigem Erz, das nur etwa 2-3% Kupfer enthält. Die Entwicklung der Kupfermetallurgie hat einen langen Prozess durchlaufen, aber auch heute noch wird Kupfer hauptsächlich durch die Pyrometallurgie verhüttet, auf die etwa 80% der gesamten Kupferproduktion der Welt entfallen.

Nach und nach werden moderne hydrometallurgische Verfahren eingeführt, die die Kosten der Kupferraffination erheblich senken.

Kupfer verfügt über viele wertvolle physikalische und chemische Eigenschaften, wie hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit, chemische Stabilität, hohe Zugfestigkeit, gute SchweißbarkeitKorrosionsbeständigkeit, Duktilität und Formbarkeit.

 Reines Kupfer kann zu sehr feinen Drähten gezogen oder zu sehr dünnen Kupferfolien verarbeitet werden. Es kann Legierungen mit Zink, Zinn, Blei, Mangan, Kobalt, Nickel, Aluminium, Eisen und anderen Metallen bilden. Die gebildeten Legierungen werden hauptsächlich in drei Kategorien unterteilt: Messing, eine Kupfer-Zink-Legierung; Bronze, eine Kupfer-Zinn-Legierung; und Kupfernickel, eine Kupfer-Kobalt-Nickel-Legierung.

Anteil der wichtigsten Leistungsanwendungen von Kupfer und Kupferlegierungen.

Kupfer ist ein Nichteisenmetall, das eng mit dem Menschen verbunden ist und in der Elektrotechnik, der Leichtindustrie, dem Maschinenbau, dem Bauwesen, der Verteidigungsindustrie usw. breite Verwendung findet. In China steht der Kupferverbrauch nach Aluminium an zweiter Stelle unter den Nichteisenmetallen. metallische Werkstoffe.

Der durchschnittliche jährliche Pro-Kopf-Verbrauch liegt in den Industrieländern (mit etwa 1,1 Milliarden Menschen) bei 10-20 kg, in den Entwicklungsländern (mit etwa 4,9 Milliarden Menschen) bei 0-2 kg.

Der Kupferverbrauch in den Industrieländern ist wesentlich höher als in den Entwicklungsländern. In den Industrieländern muss ein durchschnittlicher Einwohner in seinem Leben etwa eine Tonne Kupfer verbrauchen, was eine beträchtliche Menge ist.

Der Vergleich der beiden oben genannten Daten zeigt, dass das Verbrauchsniveau von Kupfer bis zu einem gewissen Grad das Entwicklungsniveau eines Landes widerspiegelt. Obwohl die Kupfernachfrage in China in den letzten Jahren erheblich gestiegen ist, gibt es immer noch einige arme Gebiete in ländlichen Gegenden, in denen der durchschnittliche jährliche Pro-Kopf-Verbrauch nur etwa 0,1 kg beträgt, was ähnlich ist wie in Indien (0,13 kg), was auf ein enormes Entwicklungspotenzial hinweist.

Struktur des Kupferverbrauchs in China:

Struktur des Kupferverbrauchs in den Vereinigten Staaten:

Aus den beiden obigen Zahlen ist ersichtlich, dass zwischen China und den Vereinigten Staaten ein erheblicher Unterschied in der Struktur des Kupferverbrauchs besteht. Der Verbrauch elektrischer und elektronischer Produkte macht in China die Hälfte des Gesamtverbrauchs aus, während er in den USA 70% ausmacht.

Die USA haben auch einen größeren Kupferverbrauch in der Bauindustrie, während in China der Verbrauch von Kupfer im Bauwesen vernachlässigbar ist. Im Vergleich zu den europäischen und amerikanischen Ländern hat die Anwendung von Kupfer im Baugewerbe in China erst in den letzten Jahren begonnen und verfügt über ein riesiges Marktpotenzial.

Statistiken zufolge stieg die Verwendung von Kupfer in Wohnungen in den Vereinigten Staaten von 120 kg pro Haushalt im Jahr 1970 auf 200 kg im Jahr 1996. Autos verbrauchten 1950 durchschnittlich 10 kg Kupfer pro Fahrzeug und stiegen auf 19 kg im Jahr 1996. Elektrofahrzeuge erfordern einen Anstieg des Kupferverbrauchs von 25 kg auf 40 kg pro Fahrzeug.

Aufteilung des Kupferverbrauchs in verschiedenen Bausektoren auf dem globalen Kupfermarkt.

Die spezifische Verteilung des Kupferverbrauchs in den verschiedenen Bausektoren auf dem globalen Kupfermarkt ist wie folgt:

(1) Wohnungsbau, einschließlich: Rohrleitungssysteme (Wasser, Wärme, Gas, Sprinkleranlagen usw.); Haustechnik (Klimaanlagen, Kühlschränke usw.); Gebäudedekoration (Dächer, Dachrinnen usw.); Kommunikationsleitungen (Audio, Video, Daten usw.); Stromversorgungssysteme.

(2) Herstellung von Ausrüstungen, darunter: industrielle Ausrüstungen (Motoren, Transformatoren usw.); Transportmittel (Autos, Eisenbahnen, Flugzeuge usw.); elektronische Geräte; leichte Industrieprodukte (Haushaltsgeräte, Instrumente, Werkzeuge usw.).

(3) Grundlegende Infrastruktur, einschließlich: große technische Projekte (Verkehrseinrichtungen, petrochemische Industrie, Bergbau und Metallurgie usw.); Stromindustrie (Übertragung, Verteilung usw.); Kommunikationsnetze. Es ist erwähnenswert, dass der Wohnungsbau in direktem Zusammenhang mit dem Lebensstandard der Menschen steht und dass Kupfer in diesem Bereich den größten Anteil an der Anwendung hat. Insbesondere China betrachtet den Wohnungsbau als einen wichtigen Bestandteil der Entwicklung der nationalen Wirtschaft. Es zeigt sich, dass die aktive Förderung der Anwendung von Kupfer eine wichtige Rolle für die wirtschaftliche und soziale Entwicklung des Landes spielt.

Verwendung von Kupfer in der Elektroindustrie:

(1) Kraftübertragung

Nationale Stromverbrauchsdaten von 1998 bis 2003.

Die obige Abbildung zeigt die Situation des Stromverbrauchs in China von 1998 bis 2003, wobei 2003 als Prognosewert gilt. Der durch die wirtschaftliche Entwicklung Chinas bedingte rasche Anstieg des Strombedarfs erfordert eine große Menge an hochleitfähigem Kupfer für die Stromübertragung, das vor allem in Stromkabeln, Stromschienen, Transformatoren, Schaltern, Steckern und Verbindungselementen verwendet wird. Bei der Übertragung von Strom durch Drähte und Kabel entstehen durch elektrische Widerstände Wärme und Energieverluste.

Unter dem Gesichtspunkt der Energieeinsparung und der Wirtschaftlichkeit wird derzeit weltweit die Norm des "optimalen Kabelquerschnitts" gefördert. In der Vergangenheit beruhte die gängige Norm ausschließlich auf der Verringerung des Kabelquerschnitts, um die zulässige Mindestgröße des Kabels bei dem von der Konstruktion geforderten Nennstrom zu minimieren, um die anfänglichen Installationskosten zu senken, ohne gefährliche Überhitzungen zu verursachen.

Kabel, die nach dieser Norm verlegt werden, haben geringere Installationskosten, verbrauchen aber aufgrund des elektrischen Widerstands bei langfristiger Nutzung relativ viel Energie. Die Norm für den "optimalen Kabelquerschnitt" berücksichtigt sowohl die einmaligen Installationskosten als auch den Energieverbrauch und vergrößert den Kabelquerschnitt in angemessener Weise, um Energie zu sparen und einen optimalen wirtschaftlichen Gesamtnutzen zu erzielen. Nach der neuen Norm wird der Kabelquerschnitt im Vergleich zur alten Norm oft mehr als verdoppelt, wodurch ein Einspareffekt von etwa 50% erzielt werden kann.

In der Vergangenheit hat China aufgrund des unzureichenden Kupferangebots die Maßnahme ergriffen, Kupfer durch Aluminium in Hochspannungsfreileitungen zu ersetzen, da Aluminium nur 30% des Gewichts von Kupfer ausmacht und man hoffte, dadurch Gewicht zu sparen. Unter dem Gesichtspunkt des Umweltschutzes werden Freileitungen jedoch durch unterirdisch verlegte Kabel ersetzt. Unter diesen Umständen hat Aluminium Nachteile wie schlechte Leitfähigkeit und größere Kabel im Vergleich zu Kupfer, was es weniger wettbewerbsfähig macht.

Aus den gleichen Gründen ist es sinnvoll, Transformatoren mit Aluminiumwicklung durch solche mit Kupferwicklung zu ersetzen, die energieeffizienter sind.

(2) Motorenbau

Im Motorenbau werden häufig Kupferlegierungen mit hoher Leitfähigkeit und Festigkeit verwendet. Die wichtigsten Kupferteile sind der Stator, der Rotor und der Wellenkopf. Bei großen Motoren muss die Wicklung durch Wasser oder Wasserstoffgas gekühlt werden, was als Doppelwasser-Innenkühlung oder wasserstoffgekühlte Motoren bezeichnet wird und lange Hohlleiter erfordert.

Motoren sind große Stromverbraucher, die etwa 60% des gesamten Stromverbrauchs ausmachen. Die kumulierte Stromrechnung für den Betrieb eines Motors ist sehr hoch. In der Regel erreichen sie innerhalb der ersten 500 Betriebsstunden die Kosten des Motors selbst und betragen innerhalb eines Jahres das 4-16fache der Kosten. Während der gesamten Lebensdauer können die Kosten das 200-fache erreichen.

Eine leichte Verbesserung der Motoreffizienz kann nicht nur Energie sparen, sondern auch erhebliche wirtschaftliche Vorteile bringen. Die Entwicklung und Anwendung effizienter Motoren ist heute weltweit ein heißes Thema. Da der interne Energieverbrauch von Motoren hauptsächlich auf den Widerstandsverlust der Wicklungen zurückzuführen ist, ist die Vergrößerung der Querschnittsfläche von Kupferdraht eine wichtige Maßnahme zur Entwicklung effizienter Motoren. In den letzten Jahren wurden einige hocheffiziente Motoren entwickelt, die 25-100% mehr Kupferwicklungen verwenden als herkömmliche Motoren. Derzeit finanziert das US-Energieministerium ein Entwicklungsprojekt, das die Herstellung von Motorrotoren mit Hilfe der Kupfergusstechnologie vorsieht.

(3) Kommunikationskabel

Seit den 1980er Jahren haben Glasfaserkabel aufgrund ihrer hohen Strombelastbarkeit die Kupferkabel in den Backbones der Kommunikationsnetze verdrängt und ihre Anwendung rasch vorangetrieben. Für die Umwandlung von elektrischer Energie in optische Energie und die Eingabe von Benutzerleitungen wird jedoch immer noch eine große Menge Kupfer benötigt. Mit der Entwicklung der Kommunikationsindustrie steigt die Abhängigkeit der Menschen von der Kommunikation, und die Nachfrage nach Glasfaserkabeln und Kupferdrähten wird weiter zunehmen.

(4) Elektrische Verkabelung in Wohngebäuden

In den letzten Jahren ist mit der Verbesserung des Lebensstandards der Menschen in China und der raschen Verbreitung von Haushaltsgeräten der Stromverbrauch der Haushalte rasch gestiegen. Wie Abbildung 6.6 zeigt, lag der Stromverbrauch der Haushalte 1987 bei 26,96 Milliarden Kilowattstunden (kWh); bis 1996 stieg er auf 113,1 Milliarden kWh, was einer Steigerung um das 3,2-fache entspricht.

Trotz dieses Wachstums besteht immer noch ein erheblicher Abstand zu den Industrieländern. So war 1995 der Pro-Kopf-Stromverbrauch in den Vereinigten Staaten 14,6 Mal so hoch wie in China und in Japan 8,6 Mal so hoch wie in China. Der Stromverbrauch der Privathaushalte in China hat noch ein großes Wachstumspotenzial für die Zukunft. Es wird erwartet, dass er von 1996 bis 2005 um das 1,4-fache ansteigen wird.

Gegenwärtig ist die Planungskapazität für die Elektroinstallation in Wohngebäuden in China relativ gering. Tabelle 6.l vergleicht am Beispiel einer Zweizimmerwohnung die architektonischen Standards für die Elektroinstallation in Peking, Hongkong und Japan. Es ist zu erkennen, dass Hongkong und Japan den steigenden Stromverbrauch in Wohngebäuden in ihren Entwürfen vollständig berücksichtigt haben, während Chinas Kapazität für die Planung von Elektroinstallationen in Wohngebäuden dringend verbessert werden muss.

Die Anwendung von Kupfer in der Elektronikindustrie

Die Elektronikindustrie ist ein aufstrebender Industriezweig, der im Zuge seines Wachstums ständig neue Kupferprodukte und neue Anwendungen entwickelt. Derzeit reichen die Anwendungen von Elektronenröhren und gedruckten Schaltungen bis hin zu Mikroelektronik und integrierten Halbleiterschaltungen.

(1) Elektronenröhren

Elektronenröhren bestehen hauptsächlich aus Hochfrequenz- und Ultrahochfrequenz-Senderöhren, Wellenleitern und Magnetronröhren, die hochreines sauerstofffreies Kupfer und dispersionsverstärktes sauerstofffreies Kupfer erfordern.

(2) Gedruckte Schaltungen

Bei gedruckten Schaltungen aus Kupfer wird eine Kupferfolie als Oberfläche verwendet, die auf eine Kunststoffplatte als Träger aufgeklebt wird. Der Schaltplan wird durch Fotolithografie auf die Kupferplatte gedruckt, und der überschüssige Teil wird durch Ätzen entfernt, so dass eine zusammenhängende Schaltung entsteht.

Anschließend werden an der Verbindung zwischen der Leiterplatte und der Außenseite Löcher gestanzt, die Anschlüsse der diskreten Bauelemente oder anderer Teile eingesetzt und auf diesem Weg verschweißt, um die Montage einer kompletten Schaltung abzuschließen. Bei der Tauchlackierung müssen alle Verbindungsschweißen auf einmal abgeschlossen werden können.

Daher werden gedruckte Schaltungen häufig dort eingesetzt, wo ein präzises Schaltungslayout erforderlich ist, z. B. bei Radios, Fernsehgeräten, Computern usw., was viel Arbeit bei der Verdrahtung und Befestigung von Schaltungen spart und einen hohen Verbrauch an Kupferfolie erfordert. Darüber hinaus werden verschiedene preisgünstige, niedrig schmelzende und gut fließende Lötmittel auf Kupferbasis für Schaltkreisverbindungen benötigt.

(3) Integrierte Schaltungen

Das Herzstück der Mikroelektronik-Technologie sind integrierte Schaltungen. Ein integrierter Schaltkreis ist ein miniaturisierter Schaltkreis, bei dem die Komponenten und Verbindungen, aus denen der Schaltkreis besteht, im Inneren, auf der Oberfläche oder oberhalb eines Halbleiterkristallsubstrats (Chip) unter Verwendung einer speziellen Prozesstechnologie integriert sind.

Diese Art von Mikroschaltkreisen ist in Bezug auf Größe und Gewicht Tausende oder sogar Millionen Mal kleiner als die kompakteste Schaltung mit diskreten Komponenten in ihrer Struktur. Ihr Aufkommen hat die Computerwelt stark verändert und ist zur Grundlage der modernen Informationstechnologie geworden.

Die derzeit entwickelten integrierten Schaltkreise in sehr großem Maßstab können Hunderttausende oder sogar Millionen von Transistoren auf einer einzigen Chipfläche kleiner als ein Fingernagel produzieren. Kürzlich hat das international renommierte Computerunternehmen IBM einen Durchbruch erzielt, indem es Kupfer anstelle von Aluminium als Verbindungselemente in Siliziumchips verwendet hat.

Dieser neuartige Mikrochip aus Kupfer kann einen Wirkungsgrad von 30% erreichen, die Größe der Schaltkreisleitungen auf 0,12 Mikrometer reduzieren und die Integration von bis zu 2 Millionen Transistoren auf einem einzigen Chip ermöglichen. Damit eröffnen sich neue Perspektiven für das alte Metall Kupfer im neuesten Technologiebereich der integrierten Halbleiterschaltungen.

(4) Lead Frames

Um den normalen Betrieb von integrierten Schaltkreisen oder Hybridschaltungen zu schützen, müssen sie verpackt werden, und während des Verpackens muss eine große Anzahl von Anschlüssen in der Schaltung aus der Versiegelung herausgeführt werden.

Diese Leitungen benötigen eine gewisse Festigkeit, um das tragende Gerüst der integrierten Verpackungsschaltung, den so genannten Leadframe, zu bilden.

In der tatsächlichen Produktion werden die Leadframes in der Regel kontinuierlich in einer bestimmten Anordnung auf ein Metallband gestanzt, um eine hohe Produktionsgeschwindigkeit und große Stückzahlen zu erreichen. Das Lead-Frame-Material macht 1/3 bis 1/4 der Gesamtkosten der integrierten Schaltung aus und wird häufig verwendet; daher sind niedrige Kosten erforderlich.

Kupferlegierungen zeichnen sich durch niedrige Preise, hohe Festigkeit, Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit, hervorragende Verarbeitungseigenschaften, Lötbarkeit und Korrosionsbeständigkeit aus. Durch Legierung können ihre Eigenschaften in einem großen Bereich gesteuert werden, um die Leistungsanforderungen von Leiterrahmen besser zu erfüllen.

Kupfer hat sich zu einem wichtigen Werkstoff für Leadframes entwickelt und ist derzeit der am häufigsten verwendete Werkstoff für Kupfer in mikroelektronischen Geräten.

Die Anwendung von Kupfer in der Energie- und Petrochemieindustrie

(1) Energiewirtschaft

Sowohl die thermische als auch die atomare Stromerzeugung basieren auf Dampf, um Arbeit zu verrichten. Der Dampfkreislauf sieht folgendermaßen aus: Der Kessel erzeugt Dampf - der Dampf treibt die Turbine zur Arbeit an - der Dampf wird nach der Arbeit in den Kondensator geleitet - zu Wasser abgekühlt - in den Kessel zurückgeführt, um wieder zu Dampf zu werden.

Während dieser Zeit besteht der Hauptkondensator aus Rohrplatten und Kondensatorrohren. Für ihre Herstellung wird Kupfer verwendet, weil es eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzt und korrosionsbeständig gegenüber Wasser ist. Sie sind alle aus Gelbmessing, Aluminiummessing oder weißes Kupfer.

Den Angaben zufolge werden pro 10.000 Kilowatt installierter Leistung 5 Tonnen Kondensatorrohre benötigt. Für ein 600.000-Kilowatt-Kraftwerk werden 3.000 Tonnen Kondensatorrohrmaterial benötigt. Auch für die Nutzung der Solarenergie werden viele Kupferrohre benötigt.

Ein Hotel in der Nähe von London, das über einen Swimmingpool verfügt, hat beispielsweise eine Solarheizung, die die Wassertemperatur im Sommer zwischen 18 und 24 °C halten kann. Die Solarheizung enthält 784 Pfund (356 Kilogramm) Kupferrohre.

(2) Petrochemische Industrie

Kupfer wird manchmal auch in der petrochemischen Industrie verwendet. Ein Beispiel hierfür ist die Verwendung von Kupfer-Nickel-Legierungen für Wärmetauscher in seewassergekühlten Kernkraftwerken. Die Legierung verfügt über eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen Meerwasserkorrosion und hohe Temperaturen, was sie für diese Anwendung ideal macht.

Aufgrund seiner hohen Festigkeit und hervorragenden Korrosionsbeständigkeit wird Kupfer auch für den Bau von Rohrleitungen und Tanks für den Öl- und Gastransport verwendet.

Außerdem wird Kupfer in Katalysatoren für chemische Reaktionen in Raffinerien und anderen chemischen Anlagen verwendet.

(2) Petrochemische Industrie

Kupfer und viele Kupferlegierungen haben eine gute Korrosionsbeständigkeit in nicht oxidierenden Säuren wie wässrigen Lösungen, Salzsäure, organischen Säuren (wie Essigsäure, Zitronensäure, Fettsäuren, Milchsäure, Oxalsäure usw.), verschiedenen Alkalien außer Ammoniak und nicht oxidierenden organischen Verbindungen (wie Öle, Phenole, Alkohole usw.).

Daher werden sie in der petrochemischen Industrie häufig zur Herstellung verschiedener Behälter, Rohrleitungssysteme, Filter, Pumpen und Ventile für den Kontakt mit korrosiven Medien verwendet.

Aufgrund seiner Wärmeleitfähigkeit wird Kupfer auch zur Herstellung verschiedener Verdampfer, Wärmetauscher und Kondensatoren verwendet. Aufgrund seiner guten Verformbarkeit eignet sich Kupfer besonders für die Herstellung von Wärmetauschern mit komplexer Struktur und gekreuzten Kupferrohren in der modernen chemischen Industrie.

Darüber hinaus wird Bronze zur Herstellung von Werkzeugen in Erdölraffinerien verwendet, da beim Aufprall keine Funken entstehen, was Brände verhindern kann.

(3) Ozeanische Industrie

Der Ozean bedeckt mehr als 70% der Erdoberfläche, und die rationelle Entwicklung und Nutzung der Meeresressourcen wird immer wichtiger. Meerwasser enthält Chloridionen, die leicht Korrosion verursachen können, und viele technische Metallwerkstoffe wie Kupfer, Eisen, Aluminium und sogar rostfreies Kupfer sind nicht resistent gegen Korrosion durch Meerwasser.

Darüber hinaus kann sich auf den Oberflächen dieser Materialien auch mariner Bewuchs bilden, ebenso wie nicht-metallisch Materialien wie Holz und Glas. Kupfer ist insofern einzigartig, als es nicht nur korrosionsbeständig gegenüber Meerwasser ist, sondern auch eine bakterientötende Wirkung hat, wenn sich Kupferionen im Wasser auflösen, was den biologischen Bewuchs im Meer verhindern kann.

Daher sind Kupfer und Kupferlegierungen sehr wichtige Werkstoffe in der Meeresindustrie und werden in Meerwasserentsalzungsanlagen, Offshore-Öl- und -Gasplattformen und anderen Küsten- und Unterwasseranlagen eingesetzt.

Zum Beispiel Rohrleitungssysteme, Pumpen und Ventile, die bei der Meerwasserentsalzung eingesetzt werden, sowie Ausrüstungen auf Öl- und Gasplattformen, einschließlich Spritzwasserzonen und Unterwasserbolzen, Bohren Tage, Anti-Biofouling-Manschetten, Pumpen, Ventile und Rohrleitungssysteme usw.

Die Anwendung von Kupfer in der Transportindustrie

(1) Schiffe

Aufgrund ihrer hervorragenden Korrosionsbeständigkeit gegenüber Meerwasser sind viele Kupferlegierungen wie Aluminiumbronze, Manganbronze, Aluminiummessing, Rotguss (Zinn-Zink-Bronze), Weißkupfer und Nickel-Kupfer-Legierung (Monel-Legierung) zu Standardwerkstoffen im Schiffbau geworden. Auf Kupfer und Kupferlegierungen entfallen 2-3% des Gewichts von Kriegsschiffen und den meisten großen Handelsschiffen. Die Propeller von Kriegsschiffen und den meisten großen Handelsschiffen werden aus Aluminiumbronze oder Messing hergestellt.

Die Propeller der großen Schiffe wiegen jeweils 20-25 Tonnen, die der Flugzeugträger Elizabeth Queen und Mary Queen sogar bis zu 35 Tonnen. Die schweren Heckwellen großer Schiffe werden häufig aus "Admiral"-Rotguss gefertigt, und auch die konischen Bolzen von Rudern und Propellern bestehen aus demselben Material. Kupfer und Kupferlegierungen werden auch häufig in Motoren und Kesselräumen verwendet. Auf dem ersten atomgetriebenen Handelsschiff der Welt wurden 30 Tonnen Kondensatorrohre aus Weißkupfer verwendet. Neuerdings werden große Heizschlangen mit Aluminium-Messingrohren als Öltanks verwendet.

Auf einem 100.000-Tonnen-Schiff gibt es 12 dieser Lagertanks, und das dazugehörige Heizsystem ist ziemlich groß. Auch die elektrische Ausrüstung an Bord ist sehr komplex, da Motoren, Kommunikationsanlagen usw. fast ausschließlich mit Kupfer und Kupferlegierungen betrieben werden.

Kupfer und Kupferlegierungen werden häufig als Dekoration in den Kabinen von Schiffen aller Größenordnungen verwendet, und selbst Holzboote werden vorzugsweise mit Schrauben und Nägeln aus Kupferlegierungen (in der Regel Siliziumbronze) befestigt, die durch Walzen in Massenproduktion hergestellt werden können. In der Vergangenheit wurden Kupferverkleidungen häufig zum Schutz des Schiffsrumpfes vor biologischem Bewuchs verwendet, aber heute wird üblicherweise ein kupferhaltiger Anstrich verwendet.

Während des Zweiten Weltkriegs wurde ein antimagnetisches Minengerät entwickelt, um zu verhindern, dass deutsche Magnetminen Schiffe angreifen. Um den Kupferrumpf wurde ein Kupferstreifen angebracht, durch den ein elektrischer Strom geleitet wurde, um das Magnetfeld des Schiffes zu neutralisieren, was die Detonation der Minen verhinderte.

Seit 1944 wurden alle alliierten Schiffe, insgesamt etwa 18.000, zum Schutz mit dieser Entmagnetisierungsvorrichtung ausgestattet. Einige große Schlachtschiffe benötigen zu diesem Zweck eine große Menge an Kupfer. Eines von ihnen verwendet zum Beispiel 28 Meilen (etwa 45 Kilometer) Kupferdraht mit einem Gewicht von etwa 30 Tonnen.

(2) Kraftfahrzeuge

Jedes Auto enthält in der Regel 10-21 Kilogramm Kupfer, je nach Art und Größe des Fahrzeugs. Bei Kleinwagen macht die Menge des verwendeten Kupfers 6-9% des Fahrzeuggewichts aus. Kupfer und Kupferlegierungen werden hauptsächlich in Kühlern, Bremsleitungen, hydraulischen Geräten, Getrieben, Lagern, Bremsbelägen, Verteilungs- und Stromversorgungssystemen, Unterlegscheiben und verschiedenen Verbindungsstücken, Armaturen und dekorativen Teilen verwendet.

In Heizkörpern wird eine relativ große Menge Kupfer verwendet. In modernen Röhren- und Streifenheizkörpern werden Messingstreifen in die Heizkörperrohre geschweißt und dünne Kupferstreifen zu wärmeableitenden Rippen gefaltet. In den letzten Jahren wurden viele Verbesserungen vorgenommen, um die Leistung von Kupferheizkörpern weiter zu steigern und ihre Wettbewerbsfähigkeit gegenüber Aluminiumheizkörpern zu erhöhen.

Bei den Werkstoffen werden dem Kupfer Spurenelemente zugesetzt, um seine Festigkeit und seinen Erweichungspunkt zu erhöhen, ohne die Wärmeleitfähigkeit zu beeinträchtigen, wodurch die Dicke des Bandes verringert und Kupfer eingespart wird.

In Bezug auf die Herstellungsprozesse sind Hochfrequenz- oder Laserschweißen von Kupferrohren verwendet, und für die Montage des Kühlerkerns wird Kupferlöten anstelle von bleiverseuchtem Weichlöten verwendet.

Die Ergebnisse dieser Bemühungen sind in Tabelle 6.2 dargestellt. Im Vergleich zu gelöteten Aluminiumkühlern sind die neuen Kupferkühler bei gleichen Wärmeabgabebedingungen, d. h. bei gleichem Luft- und Kühlmitteldruckabfall, leichter und deutlich kleiner, und die gute Korrosionsbeständigkeit und lange Lebensdauer von Kupfer machen die Vorteile von Kupferkühlern noch deutlicher.

(3) Eisenbahnen

Die Elektrifizierung von Eisenbahnen erfordert eine große Menge an Kupfer und Kupferlegierungen. Pro Kilometer Fahrdraht werden mehr als 2 Tonnen speziell geformter Kupferdraht benötigt. Um die Festigkeit zu erhöhen, wird oft eine kleine Menge Kupfer (etwa 1%) oder Silber (etwa 0,5%) hinzugefügt.

Auch die Motoren, Gleichrichter, Steuerungs-, Brems-, Elektro- und Signalsysteme von Zügen sind auf Kupfer und Kupferlegierungen angewiesen.

(4) Flugzeuge

Kupfer ist auch für den Betrieb von Flugzeugen unerlässlich. So werden Kupferwerkstoffe für die Verkabelung, Hydraulik-, Kühl- und Pneumatiksysteme in Flugzeugen verwendet, Aluminiumbronzerohre werden für Lagerhalterungen und Fahrwerkslager eingesetzt, antimagnetische Kupferlegierungen werden für Navigationsinstrumente verwendet, und in vielen Instrumenten kommen unter anderem elastische Elemente aus Berylliumkupfer zum Einsatz.

Anwendungen von Kupfer in der mechanischen und metallurgischen Industrie

(1) Maschinenbau

Bauteile aus Kupfer sind in fast allen Maschinen zu finden. Neben der großen Menge an Kupfer, die in Motoren, Schaltkreisen, hydraulische SystemeFür die Herstellung von Getrieben, pneumatischen Systemen und Steuerungssystemen, einer Vielzahl von Übertragungsteilen und Verbindungselementen aus Messing und Bronze, wie z. B. Zahnrädern, Schneckenrädern, Schneckenwellen, Verbindungsstücken, Befestigungselementen, Torsionselementen, Schrauben, Muttern usw., werden Kupferlegierungen verwendet.

Fast alle Teile, die sich in einer Maschine relativ zueinander bewegen, benötigen Lager oder Buchsen aus verschleißfesten Kupferlegierungen, insbesondere die Zylinderlaufbuchsen und Gleitplatten von großen Extrudern und Schmiedepressendie fast aus Bronze sind und mehrere Tonnen wiegen können.

Viele elastische Elemente werden auch aus Siliziumbronze und Zinnbronze hergestellt. Schweißwerkzeuge, Druckgussformen und vieles mehr sind auf Kupferlegierungen angewiesen.

(2) Metallurgische Ausrüstung

Die metallurgische Industrie ist ein großer Stromverbraucher und wird als "elektrischer Tiger" bezeichnet. Beim Bau eines Hüttenwerks müssen ein groß angelegtes Stromverteilungssystem und Stromversorgungsanlagen, die auf Kupfer angewiesen sind, vorhanden sein.

Darüber hinaus hat sich in der Pyrometallurgie die Stranggusstechnik durchgesetzt, und für die Schlüsselkomponenten des Kristallisators werden meist Kupferlegierungen mit hoher Festigkeit und hoher Wärmeleitfähigkeit verwendet, z. B. Chromkupfer und Silberkupfer.

Für das Elektroschmelzen werden wassergekühlte Tiegel für Vakuumlichtbogenöfen und Elektrolichtbogenöfen aus Kupferrohren hergestellt, und verschiedene Induktionsheizspulen werden mit Kupferrohren oder speziell geformten Kupferrohren gewickelt und mit Wasser gekühlt.

(3) Legierungszusätze

Kupfer ist ein wichtiges Zusatzelement in Kupfer-Eisen- und Aluminiumlegierungen. Die Zugabe einer kleinen Menge Kupfer (0,2~0,5%) zu niedrig legiertem Strukturkupfer kann die Festigkeit und Beständigkeit gegen atmosphärische und marine Korrosion verbessern.

Die Zugabe von Kupfer zu korrosionsbeständigem Gusseisen und rostfreiem Kupfer kann deren Korrosionsbeständigkeit weiter verbessern. Hochnickelhaltige Legierungen mit etwa 30% Kupfer sind für ihre hohe Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit bekannt, wie z. B. die "Monel-Legierung", die in der Atomindustrie weit verbreitet ist.

Viele hochfeste Aluminiumlegierungen enthalten auch Kupfer. Durch das Abschrecken und die Alterungswärmebehandlung werden feine Partikel ausgefällt und diffus in der Legierung verteilt, wodurch sich die Festigkeit erheblich verbessert, was als ausgehärtete Aluminiumlegierung bezeichnet wird.

Das bekannteste ist Duralumin oder Hartaluminium, ein wichtiges Strukturmaterial für die Herstellung von Flugzeugen und Raketen, das Kupfer, Mangan und Magnesium enthält.

Anwendungen von Kupfer in der Leichtindustrie

Produkte der Leichtindustrie sind eng mit dem Leben der Menschen verbunden und weisen eine große Vielfalt auf. Aufgrund der guten umfassenden Leistung von Kupfer ist es überall in der Leichtindustrie zu finden. Hier sind ein paar Beispiele:

(1) Klimaanlagen und Kühlgeräte

Die Temperaturregelungsfunktion von Klimaanlagen und Kühlgeräten wird hauptsächlich durch die Verdampfung und Kondensation von Kupferrohren in Wärmetauschern erreicht. Die Größe und die Wärmeübertragungsleistung der Wärmetauscherrohre bestimmen weitgehend die Effizienz und Miniaturisierung der gesamten Klimaanlagen und Kühlgeräte. In diesen Geräten werden geformte Kupferrohre mit hoher Wärmeleitfähigkeit verwendet.

In jüngster Zeit wurden Wärmerohre mit inneren Rillen und hohen Lamellen entwickelt und hergestellt, die die hervorragenden Verarbeitungseigenschaften von Kupfer für den Einsatz in Wärmetauschern für Klimaanlagen, Kühlaggregate, chemische Geräte und Abwärmerückgewinnungsanlagen nutzen.

Der Gesamtwärmeleitungskoeffizient des neuen Wärmetauschers kann auf das 2-3-fache von herkömmlichen Rohren und auf das 1,2-1,3-fache von Rohren mit niedrigen Rippen erhöht werden, wodurch 40% Kupfer eingespart und das Volumen des Wärmetauschers um mehr als 1/3 reduziert werden kann.

(2) Uhren

Die meisten Funktionsteile von Uhren, Zeitmessern und Uhrwerken, die derzeit hergestellt werden, sind aus "Uhrenmessing" gefertigt. Die Legierung enthält 1,5-2% Blei und hat gute Verarbeitungseigenschaften, so dass sie sich für die Massenproduktion eignet.

So werden beispielsweise Zahnräder aus langen, stranggepressten Messingstangen geschnitten und Wellen aus Streifen entsprechender Dicke gestanzt. Zifferblätter mit eingravierten Mustern, Schrauben und Gelenke werden aus Messing oder anderen Kupferlegierungen hergestellt.

Viele preiswerte Uhren sind aus Messing (Zinn-Zink-Bronze) oder mit Neusilber (Weißkupfer) beschichtet. Einige berühmte Uhren werden aus Kupfer und Kupferlegierungen hergestellt. Der Stundenzeiger des britischen "Big Ben" besteht aus massiven Messingstäben, und der Minutenzeiger ist aus einem 14 Fuß langen Kupferrohr gefertigt.

In einer modernen Uhrenfabrik sind Kupferlegierungen das Hauptmaterial und werden mit Pressen und präzisen Formen verarbeitet, um 10.000 bis 30.000 Uhren pro Tag kostengünstig herzustellen.

(3) Papierherstellung

In der sich schnell verändernden Gesellschaft von heute ist der Papierverbrauch hoch. Die Oberfläche des Papiers sieht einfach aus, aber der Papierherstellungsprozess ist sehr komplex und erfordert viele Maschinen, darunter Kühler, Verdampfer, Quirle, Papiermaschinen und mehr.

Die meisten dieser Komponenten, wie z. B. verschiedene Wärmetauscherrohre, Walzen, Schlagleisten, Halbflüssigkeitspumpen und Drahtgewebe, werden aus Kupferlegierungen hergestellt.

Bei der derzeit verwendeten Langsieb-Papiermaschine beispielsweise wird der aufbereitete Zellstoff auf ein sich bewegendes Drahtgewebe mit kleinen Maschenöffnungen (40-60 Maschen) gespritzt. Das Drahtgeflecht wird aus Messing- und Phosphorbronzedrähten gewebt und hat eine große Breite, in der Regel über 6 Meter, und muss völlig gerade gehalten werden.

Das Sieb bewegt sich auf einer Reihe von kleinen Messing- oder Kupferwalzen, und wenn nasse Fasern mit anhaftendem Zellstoff durch das Sieb laufen, wird die Feuchtigkeit von unten abgesaugt. Das Sieb vibriert auch, um die kleinen Fasern im Zellstoff miteinander zu verbinden. Die Drahtgewebe großer Papiermaschinen können bis zu 8,1 m (26 Fuß 8 Zoll) breit und 30,5 m (100 Fuß) lang sein.

Nasszellstoff enthält nicht nur Wasser, sondern auch ätzende chemische Stoffe, die bei der Papierherstellung verwendet werden. Um die Qualität des Papiers zu gewährleisten, werden strenge Anforderungen an das Drahtgewebe gestellt, das eine hohe Festigkeit, Elastizität und Korrosionsbeständigkeit aufweisen muss, Eigenschaften, die sich perfekt für Kupferlegierungen eignen.

(4) Drucken

Kupferplatten werden für die Fotolithografie im Druck verwendet. Polierte Kupferplatten werden mit einer lichtempfindlichen Emulsion sensibilisiert und dann mit fotografischen Bildern belichtet. Die sensibilisierte Kupferplatte muss erhitzt werden, um die Emulsion zu härten.

Um eine Erweichung durch Erhitzung zu vermeiden, enthält Kupfer oft eine geringe Menge Silber oder Arsen, um die Erweichungstemperatur zu erhöhen. Anschließend wird die Platte geätzt, um eine Druckoberfläche mit verteilten konkaven und konvexen Punkten zu erhalten.

In automatischen Setzmaschinen werden Buchstabenformen aus Kupfer zur Herstellung von Klischeemodellen verwendet, ein weiterer wichtiger Verwendungszweck von Kupfer im Druck. Buchstabenformen werden in der Regel aus verbleitem Messing, manchmal auch aus Kupfer oder Bronze hergestellt.

(5) Pharmazeutische Erzeugnisse

In der pharmazeutischen Industrie werden verschiedene Dampf-, Siede- und Vakuumgeräte aus reinem Kupfer verwendet. Zinkweißes Kupfer wird häufig für medizinische Instrumente verwendet. Kupferlegierungen sind auch häufig verwendete Materialien für Brillengestelle und mehr.

Kupfer für Architektur und Kunst

(1) Rohrleitungssystem

Aufgrund ihres schönen Aussehens, ihrer Langlebigkeit, der einfachen Installation, der Sicherheit, des Brandschutzes, der Gesundheitsvorsorge und vieler anderer Vorteile haben Kupferwasserrohre einen offensichtlichen Preis-/Leistungsvorteil gegenüber verzinkten Kupferrohren und Kunststoffrohren. In Wohngebäuden und öffentlichen Gebäuden wird es zunehmend als bevorzugtes Material für die Wasserversorgung, Heizung, Gasversorgung und Sprinkleranlagen eingesetzt.

In den Industrieländern machen Wasserversorgungssysteme aus Kupfer bereits einen großen Anteil aus. Das Manhattan Building in New York, das nach eigenen Angaben das sechsthöchste Gebäude der Welt ist, verwendet allein für sein Wasserversorgungssystem 1.000 km Kupferrohre. In Europa ist der Verbrauch von Kupferrohren für die Trinkwasserversorgung sehr hoch.

Der durchschnittliche Verbrauch von Kupferrohren für Trinkwasser liegt im Vereinigten Königreich bei 1,6 kg pro Person und Jahr, während er in Japan bei 0,2 kg liegt. Verzinkte Kupferrohre korrodieren leicht, und viele Länder haben ihre Verwendung bereits verboten. Hongkong hat ihre Verwendung seit Januar 1996 und Shanghai seit Mai 1998 verboten. China muss unbedingt die Verwendung von Kupferrohrsystemen im Wohnungsbau fördern.

(2) Hausdekoration

In Europa ist es Tradition, Kupferplatten für Dächer und Dachrinnen zu verwenden. In den nordischen Ländern wird es sogar als Wandschmuck verwendet. Kupfer hat eine gute Korrosionsbeständigkeit gegen Witterungseinflüsse, eine lange Lebensdauer, ist wiederverwertbar, lässt sich gut verarbeiten und hat eine schöne Farbe, weshalb es sich sehr gut für die Dekoration von Häusern eignet.

Seine Verwendung in antiken Gebäuden wie Kirchen leuchtet auch heute noch hell auf, und seine Verwendung in modernen Großbauten, sogar in Wohnungen und Häusern, nimmt zu. Das Commonwealth Institute Building in London zum Beispiel, das die moderne britische Architektur repräsentiert, hat ein komplexes Dach aus Kupferplatten, das etwa 25 Tonnen wiegt. Das 1966 eröffnete Crystal Palace Sports Centre verfügt über ein wellenförmiges Dach aus 60 Tonnen Kupfer.

Statistiken zufolge liegt der durchschnittliche Verbrauch von Kupferplatten für Dächer in Deutschland bei 0,8 kg pro Person und Jahr, während er in den Vereinigten Staaten bei 0,2 kg liegt. Darüber hinaus ist die Verwendung von Kupferprodukten für die Inneneinrichtung, wie Türklinken, Schlösser, Scharniere, Geländer, Lampen, Wanddekorationen und Küchenutensilien, nicht nur langlebig und hygienisch, sondern verleiht auch eine elegante Atmosphäre und ist bei den Menschen sehr beliebt.

(3) Skulpturen und Kunsthandwerk

Es gibt kein Metall auf der Welt, das in so großem Umfang für die Herstellung von Kunsthandwerk verwendet werden kann wie Kupfer, das sich von der Antike bis in die Gegenwart gehalten hat. Im heutigen Städtebau werden zahlreiche Kupfergusslegierungen zur Herstellung von Denkmälern, Glocken, Schatzgefäßen, Statuen, Buddhas und antiken Imitationen verwendet.

Für moderne Musikinstrumente wie Flöten aus Weißmessing und Saxophone aus Messing werden ebenfalls Kupferwerkstoffe verwendet. Verschiedene exquisite Kunstwerke, billiger und gut aussehender vergoldeter Schmuck oder Gold-/Silberimitate erfordern ebenfalls die Verwendung von Kupferlegierungen mit unterschiedlichen Zusammensetzungen.

Der Tian-Tan-Buddha in Hongkong wurde 1996 fertiggestellt, besteht aus Zinn, Zink und verbleiter Bronze, wiegt 206 Tonnen und ist 26 Meter hoch. Der 1997 fertiggestellte Südsee-Guanyin-Buddha im Putuo-Berg in der Provinz Zhejiang ist 20 Meter hoch und wiegt 70 Tonnen. Es handelt sich um die erste riesige Kupferstatue der Welt, die aus Goldimitat hergestellt wurde.

Danach wurde in Wuxi eine Sakyamuni-Buddha-Statue aus Bronze mit einer Höhe von 88 Metern fertiggestellt. Höhere Buddha-Statuen sind auf der Insel Hainan, auf dem Berg Jiu Hua sowie in Indien und Japan im Bau.

(4) Münzen

Seit unsere menschlichen Vorfahren Münzen für den Handel verwendet haben, wurden Kupfer und Kupferlegierungen zur Herstellung von Münzen verwendet, die bis heute von Generation zu Generation weitergegeben wurden. Mit der Entwicklung moderner Aktivitäten wie automatische Münztelefone, Verkehrsmittel und Einkaufsmöglichkeiten, die den Menschen zugute kommen, hat die Verwendung von Kupfer für die Münzherstellung im Laufe der Zeit zugenommen.

Neben der Änderung der Abmessungen können verschiedene Legierungszusammensetzungen zur Herstellung und Unterscheidung von Währungen mit unterschiedlichen Nennwerten verwendet werden, indem man ihre Legierungsfarben ändert.

Zu den häufig verwendeten Münzen gehören "Silbermünzen" mit 25% Nickel, Messingmünzen mit 20% Zink und 1% Zinn sowie "Kupfermünzen" mit geringen Mengen Zinn (3%) und Zink (1,5%). Für die Herstellung von Kupfermünzen werden weltweit jährlich Zehntausende von Tonnen Kupfer verbraucht.

Allein die Royal Mint in London stellt jährlich siebenhundert Millionen Kupfermünzen her, wofür etwa siebentausend Tonnen Metall benötigt werden.

Anwendungen von Kupfer in der Hochtechnologie

Kupfer hat nicht nur eine breite Palette von Anwendungen in traditionellen Industrien, sondern spielt auch eine wichtige Rolle in aufstrebenden Industrien und High-Tech-Bereichen. Zum Beispiel:

(1) Computer

Die Informationstechnologie ist die Speerspitze der Hochtechnologie. Sie stützt sich auf das Werkzeug der modernen menschlichen Weisheit, den Computer, um die sich schnell verändernde und riesige Informationsflut zu verarbeiten und zu handhaben. Das Herzstück des Computers besteht aus einem Mikroprozessor (einschließlich einer arithmetischen Logikeinheit und einer Steuereinheit) und einem Speicher.

Diese Basiskomponenten (Hardware) sind allesamt groß angelegte integrierte Schaltungen mit Millionen von miteinander verbundenen Transistoren, Widerständen, Kondensatoren und anderen Bauteilen, die auf winzigen Chips verteilt sind, um schnelle numerische Berechnungen, logische Operationen und massive Informationsspeicherung durchzuführen.

Diese integrierten Schaltkreise müssen mit Hilfe von Leadframes und gedruckten Schaltungen zusammengesetzt werden, um zu funktionieren.

Wie im vorangegangenen Kapitel "Anwendungen in der Elektronikindustrie" erwähnt, sind Kupfer und Kupferlegierungen nicht nur wichtige Werkstoffe für Leadframes, Lote und Leiterplatten, sondern spielen auch eine wichtige Rolle bei der Verbindung der winzigen Komponenten integrierter Schaltungen.

(2) Supraleitfähigkeit und niedrige Temperaturen

Bei den meisten Materialien (mit Ausnahme von Halbleitern) sinkt der elektrische Widerstand mit abnehmender Temperatur. Wenn die Temperatur auf ein sehr niedriges Niveau sinkt, kann der Widerstand bestimmter Materialien vollständig verschwinden, was als Supraleitfähigkeit bezeichnet wird.

Die maximale Temperatur, bei der Supraleitung auftritt, wird als kritische Temperatur des Materials bezeichnet. Die Entdeckung der Supraleitung hat eine neue Grenze für die Stromnutzung eröffnet.

Bei einem elektrischen Widerstand von Null kann mit einer sehr kleinen Spannung ein sehr großer (theoretisch unendlicher) Strom erzeugt werden, der riesige Magnetfelder und Kräfte hervorruft, oder es gibt keinen Spannungsabfall oder Energieverlust, wenn Strom durch ihn fließt. Es liegt auf der Hand, dass seine praktischen Anwendungen die menschliche Produktion und das Leben verändern werden, und es hat viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen.

Bei gewöhnlichen Metallen tritt die Supraleitung jedoch erst auf, wenn sich die Temperatur dem absoluten Nullpunkt (0K = -273°C) nähert, was in der technischen Praxis schwer zu erreichen ist. In den letzten Jahren wurden einige supraleitende Legierungen mit höheren kritischen Temperaturen als bei reinen Metallen entwickelt.

Die Nb3Sn-Legierung zum Beispiel hat eine kritische Temperatur von 18,1 K. Ihre Anwendung hängt jedoch immer noch stark von Kupfer ab. Erstens müssen diese Legierungen bei ultratiefen Temperaturen arbeiten, die durch Gasverflüssigung erreicht werden, z. B. durch flüssiges Helium, Wasserstoff und Stickstoff mit Verflüssigungstemperaturen von 4K (-269°C), 20K (-253°C) bzw. 77K (-196°C).

Kupfer weist auch bei solch niedrigen Temperaturen noch eine gute Duktilität und Plastizität auf, was es zu einem unverzichtbaren Konstruktions- und Rohrleitungstransportmaterial in der Tieftemperaturtechnik macht.

Darüber hinaus sind supraleitende Legierungen wie Nb3Sn und NbTi spröde und lassen sich nur schwer zu geformten Werkstoffen verarbeiten, so dass Kupfer als Hüllmaterial erforderlich ist, um sie zusammenzuhalten.

Derzeit werden diese supraleitenden Materialien zur Herstellung starker Magnete in medizinischen Diagnosegeräten wie der MRT und leistungsstarker Magnetabscheider in einigen Bergwerken verwendet. Auch die geplanten Magnetschwebebahnen mit Geschwindigkeiten von über 500 km/h nutzen diese supraleitenden Materialien, um den Zug in der Schwebe zu halten und den Widerstand des Rad-Schiene-Kontakts zu vermeiden, wodurch ein Hochgeschwindigkeitsbetrieb der Waggons erreicht wird.

In jüngster Zeit wurden einige hochtemperatursupraleitende Materialien entdeckt, bei denen es sich zumeist um Verbundoxide handelt.

Eines der früheren und bekannteren Materialien ist bleihaltiges Oxid auf Kupferbasis (YBa2Cu3O7) mit einer kritischen Temperatur von 90 K, das bei Temperaturen von flüssigem Stickstoff funktionieren kann. Derzeit wurden noch keine Materialien mit kritischen Temperaturen in der Nähe der Raumtemperatur entwickelt, und diese Materialien lassen sich nur schwer zu großen Blöcken formen, und ihre Stromdichte, die die Supraleitfähigkeit aufrechterhält, ist nicht hoch genug für den Einsatz in Starkstromanwendungen. Daher sind weitere Forschungs- und Entwicklungsarbeiten erforderlich.

(3) Raumfahrttechnik

In Raketen, Satelliten und Space Shuttles werden neben mikroelektronischen Kontrollsystemen und Instrumenten auch viele kritische Komponenten aus Kupfer und Kupferlegierungen verwendet.

So kann beispielsweise die Innenauskleidung der Brennkammer und der Schubkammer eines Raketentriebwerks die hervorragende Wärmeleitfähigkeit von Kupfer zur Kühlung nutzen, um die Temperaturen innerhalb der zulässigen Bereiche zu halten.

Die Innenverkleidung des Ariane-5-Raketentriebwerks besteht aus einer Kupfer-Silber-Legierung für 360 Kühlkanäle, die beim Raketenstart mit flüssigem Wasserstoff gekühlt werden. Darüber hinaus sind Kupferlegierungen auch Standardwerkstoffe für tragende Komponenten in Satellitenstrukturen. Die Solarpaneele von Satelliten werden in der Regel aus Kupferlegierungen hergestellt, die mehrere andere Elemente enthalten.

(4) Hochenergiephysik

Die Entschlüsselung des Geheimnisses der Struktur der Materie ist ein wichtiges wissenschaftliches Grundproblem, das die Wissenschaftler anstreben. Jeder Schritt auf dem Weg zum Verständnis dieses Problems wird erhebliche Auswirkungen auf die Menschheit haben. Die derzeitige Nutzung der Atomenergie ist ein Beispiel dafür.

Die neueste Forschung in der modernen Physik hat herausgefunden, dass die kleinste Einheit der Materie nicht Moleküle und Atome sind, sondern Quarks und Leptonen, die milliardenfach kleiner sind. Die Erforschung dieser fundamentalen Teilchen erfordert oft hohe Energien, die Hunderte Male größer sind als die nuklearen Effekte zur Zeit der Atombombenexplosionen, die so genannte Hochenergiephysik.

Diese hohe Energie wird erreicht, indem geladene Teilchen über lange Strecken in einem starken Magnetfeld beschleunigt werden, indem sie ein festes Ziel "bombardieren" (Hochenergiebeschleuniger) oder indem zwei Teilchenströme, die in entgegengesetzte Richtungen beschleunigen, zusammenstoßen (Collider).

Zu diesem Zweck wird Kupfer verwendet, um einen Kanal für ein starkes Magnetfeld über große Entfernungen als Wicklungsstruktur zu konstruieren. Außerdem werden ähnliche Strukturen in kontrollierten thermonuklearen Reaktionsvorrichtungen benötigt. Um die durch den Durchgang großer Ströme verursachte Wärmeentwicklung zu verringern, werden diese Magnetkanäle aus hohlförmigen Kupferstäben gewickelt, damit Kühlmittel eindringen kann.

Der wassergekühlte Magnet des berühmten Protonen-Synchrotron-Beschleunigers des Europäischen Laboratoriums für Teilchenphysik (CERN) besteht beispielsweise aus etwa 300 Tonnen stranggepresstem Kupfermaterial, das zu hohlen Kupferrohren gewickelt ist.

Für den 1984 in China gebauten Schwerionenbeschleuniger wurden insgesamt 46 Tonnen Rohrmaterial verwendet, jeweils 40 Meter lang mit einem Außendurchmesser und einem Innenkreis. Für den später gebauten Positron-Elektron-Collider wurden Kupferrohre mit einem Gewicht von 105 Tonnen verwendet.

In der in China entwickelten kontrollierten thermonuklearen Reaktionsvorrichtung gibt es insgesamt 16 Fokussierungsspulen, von denen jede mit einem 55 Meter langen Kupferstab bewickelt ist. Die Hülle ist aus Kupferplatten geschweißt, an die Kühlwasserrohre angeschweißt sind. Insgesamt wurden für dieses Gerät 50 Tonnen Kupfer verwendet.

Anwendungen von Kupferverbindungen

Zu den Kupferverbindungen gehören Kupfersulfat (Pentahydrat, Monohydrat und wasserfrei), Kupferacetat, Kupferoxid und Kupferoxid, Kupferchlorid und Kupferchlorid, Kupferoxychlorid, Kupfernitrat, Kupfercyanid, Kupferfettsäuresalze, Kupfercyclohexancarboxylate usw.

Sie finden breite Anwendung in der Landwirtschaft, der Industrie, der Medizin, der Gesundheitsfürsorge und anderen Bereichen. Am häufigsten wird Kupfersulfat verwendet, in der Regel Pentahydrat-Kupfersulfat (CuSO4-5H2O), das wegen seiner blauen Farbe auch als blaues Vitriol bekannt ist. Es wird häufig als Rohstoff für die Herstellung vieler anderer Salze verwendet.

Die Geschichte der Verwendung von Kupferverbindungen durch den Menschen lässt sich bis vor mehr als 5.000 Jahren zurückverfolgen, als die alten Ägypter feststellten, dass Kupfersulfat ein gutes Beizmittel (Färbemittel) zum Färben war.

Statistiken zufolge gibt es derzeit weltweit mehr als hundert Fabriken, die Kupfersulfat herstellen, mit einem jährlichen Verbrauch von etwa 200.000 Tonnen, von denen drei Viertel in der Landwirtschaft und der Tierhaltung als Fungizid verwendet werden.

Anwendungen von Kupferverbindungen in Landwirtschaft und Tierhaltung

Kupferverbindungen sind wirksame Fungizide, die alle durch Schimmel oder Pilze verursachten Krankheiten bekämpfen können. Neben dem direkten Einweichen von Saatgut mit Kupfersulfat werden in Obstplantagen und auf Feldern häufig verschiedene Kupfersalzmischungen verwendet.

Die wichtigsten sind das Bordeaux-Gemisch (Kupfersulfat-Kalk-Gemisch), das nach der berühmten französischen Weinregion benannt ist, und das Burgunder-Gemisch (Kupfersulfat-Soda-Gemisch), sowie Pariser Grün und Cuprokill, usw.

Berichten zufolge können Kupferfungizide mehr als 300 Arten von Krankheiten verhindern, die häufig bei über hundert Kulturpflanzen auftreten. Zu diesen Kulturen gehören verschiedene mehrjährige Obstbäume wie Weintrauben, Orangen, Bananen, Äpfel, Birnen, Pfirsiche usw.; Wirtschaftspflanzen wie Kaffee, Kautschuk, Baumwolle, Zuckerrüben usw.; Getreide wie Weizen, Reis, Mais, Gerste, Hafer usw.; Bohnen, Tomaten, Kartoffeln, Salat und so weiter.

Kupfer ist auch ein notwendiger Spurennährstoff für das gesunde Wachstum von Nutzpflanzen und Vieh. Wenn der verfügbare Kupfergehalt in Ackerböden weniger als 2ppmm (1ppmm entspricht einem Prozent) beträgt, leiden die Pflanzen im Allgemeinen unter Kupfermangel, was zu Ertragseinbußen oder sogar zum Ausfall des Wachstums führt. Wenn der verfügbare Kupfergehalt im Weideboden weniger als 5ppmm beträgt, leidet auch das Vieh an Kupfermangelkrankheiten.

Der weit verbreitete Einsatz von Düngemitteln, die wenig oder kein Kupfer enthalten, hat zu einer Verschlechterung der Bodenqualität und zu dem weltweit zunehmenden Problem des Kupfermangels geführt, das durch die intensive Bewirtschaftung mit hohen Erträgen verursacht wird.

Um Kupfermangel zu beheben und zu verhindern, sollten Kupfersalze rechtzeitig zugeführt werden. Sie können direkt zugesetzt oder mit stickstoff- und phosphorreichen Düngemitteln gemischt werden, zur Verbesserung der Bodenqualität mit langfristiger Wirkung ausgebracht oder jedes Jahr auf die Setzlinge von Kulturpflanzen gesprüht werden. In der Tierhaltung können Kupfersalze nicht nur zur Verbesserung der Weideflächen eingesetzt werden, sondern auch dem Futter beigemischt oder direkt an Tiere mit Kupfermangelerscheinungen verabreicht werden.

Kupfersulfat ist auch ein Wachstumsförderer für Schweine und Hühner, der deren Appetit steigern und die Futterverwertung fördern kann. Die Beimischung von 0,1% Kupfersulfat im Futter kann die Gewichtszunahme von Schweinen und Masthähnchen erheblich fördern. Kupferionen haben eine starke desinfizierende und sterilisierende Wirkung und können die Ausbreitung einiger verbreiteter Viehkrankheiten verhindern.

So kann beispielsweise eine geringe Menge Kupfer im Wasser (weniger als lppm) Schnecken abtöten, auch solche, die den Blutegelparasiten beherbergen, und so die Leberegelkrankheit verhindern, die bei Tieren in den Tropen und gemäßigten Zonen leicht vorkommt. Kupfersulfat kann auch zur Desinfektion von Ställen verwendet werden, um die Ausbreitung von Fußfäule bei Rindern und Schafen sowie von Schweinerotlauf und Rinderruhr zu verhindern.

Außerdem können Kupfersalze zur Beseitigung der lästigen Grünalgenverschmutzung in Teichen, Reisfeldern, Kanälen und Flüssen eingesetzt werden. Kupfersalze können auch als Schimmelbekämpfungsmittel und Konservierungsmittel für die Lagerung von Getreide, Obst und Gemüse verwendet werden. Eine bequeme Methode besteht darin, sie in mit Kupfersalz getränktes Papier einzuwickeln.

Anwendungen von Kupferverbindungen in der Industrie

Kupferverbindungen finden in der Industrie vielfältige Anwendung und werden mehr oder weniger in fast allen Bereichen eingesetzt. Hier sind einige Beispiele:

Kupfersulfat ist ein häufig verwendetes Beizmittel in Färbeprozessen, um die Haltbarkeit und Waschbeständigkeit von Glanz zu verbessern, und wird häufig in der Textil- und Lederindustrie eingesetzt. Kupferverbindungen haben Farben wie Blau, Grün, Rot, Schwarz usw. und können als Färbemittel für Glas, Keramik, Zement und Emaille verwendet werden. Sie sind auch Bestandteil bestimmter Haarfärbemittel.

Kupfernitrat, das Feuerwerkskörpern zugesetzt wird, erzeugt grünes Licht, usw. Farben, denen Kupferverbindungen zugesetzt sind, haben Anti-Biofouling-Eigenschaften für das Meer. Einige organische Kupferverbindungen sind wirksame Konservierungsmittel, die zum Schutz vor Korrosion in Zellstoff, Holz, Holzprodukten, Segeltuch und anderen Stoffen eingesetzt werden.

Bestimmte Kupferverbindungen sind wichtige chemische Hilfsmittel bei der Herstellung von Gummi, Erdöl und synthetischen Fasern und spielen eine Rolle bei der Katalyse und Reinigung.

Kupfersulfat-Elektrolyt wird zum Verkupfern, zur Herstellung von elektrolytischer Kupferfolie und zur Reinigung von Kupfer verwendet.

In der Bergbauindustrie wird Kupfersulfat als Aktivator für die Flotation von Mineralien wie Blei, Zink, Aluminium und Gold verwendet.

Anwendungen von Kupferverbindungen in der menschlichen Gesundheit

Kupfer ist ein essentieller Spurennährstoff für die menschliche Gesundheit, der für das Blut, das zentrale Nervensystem und das Immunsystem, die Entwicklung und Funktion von Haaren, Haut und Knochengewebe sowie für die inneren Organe wie Gehirn, Leber und Herz wichtig ist.

Kupfer wird hauptsächlich über die tägliche Ernährung aufgenommen. Die Weltgesundheitsorganisation empfiehlt, dass Erwachsene 0,03 Milligramm Kupfer pro Kilogramm Körpergewicht pro Tag zu sich nehmen sollten, um gesund zu bleiben.

Schwangere und Kleinkinder sollten die doppelte Menge zu sich nehmen. Kupfermangel kann zu verschiedenen Krankheiten führen, und Kupferpräparate und -tabletten können zur Ergänzung eingenommen werden. Kupferionen können desinfizieren und sterilisieren und sind nützlich für die Krankheitsprävention und Hygiene.

So können sie beispielsweise Bakterien wie E. coli und Ruhr im Wasser abtöten, Schnecken und Nacktschnecken, die Bilharziose verbreiten, und Mückenlarven, die Malaria übertragen, beseitigen.

Sie können auch in Schwimmbädern eingesetzt werden, um die Verunreinigung durch Grünalgen und die Ausbreitung von Fußpilz über den Boden usw. zu verhindern. Kupferverbindungen können zur Behandlung bestimmter Krankheiten eingesetzt werden. Es ist bekannt, dass das Tragen eines Kupferrings Arthritis behandeln kann.

Kupfersulfate wurden in einigen westlichen Ländern zur Behandlung von Lungen- und Geisteskrankheiten eingesetzt, während sie in einigen afrikanischen und asiatischen Ländern zur Behandlung von Geschwüren und Hautkrankheiten verwendet wurden. Derzeit werden kupferhaltige Medikamente entwickelt.