1️⃣

Поговорим о металлах, которые наиболее часто встречаются в кабелях.

Медь. В электротехнике медь занимает главенствующее положение. Относительно невысокая цена при отличных показателях электропроводности, теплопроводности и устойчивости к коррозии, делают её незаменимой в изготовлении кабельной продукции. Более половины всей выплавляемой в мире меди идет на изготовление кабельной проволоки, разъемов, плат и, прочей электротехники и электроники. Только серебро может тягаться с медью по проводимости, но сильно превосходит её по цене. Остальные металлы, такие как олово, алюминий, золото, железо и никель, обладают значительно большим электрическим сопротивлением, чем медь. Плотность меди составляет 8,96 г/куб.см при +20С; Температура плавления +1083С. Стоимость около 10тыс. долларов за тонну.

Серебро на 8% лучше меди проводит электрический ток, поэтому серебряные кабели очень ценятся аудиофилами. Оксид серебра, образующийся на поверхности проводника имеет такую же электропроводность, как и чистое серебро. Это свойство дает серебру преимущество перед медью, поверхностный окисел которой гораздо хуже проводит ток. Покрывая медную проволоку серебром, можно улучшить проводимость кабеля за относительно небольшие деньги. На заметку: серебро играет важную роль в кабельном производстве, прежде всего как защитное покрытие медной проволоки от химического воздействия диэлектрика (например, тефлона).

Золото, несмотря на свое благородство, почти на 50% проигрывает меди по показателю электропроводности. Золотом покрывают поверхности латунных или бронзовых разъемов (медных трасс в электронике) для предотвращения образования оксидной пленки на их поверхности.

Алюминий. Cопротивление этого металла на 70% выше медного, но все же он занимает устойчивую позицию в кабельном производстве, так как стоит гораздо дешевле меди. Тем более, что инженеры научились алюминиевую жилу протаскивать через медную трубку и обжимать её это таким образом, что получается монолитная жила из омедненного алюминия (10-15% меди от общего веса) с хорошей электропроводностью, достаточно гибкая, дешевая и легкая, что сразу же оценили авиационные инженеры. Акустические кабели из омеднённой меди (ССА), фото вверху, применяются в недорогих проектах по озвучиванию больших помещений.

Олово - неизменный спутник меди во многих сплавах (латунях). Уступает ей по проводимости более чем в 6 раз. Покрытые оловом медные кабели (TC) очень популярны на рынке. Олово увеличивает срок службы кабеля, создает комфорт при пайке и защищает медный проводник от воздействия изоляции.

Железо. Сопротивление железа выше медного в 7 раз. Однако, покрыв медью стальную жилу, можно изготовить дешевые и очень прочные электрокабели. Некоторые дешевые аудио кабели могут быть изготовлены из омеднённой стали (CCS). Из CCS изготавливают витые пары Cat5e и телевизионные коаксиальные кабели. Высокие частоты, которые распространяются практически по поверхности проводника (скин-эффект) не касаются стального сердечника и затрагивают в основном медную поверхность.

Как видим, медь самый главный металл в кабельном производстве. Откуда берется она и как из неё делают проволоку? Попробуем разобраться с самого начала.

Карьер.  Представим себе огромную воронку диаметром в четыре километра и в пару сотен метров в глубину, где-нибудь в жаркой Аризоне. Серпантин дороги винтом уходит глубоко вниз на дно карьера. Взрыв породы. Огромный экскаватор с ковшом в 25 кубов наваливает куски халькопирита в 300-тонный грузовик - haul truck.  Десятки таких машин вывозят породу на поверхность.  На самом деле, в кузове грузовика всего полтора процента меди от общей массы загрузки. Везти далеко нет смысла, необходимо тут же размельчить породу для извлечения ценного металла.

Дробление. Породу размельчают  в стальных дробилках в несколько этапов с промывкой водой от песка и грязи недалеко от карьера. В результате измельчения получают шламовую суспензию с частицами диаметром 0.25мм.

Концентрат. Шлам разбавляют водой, добавляют химикаты и пенообразующий реагент. Все это в огромном чане перемешивается с подачей пузырьков воздуха. Химические реагенты обволакивают частички металлов и с пузырьками воздуха выносятся на поверхность.  На поверхности воды постепенно скапливается концентрат - пена, содержащая 25-35% меди в виде различных соединений с серой, железо, немного серебра и золота. Концентрат сушат и продают металлургическим заводам, которые в процессе плавки выделяют из него чистую медь и остальные полезные металлы.
 

Выплавка меди. Доставленный на металлургический комбинат концентрат, загружают в печь с добавлением флюса из кремнезёма и струи кислорода. В расплаве сульфид меди скапливается на дне печи, а на поверхности его плавает железо и шлак, которые удаляются скребком.  Серу, как побочный продукт плавления, используют для производства серной кислоты. Все что скопилось на дне печи, называют штейном. Он уже содержит 60% меди от общего веса. Далее, расплавленный штейн заливают во вторую печь – конвертер, где опять добавляют кремнезём и продувают кислородом. В результате получается практически чистая медь – 99%.

Огневое рафинирование меди. Полученную конвертерную медь нагревают в специальной печи, продувают воздухом, добавляют химикаты, которые выводят из расплава мышьяк и сурьму. Результат – 99.5% меди.

Электролитическое рафинирование меди. Далее полученную медь разливают в формы квадратного сечения. Остывшие листы (анод) помещают в 1250 ванн из полимерного бетона для проведения процесса электролиза в растворе кислоты и сульфата меди с пропусканием электрического тока. На отрицательном полюсе (катоде) через пару недель оседает чистая медь в виде 136 килограммовых катодных листов, имеющая степень очистки 99.95-99.99%. В процессе электролиза примеси остаются на дне раствора в виде шлама. Некоторые из них, такие как золото, серебро, теллур и селен извлекаются и идут на продажу. Полученные катодные листы переплавляются и разливаются в различные формы, (чушки, прутки, листы) удобные для производства тех или иных изделий. Данная медь называется электролитической катодной или бескислородной (oxygen-free copper). Марка этой меди С10100 по системе Американской Ассоциации Содействия Развитию Промышленности Медных Сплавов – CDA. В России бескислородная медь маркируется как М00б и М0б, ГОСТ 859-2001.   
В начало главы

2️⃣

Кристаллическая решетка меди. Представим себе микроскопический куб размером 0.36х0.36х0.36 нанометров. В каждой вершине этого куба и в центре каждой его грани находится атом меди. Всего этот кубик содержит 14 атомов меди. Это элементарная ячейка кристаллической решетки меди. Именно эти кубики составляют жидкую фазу расплавленной меди. При остывании, то есть с уменьшением энергии расплава, межатомные связи сцепляют кубики в кристаллическую решетку. Эта решетка получается неупорядоченной, поликристаллической. Кубики тут необязательно сцепляются ровно грань к грани. Появляются развороты по осям, пустоты между гранями кубиков и т.д. Возникают целые области в структуре металла, в которых упорядоченность кубиков имеет определённую закономерность. Области (зерна) с разными закономерностями упорядоченности, касающиеся друг друга, образуют видимую под микроскопом ярко выраженную границу. Это есть граница между зернами кристаллической решетки меди.