21.08.2023 von Aileen Sammler, Dr. Dmitry Sergeev
Metallischer Trend: Die Thermophysikalischen Eigenschaften von Kupfer und seinen Legierungen
Kupfer verfügt über eine außergewöhnliche elektrische und thermische Leitfähigkeit und zählt gleich nach Silber zu den besten Leitern. Studien zeigen einen massiven Anstieg bei der Beschaffung von Kupfer und Kupferlegierungen, zu denen Materialien wie Bronze, Messing und andere Legierungen gehören. Sie werden vor allem in der Luft- und Raumfahrt, im Maschinenbau und in der Komponentenproduktion eingesetzt.
Der Steigende Bedarf an Kupfer
Kupfer verfügt über eine außergewöhnliche elektrische und thermische Leitfähigkeit und zählt gleich nach Silber zu den besten Leitern. Ein kürzlich veröffentlichter Bericht von S&P Global prognostiziert, dass der weltweite Bedarf an Kupfer bis 2035 sprunghaft ansteigen und sich gegenüber dem heutigen Stand von 25 auf 50 Millionen Tonnen verdoppeln könnte. Weitere Studien zeigen ebenfalls einen massiven Anstieg bei der Beschaffung von Kupferlegierungen, zu denen Materialien wie Bronze, Messing und andere Legierungen gehören. Sie werden vor allem in der Luft- und Raumfahrt, im Maschinenbau und in der Komponentenproduktion eingesetzt.
Heute ist Kupfer auch für moderne Innovationen wie elektrische Maschinen, nachhaltige Energieinfrastrukturen, elektronische Geräte und fortschrittliche Kühl- und Wärmeübertragungssysteme von zentraler Bedeutung. Darüber hinaus findet es Verwendung in der Automatisierung, Robotik, Rechenleistung und schnellen Energieübertragung.
Faktoren, die den Kupferverbrauch verstärken
- Elektrische Infrastruktur: Die elektrische Leitfähigkeit und Langlebigkeit von Kupfer macht es zu einem bevorzugten Material für elektrische Systeme in Haushalten und Industrie.
- Erneuerbare Energien: Der Übergang zu erneuerbaren Energiequellen führt zu einem Anstieg des Kupferverbrauchs, da Solar- und Windenergiesysteme deutlich mehr Kupfer benötigen als herkömmliche, mit fossilen Brennstoffen betriebene Systeme.
- Elektroautos und -lastwagen: Die zunehmende Zugänglichkeit und die verbesserten Batterietechnologien haben den Absatz von Elektrofahrzeugen bereits angekurbelt. Da jedes Elektroauto und jeder Lastwagen deutlich mehr Kupfer verbraucht als herkömmliche Verbrennungsmotoren, deutet der Anstieg der Produktion von Elektrofahrzeugen auf einen erhöhten Kupferbedarf hin.
- Medizinische Versorgung: Kupfer wird in der Medizintechnik nicht nur wegen seiner hohen elektrischen Leitfähigkeit eingesetzt, die für verschiedene medizinische Geräte sehr wichtig ist, sondern auch aufgrund seiner natürlichen antibakteriellen Eigenschaften.
Die Thermophysikalischen Eigenschaften von Kupfer und seinen Legierungen
Die hervorragenden thermophysikalischen Eigenschaften von Kupfer und seinen Legierungen tragen dazu bei, dass es in verschiedenen Branchen wie der Elektronik, der Elektrotechnik, der Luft- und Raumfahrt, der Automobilindustrie und der Wärmeübertragung weit verbreitet ist. Dessen Charakteristika sind ebenfalls für die technische Konstruktion und die Materialauswahl von entscheidender Bedeutung, um eine optimale Performance bei bestimmten Anwendungen zu erreichen.
Obwohl die Haupteigenschaften von reinem Kupfer bereits bekannt sind, besteht nach wie vor ein großer Bedarf an der weiteren experimentellen Bestimmung der mechanischen, thermodynamischen und thermophysikalischen Eigenschaften seiner Legierungen und Zwischenverbindungen sowie des Kupfers in Sonderformen, beispielsweise als Dünnschicht oder mit unterschiedlichen Korngrößen. (Abb. 1)
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Eine Methode zur Bestimmung der TemperaturleitfähigkeitDie Temperaturleitfähigkeit (a mit der Einheit mm2/s) ist eine materialabhängige Stoffeigenschaft zur Charakterisierung des instationären Wärmetransports. Sie gibt an, wie schnell ein Material auf eine Temperaturänderung reagiert.Temperaturleitfähigkeit von Kupfer und seinen Legierungen ist die Laser-Flash Analyse (LFA). Sie liefert schnelle und genaue Messungen über einen großen Temperaturbereich.
Die LFA kann auch bei Dünnschichten und kleinen Proben angewendet werden, was bei modernen Technologieanwendungen, bei denen Kupfer in solchen Formen vorkommt, von großem Vorteil ist. Hier bietet sich der Einsatz der Time Domain Reflectance Methode PicoTR/NanoTR für besonders dünne Schichten an.