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第20章 金的工业价值及用途(1)

一、金在电子工业的应用

金具有独一无二的完美性质。它具有极高的抗腐性和稳定性;良好的导电性和导热性;金的原子核具有较大捕获中子的有效截面;对红外线的反射能力接近100%;在金的合金中具有各种触媒性质;金还具有良好的工艺性,极易加工成超薄金箔、微米金丝和金粉;金很容易镀到其他金属和陶器及玻璃的表面上,在一定压力下金容易被熔焊和锻焊;金可制成超导体与有机金等。正因为有这么多有益性质,使它有理由广泛用到最需要的现代高新技术产业中去,如电子技术、通信技术、宇航技术、化工技术、医疗技术等。

众所周知,现代各项科学技术的发展都离不开电子工业,而且还占有重要地位,如电子信息、航空航天、仪表仪器、计算机、收音机、电视机、集成电路等,都是电子工业飞跃发展的结果,而电子工业与黄金及其他贵金属的应用是密不可分的。电子元件所要求的稳定性、导电性、韧性、延展性等,黄金和它的合金几乎都能一并达到要求。所以黄金在电子工业中的用量占工业用金的90%以上,而且用量在年年增长。

在电子工业中,黄金被广泛用作电接触材料、电阻材料、测温材料和厚膜浆料(通常是指在厚膜工艺制作集成电路时,由丝路网漏印法涂覆于陶瓷基体上,再经烧制而在基体上形成导体、电阻和介质膜的一种材料)。如用金或金基合金作开关接点和滑动接触材料;在金钯铁合金中再加铝、钛、镓、钼等元素,可得到高电阻系数、低温度系数的电阻材料;用金、银、铂、钯、铱、铑组成合金,可作测温元件,如PtRh10-AuPd40热电偶用做航空测温仪表;金钯系浆料,可用于高度可靠性或多层厚膜的电路上。

1.电触点材料

在现代化通信系统、控制系统及电子计算机系统中,虽然其结构紧凑,器件微型化。但尚应保证进行必要检查的可能性。在这方面采取个别零件和元件可拆卸结构,在技术上是合理的。对可靠性和使用寿命提出更高的要求,自然提出研究新型触点的必要性与重要性。由于零件布置紧凑和单位体积的能量储备增大,在通信系统中提高系统的有温载荷。在研制触点材料时必须考虑与周围环境相关的一些因素,如优良导电性,稳定的电阻以及优良的耐蚀性,可加工性,热稳定性等。由于金及金的合金具有上述优良性质,被广泛地应用于电于工业触点的制作。在长期的使用中,即使在多变的环境里,也能保证在微弱的电流转换及很小接触压力时具有优良的接触可靠性。

金及金合金用在电触点材料的种类也在不断增多。如铆钉型复合电触点材料以贵金属及合金为复层,铜为基体材料制造的双金属复合触点;在低压电器,仪器仪表等产品中用作小型负荷的开关,继电器等的电触点;通信设备用触点材料;金银镍合金触点材料用作滑动电触点,品种有薄板、带材、棒材和丝材;金钯合金材料,包括带材、棒材和丝材;金合金触点材料一般被制成带材、棒材和丝材。

由于金及金合金的可镀性、高塑性及良好的加工性能,可采用压制、电镀、包复、电沉积等方法制作各种不同类型、不同用途电触点,如用金铂、金铜、金银铟可制作通信设备用触点、滑动触点;用金镓制成的电话继电器触点,耐磨而且能保证信号的传递:用金钯制作高强度、耐腐蚀电触点;用金铜钯制作高弹性触点;金广泛用在铁磁合金制作的舌片触点(舌簧管);采用弥散氧化物(0.05微米弥散颗粒状氧化钍)能明显地提高金的机械性能,这种材料耐热、抗氧化并有较强的机械性能,可用于制作高温下工业用继电器触点,金铜锌形状合金用作特殊用途导线融触头。

2.导电材料

金丝、金箔、用金粉压制成的部件、金的合金、包金合金材料(如包金玻璃、包金陶瓷、包金石英)等被作为导体材料广泛用于电子设备、半导体器材和微型电路中做导体材料。如半导体集成电路的制作,半导体集成电路引线框架是用引线框架材料经高速冲床冲制而成,合格的引线框架经清洗、局部镀金(镀金层厚度不小于1微米)、装入芯片、键合引线、封装等工序才能制成半导体集成电路。金和金合金用于电子行业作内引线和外引线,如半导体器件键合金丝(根据GB/T87501997)。日本某大学原子能研究所秋洪良三发现金晶体堆积,可构成超导薄膜。

3.金基焊料

金基焊料有许多宝贵的性质,仅仅是因为金的价钱昂贵而限制了它的工业中的大量应用。随着电子工业、真空技术、原子能装置、飞机及火箭用的喷气发动机、宇航装置等新结构材料研制工作的发展,金基焊料的应用范围变得更为宽广了。

金基焊料的性质要求主要是湿润性能、焊接的强度、耐热性、耐蚀性、溅射性及工艺性能。

电子工业是金铜焊料的主要用户,用于焊接波导管、集成电路、半导体电子管、无线电设备、真空仪表。金铜共熔型合金流动性好,充填小缝隙的能力强,对铜、铁、镍、铝、锰、钨等金属及合金都有很好的润湿性。与焊接金属有节制的相互间的化学作用,不破坏焊缝的尺寸,不造成焊接件强度下降。当焊接真空焊缝时,在低气压下金铜焊料不会出现任何问题。金铜焊料还用于钎焊大功率磁控管的大多数零件,可焊接铜、锰、镍、黄铜、孟奈尔等合金零件。这样的焊料加入1%的铁,可防止与有序化有关的组织变化及体积的变化。在加入具有低气压的铟时可明显地降低金铁焊料的液相线温度。

在电子工业中很多情况下,钎焊零部件时使用共熔的或接近共熔的金镍焊料,具有结实的焊缝及抗蠕变的稳定性,加铬有抗氧化性,广泛用于航空及火箭技术中,在高温下要求有高强度的焊接。

在半导体集成电路装配中广泛采用金基焊料做钎焊。为了改善半导体仪表导热,将其安装在金属底板上。因为半导体材料具有固定形式(n型、p型)的传导性,则焊料也必须有同样形式的传导性,具有p型的焊接是采用ⅢA族元素配制的,如金硼、金铟、金镓等。具有n型的焊料则采用ⅤA族元素配制的,如金砷、金锑等。也采用具有易熔共晶的传导性的焊料。具有特殊传导性的金基焊料在半导体间具有良好的电接触,而低熔点保证了它在钎焊过程中的工艺性能。

4.电子浆料

1960年兴起的集成电路发展甚快。1967年和1977年先后有大规模集成电路和超大规模集成电路问世。集成电路不仅成了各种先进技术的基础,而且是现代信息社会的关键技术,它的发展带动了贵金属粉末在微电子工业中大规模应用,使贵金属电子浆料成为微电子工业的重要基础。电子浆料常用金粉、银粉、铂粉、纪粉等。各种浆料用粉粒度在0.1~100微米,但大部分在0.5~5微米,浆料贵金属粉末形态大多是球状、片状、鳞片状。采用化学或有机化合物的分解、化学还原法,满足高密度、高信赖度、高重现性等高品质的要求。浆料用贵金属需用量很大,例如新型片式电子元件中所需电极浆料、多层布线导体浆料、印刷电路板导体浆料、电磁屏蔽膜浆料等。按1999年世界片式电子元件产量估算,单是这一类元件所需贵金属粉末就达1000吨。

二、金在仪器仪表制造业的应用

随着科学技术的发展,对各种仪器仪表的要求也越来越高。金在各种精密自动化仪器上的应用也占有越来越重要的位置。

工业用测量及控制设备上,以脉冲变线位移和角位移的绕线电位计被广泛使用并占有重要位置。电位质量是测量控制系统工作精度的决定因素。由于这个原因,往往要求这种设备在各种工业环境、不同温度下长期工作并具有高度可靠性。这也是采用金或金合金作为精密电位计关键材料的原因。

在测试技术中应用的精密电位计的某些部分材料有很高的比电阻,以及小到接近于零的电阻温度系数,以致电阻在工作时是常数(保持常数的难度非常大)。金钯铬合金、金钯锰合金、金钯钒合金、金钯铁合金除能满足上述要求外,在加工的机械性能、热稳定性等各方面都达到了较好的水平。

工业上测量温度常采用热电偶和电阻温度计。热电偶是由两种不同成分的金属丝组成,由于测量点的冷端间的温度差引起能用毫伏计测量出的热电势,是基于温度的热电势的变化来测量温度的,因此对材料的热稳性要求是很严格的。

金钯合金常用做某种型号热电偶元件。金(40%)、钯和铂(10%)或铟铑配对时产生很大热电势,这种热电偶可在1000℃的空气中使用;在航空技术中控制温度,使用金(40%)、钯和铑(10%)热电偶效果最好,甚至在1000℃经过1000小时后它的误差只有0.1~0.2度;用金(35%)钯合金钱做负极,用钯(83%)、铂(14%)、金(3%)合金做正极,组成的热电偶用于测量涡轮喷气技术中的进口气体温度。如果用钯(55%)、铂(31%)、金(14%,此处的金必须用纯金)的合金做正极效果更好。具有很高的疲劳强度,可在900℃~1300℃长时间处于空气或氧化气氛下。

在测量液氢范围低温时,测量的精确度是非常重要的。在很低的温度(4K以下)范围内测量温度时,采用金钴和金银制造的热电偶可用于测量4K~300K的温度范围。金的合金还用在水压表的测量材料上,如金铝合金用于制作测静压下的水压计。

三、金在宇航工业的应用

金在宇航工业中的应用也在不断的发展和开拓之中,其速度之快令人惊讶。金以它的抗腐性、抗热性,优良的导热、导电性,独特的化学性质在宇航领域中占有重要位置。

金在宇航工业中的应用量大、范围广。从航天器、运载工具的制造到宇航的系统控制等,都离不开信息、测量、遥感、定位、计算机、摄影、仪表等各方面的器材,而其中成千上万的电子元件、仪表、特殊材料又都离不了金。在航空航天工业中,黄金主要用做焊、镀材料。如用AuNi18合金钎焊航空发动机的叶片;镀金用在各种宇航仪表上可以防止太阳的辐射,即可以反射掉98%以上的红外线,如美国“阿波罗”号宇宙飞船上的仪表及部件都采取镀金处理;在宇航服上镀一层万分之二毫米厚的黄金,就可免受辐射和太阳热;美国“甲虫”号宇航站的外壳加装了铝镀金塑料的隔热反射屏,就使站内温度由43℃降到24℃。

低蒸汽金基焊料,用于焊接电子元件的真空密闭隙缝和熔接宇航工业中的各种部件。如用在宇航装置的燃料部件上,采用金镍焊料钎焊了美国“阿波罗”登月飞船发动机的燃料导管,用它钎焊了1046条直径为4.7~50.8毫米、壁厚为0.1~0.5毫米的不锈钢管缝。只有使用这种焊料可保证过氧化氮——火箭燃料氧化剂相互作用的稳定性。

镀金用在各种宇宙仪表上防止太阳的辐射。“阿波罗”的一些宇宙飞船上的零件和宇宙飞行员的装备也是为了这一目的而镀了金。由于金具有高反射率兼低辐射率的特殊性能,所以金往往用在防止辐射的场合,如喷气式发电机油嘴,宇宙装置燃料部件及热反射器。金也用在喷气发动机和火箭发动部件涂金防热罩或热遮护板。美国一公司研制了一种在飞机发动机外壳上喷镀黄金的方法,喷镀层的厚度不超过0.04微米,这使得这种发动机的性能大大提高。抗辐射、耐高温、不腐蚀的金铂合金用于喷气式发动机、火箭、超音速飞机引擎火花室材料。

四、金在核工业的应用

金以它特有的核性能应用于原子能工业中。由于它有极好的抗化学腐蚀性能,在核反应堆的部件表面镀一层光滑无孔的金层(厚度约为50~127微米)以防止零件腐蚀。在原子反应堆的铀棒上涂镀金,可抗辐射。

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