浅析单晶锡的应用

　　摘要：介绍了单晶金属与多晶金属的塑性变形机理。综述了目前锡箔及焊锡丝的使用弊端。经分析认为单晶锡更适合制备高质量的锡箔、焊锡丝。
　　关键词：单晶，锡箔，焊锡丝
　　前言
　　锡具有独特的性质：低熔点、无毒、耐腐蚀、具有优良的展性、以及外表光亮美观等，锡制品广泛应用于各行各业，且具有其它金属不能同时兼有的一些特性，因而在人类生产和生活中起着重要的作用。西安交大的王建、邢建东等研究通过自制水平热型连铸设备制备了单晶Sn带材，单晶Sn带材生长方向为[110],单晶锡带材和普通多晶锡轧制试验表明单晶锡具有比多晶锡良好的塑变性能【1】。单晶锡锭由于没有晶界，其延展性会大幅度提高，纯度亦比普通锡锭高，是制造高质量锡产品以及锡箔的极具竞争力的源头材料。
　　1单晶金属与多晶金属塑性变形的区别
　　1.1多晶金属的塑性变形
　　多晶体金属塑性变形的特点【2】：1．各晶粒变形的不同时性和不均匀性。2．各晶粒变形的相互协调性，需要五个以上的独立滑移系同时动作。由于晶界阻滞效应及取向差效应，变形从某个晶粒开始以后，不可能从一个晶粒直接延续到另一个晶粒之中，但多晶体作为一个连续的整体。每个晶粒处于其它晶粒的包围之中，不允许各个晶粒在任一滑移系中自由变形，否则必将造成晶界开裂。VonMises指出：晶粒应至少能在五个独立的滑移系上进行滑移。fcc和bcc金属能满足五个以上独立滑移系的条件，塑性通常较好；而hcp金属独立滑移系少，塑通常不好。滑移的传递，必须激发相邻晶粒的位错源。多晶体的变形抗力比单晶体大，变形更不均匀。由于晶界阻滞效应及取向差效应，使多晶体的变形抗力比单晶体大，其中，取向差效应是多晶体加工硬化更主要的原因。hcp系的多晶体金属与单晶体比较，前者具有明显的晶界阻滞效应和极高的加工硬化率。
　　1.2单晶金属的塑性变形
　　单晶体塑性变形有“滑移”和“孪生”等不同方式，大多数情况以滑移方式发生。由大量位错移动而导致晶体的一部分相对于另一部分，沿着一定晶面和晶向作相对的移动，即晶体塑性变形的滑移机制。正应力只能引起晶格的弹性伸长，或进一步把晶体拉断。切应力可使晶格在发生弹性歪扭之后，进一步造成滑移。通过大量的晶面滑移，最终使试样拉长变细滑移变形是不均匀的，常集中在一部分晶面上，而处于各滑移带之间的晶体没有产生滑移，滑移带的发展过程，首先是出现细滑移线，后来才发展成带，而且，滑移线的数目随应变程度的增大而增多，它们之间的距离则在缩短。
　　晶体的滑移通常是沿着滑移面发生的，滑移是沿着滑移方向进行的，滑移面与滑移方向大致是最密排面和最密排方向，因为此时派纳力最小。一个滑移面和此面上的一个滑移方向组成一个滑移系。
　　
　　b：柏氏矢量G：切变模量γ：泊松比a：滑移面的面间距
　　临界分切应力，最大分切应力正好落在与外力轴成45o角的晶面以及与外力轴成45o角的滑移方向上。假设对一个单晶圆柱体试样作拉伸试验，滑移面的面积
　　
　　作用在此滑移面上的应力如图1所示：
　　
　　图1外力作用在滑移方向的分应力
　　应力与外力F方向相同，可分解为两个分应力，一个为垂直于滑移面的分正应力，另一个为分切应力。分切应力τ作用在滑移方向使晶体产生滑移，其大小为：
　　
　　cosφcosλ称为取向因子，或称施密特因子（Schmid）取向因子越大，则分切应力越大。对于任一给定的φ值，取向因子的最大值出现在λ=90o-φ时：
　　
　　当φ=45o时，取向因子有最大值1/2，此时，得到最大分切应力。能使晶体滑移的力是外力在滑移系上的分切应力。在拉伸时，可以粗略认为金属单晶体在外力作用下，拉伸和压缩时晶体的转动如图3所示：
　　
　　图3晶体在拉伸过程中的变形
　　拉伸作用在中间一层金属上下两面的作用力σ可分为两个分应力：当外力分解到滑移面上的最大分切应力与滑移方向不一致时，又可分解为平行于滑移方向和垂直于滑移方向的两个分力。前一分力是产生滑移的有效分切应力，后一分力将构成一对作用在晶块上下滑移面上的力偶，力图使滑移方向转至最大切应力方向。拉伸时，在产生滑移的过程中，晶体的位向在不断改变，不仅滑移面在转动，而且滑移方向也改变位向。
　　2.单晶锡的应用
　　2.1单晶锡在锡箔中的应用
　　锡作为一种现代工业的基础材料，其应用范围日益广阔。锡具有低熔点、无毒、耐腐蚀、具有优良的展性、以及外表光亮美观等。纯锡主要用来制造马口铁及锡箔，也可用于各种器皿镀锡。普通锡（合金）锭属多晶组织，虽具有良好的展性，但延性很差，不易拉拔成丝；晶界存在杂质，使得锡箔在压延到一定厚度后即产生裂纹、空洞和厚度不均匀等现象，使得锡箔的厚度受到限制，且所得锡箔的表面质量很差。单晶锡锭由于没有晶界，其延展性会大幅度提高，纯度亦比普通锡锭高的多，将是制造高质量锡产品的极具竞争力的源头材料。
　　高质量的锡箔市场前景可观。主要应用于：电子材料（电容器、屏蔽电缆等）、包装材料（药品、食品等，要求防潮、不透气、保鲜、遮光）、装饰材料及工艺品、日用品（烹调、餐饮器皿）等。随着国内人民生活水平及工、农业水平的提高，锡箔的用量及需求将大幅度提高。近年来我国锡箔的进口量每年约在600-700吨，而主要为高质量的锡箔产品。生产高质量锡箔的利润及市场相当可观。在众多的锡箔应用场合中,食品及药品的包装占有相当大的比例，且随着国民经济的不断发展与人们生活水平的不断提高,对锡箔质量的要求也越来越高。国产锡箔厚而脆，并存在微观针孔，除生产工艺外，用于生产锡箔的原料多晶锡板由于其低的延性以及晶界存在杂质，是导致国产锡箔质量低的主要原因。而对于食品及药品包装，如果锡箔存在针孔，将严重影响袋内物品的保鲜与保质期；此外，厚的锡箔无疑造成锡的很大浪费，增加包装业的成本，降低产品的市场竞争力。由于近年来锡价的飕张，使得以锡为原料的锡箔胶帽价格飞涨4．5倍【3】。大型葡萄酒及高档白酒公司成本逐渐上升，食品及药品包装成本也上升。要解决这种问题就得降低现有的锡箔胶盖成本，那就得加工更薄、质量更好的锡箔，从而使同等面积的锡箔减少锡含量，降低成本。使用单晶锡可以生产高质量的锡箔，并可减少锡资源的浪费，满足市场需要，保证人体健康，是一种具有高技术含量的绿色加工产品。
　　随着包装材料的广泛使用和烹饪工艺的变化创新，在现代餐饮中，食品用锡箔纸已大量出现在菜品制作中，它不仅装饰、美化了菜品的外形，而且在菜品的特色、风味上形成了独特的效果，达到了传统烹饪方法难以达到的效果，提升了菜品的风格和档次。首先，锡箔纸最常见的用途是作为一种装饰美化材料。由于锡箔较薄，且具有很强的可塑性，所以在烹饪中常常可以折叠成盛器的形状，如半月形、条盘形、三角形、四边形等等，起到防漏、保温的作用。在包裹食品时，不仅美观，而且取用方便、卫生。
　　2.2单晶锡在焊锡中的应用
　　焊锡在我国具有很大的消费市场，随着电子信息行业的发展，电子线路越来越复杂，越来越精细，质量要求越来越高，高质量的焊丝产品需求日益提高。软钎焊料是指熔化温度（或液相线温度）低于450℃的焊接材料。其中，锡焊料是软钎焊工艺应用中最主要、最广泛的焊接材料。根据需要焊接的金属和用途、使用环境和操作要求的差异性，而形成了锡基（合金）二元系、三元系和多元系的锭、条、丝、片、棒、粒等不同的系列和规格。其中，软钎焊丝是锡焊料产品中最广泛的品种之一，广泛应用于电子工业、IT产业、移动通迅、仪器仪表制造业、电器产品制造业、汽车工业和其它机器制造业。并随着电子工业及信息产业的飞速发展，其用途、用量也日趋扩大。
　　焊丝是采用拉丝机按所要求，通过粗拉、中拉、细拉、光整等工序，生产软钎焊丝（材）。在现行锡基软钎焊丝的生产工艺中，当丝径φ＜0.5mm时，无论是产率，还是工艺体系的保障程度都明显降低。主要表现为断丝次数、“缩颈”现象明显增加。而单晶焊锡线材没有晶界，因具有良好的塑性变形性能便于拉拔成极细的高质量线材，这就避免了多晶焊锡被拉时的断丝、“缩颈”现象。从而提高拉丝效率，降低成本。
　　2.3超导应用
　　处于超导状态的导体称之为“超导体”。超导体的直流电阻率在一定的低温下突然消失，被称作零电阻效应。导体没有了电阻，电流流经超导体时就不发生热损耗，电流可以毫无阻力地在导线中流大的电流，从而产生超强磁场。
　　1933年，荷兰的迈斯纳和奥森菲尔德对单晶锡球进行实验发现：锡球过渡到超导态时，锡球周围的磁场突然发生变化，磁力线似乎一下子被排斥到超导体之外去了【4】，人们将这种现象称之为“迈斯纳效应”。后来人们还做过这样一个实验：在一个浅平的锡盘中，放入一个体积很小但磁性很强的永久磁体，然后把温度降低，使锡盘出现超导性，这时可以看到，小磁铁竟然离开锡盘表面，慢慢地飘起，悬空不动。预计在今后的科学发展中单晶锡作为超导材料在超导技术中有着广阔的应用前景。
　　
　　结论
　　单晶锡材消除了晶界、气孔和夹杂等铸造缺陷，是制备高质量超薄锡箔和极细焊丝的优质坯料。
　　
　　参考文献
　　【1】王建，邢建东，王德义，姜红喜.热型连铸单晶Sn带材制备工艺及其性能研究[J].稀有金属材料与工程，2008，37（9）：1610.
　　【2】潘金生，仝健民，田民波《材料科学基础》[M].清华大学出版社.
　　【3】行业资讯，2008.17（5）：70.