CN101048539A - 单结晶线材及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种单结晶线材及其制造方法，其技术要旨为：把金、铜、银、铝及镍中的一种以上金属放进生长坩埚里，再把生长坩埚里的金属加热熔化，以具有结晶结构的晶种作为种子并通过柴氏长晶法或布里兹曼法促使单结晶生长，再通过放电加工方式把生长完成的单结晶裁剪成线材。使用晶种生长成金属单结晶后通过放电加工方式加工成圆形薄片，然后通过线切割放电加工工艺把前述薄片加工成单结晶线材，前述单结晶线材可以作为戒指、项链或者连接音响与影像设备的高质量电缆的内部线材，而且通过放电加工方式制成圆形薄片的单结晶也可以作为基板与蒸镀对象来使用。

Description

单结晶线材及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种单结晶线材及其制造方法，尤其是通过单结晶生长法促使单结晶成长后，再把制成的单结晶加工成线材的单结晶线材及其制造方法。
背景技术
直到1970年代为止，人们对高质量电缆的认识还是不清楚的，但随着无氧铜线(Oxygen Free Copper，以下简称“OFC”)的成功开发而促成了电缆的飞跃发展。
尤其是连接音响设备的线材电缆，其电缆质量对音质的影响较大，只要把低级电缆替换成高质量电缆就能立即提高其音质。
把交流信号供应给线材时能生成交流磁场，进而抵抗前述交流电流。前述抵抗随着频率升高而变大，我们称其为电感。只要把电缆的包覆线材与线圈一起捆成圆形或者把包覆线材分离成“+”、“-”两部分就能提高其电感，但电感增加时会降低其音质纯度。只要把包覆线材分离成“+”、“-”两部分后再将其绞扭成绳子形状，就能降低其电感并提高音质纯度。
一般来说，绞扭电缆虽然可以减少电感，却由于其静电容量增加而使带宽变窄并混浊。人们虽然知道电缆可以引起音响的音质变化，却不知道为什么会引起前述变化。
例如，线材的高纯度化虽然可以提高音质纯度，却也会同时增加直流抵抗，进而降低电缆的能量。电缆的音质虽然受线材本身材料及物性的影响，但是包覆材料、线材的结晶结构、终端处理后的电感、静电容量、表皮效果、以及音响之间的阻抗也能给予较大的影响。
也就是说，大部分电缆的音质虽然受到线材本身特性的影响，但是电缆的包覆材料及线材结晶结构等因素也能给予较大的影响。
因此，纯度99.99％的OFC电缆的音质往往优于纯度99.9999％的6N铜线电缆。作为线材的金属导体的导电性依次为银、金、铜及铝，但由于铜的价格便宜、导电性与加工性良好而被广泛地应用。
为了提高制造过程中的操作性，人们通常会添加氧气，以纯度3N(99.9％)作为铜线的标准，减少了氧气添加量的是OFC。也可以根据金属或硫磺等氧以外杂质的清除程度而区分为6N(99.9999％)及7N(99.99999％)之类的等级。下面根据氧以外杂质的清除方法而区分现有技术。
韧铜(Tough Pitch Copper，以下简称“TPC”)工艺属于一般的的铜线制造方法，该工艺首先加入氧气熔化铜后再急速冷却，比较适合于批量生产方式。该制造方法添加了硫磺及作为氧化物的氧化亚铜，主要制造氧含量为3000-4000ppm、纯度达99.9％的3N铜。
OFC的制造工艺促进了高纯度铜线的开发，不同于熔融铜后在冷却的过程中添加氧气的现有TPC方式，OFC是一种为了清除基于氧的氧化亚铜而把氧含量降到10ppm以下的4N(99.99％)产品。前述线材可以消除音质里的浊音并提高其纯度，进而提升了明晰度。
大型线形结晶无氧铜线(Linear Crystal Oxygen Free Copper，以下简称“LC-OFC”)制造方法的理论根据是：在金属结晶的境界面存在着扭曲音质的某种因素。铜在熔融状态下急速冷却时将具有微细结晶结构，根据结晶越多信号传输越受阻碍的理论基础，为了使OFC铜线的结晶结构往单一方向生长而缓慢冷却以便增大其结晶尺寸，然后强制性地把结晶结构拉伸成线形。前述工序在把结晶结构拉伸为线形的过程中会出现机械应力，加工时铜会发热并影响其结晶结构，进而成为音质劣化的一个重要原因。
单向性结晶无氧铜线(Pure Crystal Ohno Continuous Casting，以下简称PCOCC)改善了LC-OFC在结晶体被强制拉伸的过程中对铜线施加物理与热应力并对音质造成不良影响的缺点。与LC-OFC相比，PCOCC在冷却过程中为了使线材成为一个整体的结晶体而缓慢冷却至其成为结晶体为止。
一般来说，LC-OFC及PCOCC是典型的高强度导体，LC-OFC及PCOCC为了防止单结晶结构出现变化而不进行热处理工序。然而没有经过热处理的铜线将在线材加工过程中受到机械性压迫(即压力)而对其结晶结构造成影响。μ导体则为了降低机械压力而稍微进行了热处理。由前述说明可知，在线材制造技术中单结晶的结构对于高质量电缆的生产起着非常重大的作用。然而，人们至今没有开发出可以有效防止单结晶结构变化的成熟技术。
银(Ag)的电气特性优于铜，其低电阻性更显示了银在音响电缆上的优点是高于铜的，银的另外一个优点是其在氧化状态下的特性优于铜。由于铜易氧化且氧化后的铜会形成类似于半导体的包覆膜，而氧化银的化学稳定性良好并可以充分发挥出导体功能。
一般来说，银导体也和铜线一样经过持续的高纯度化与热处理法后得到了很多改善。因此，近来作为音响专用线开发出来的银线材与镀银OFC线材比一般通信用银线更能承载信息量并实现了柔和的音质。
铝与银一样是非常具有特性的电导体。铝的电阻稍高于铜，在高音域凭借其独特的特性而实现了颇具特色的声音。与银或铜混合而成的铝线材可以发挥出独特的高品位音质。
因此，为了得到高质量电缆，利用结晶结构良好的高纯度单结晶生产铜、银及铝线材的制造技术具有其迫切性。
发明内容
技术问题
为了解决现有技术的前述缺点，本发明的目的是提供一种促使品种生长成金属单结晶后加工成圆形薄片再制成线材的单结晶线材及其制造方法。
技术方案
为了实现前述目的，本发明提供的单结晶线材制造方法的技术要旨为：把金、铜、银、铝及镍中的一种以上金属放进生长坩埚里，再把生长坩埚里的金属加热熔化，以具有结晶结构的晶种作为种子(seed)并通过柴氏长晶法(Czochralski Method)或布里兹曼法(bridgman method)促使单结晶生长，再通过放电加工方式把生长完成的单结晶裁剪成线材。
此时，前述生长坩埚是黑铅坩埚、氮化硼(BN)坩埚、铝坩埚、石英坩埚之一，前述生长坩埚里的金属则使用RF感应线圈或碳加热器加热，在前述裁剪过程中把单结晶加工成圆盘状，前述裁剪工序完毕后进行的线材加工工序将以线切割(wire-cut)方式或利用具有图样的模具冲压加工成线材，前述圆盘状单结晶可以作为金属单结晶基板或金属蒸镀对象，前述冲压加工制成的线材以环形较好。
在前述裁剪过程中单结晶被裁剪成圆筒状，前述裁剪工序完毕后进行的线材加工工序将圆筒状单结晶裁剪成环状，前述裁剪过程完毕后进行研磨工序或湿式饰刻工序较好。
前述线材的外表面包覆合成树脂，前述线材的两端则形成端子。
本发明的技术要旨为：把金、铜、银、铝及镍之一的金属加热熔融，以晶种作为种子(seed)并通过柴氏长晶法(Czochralski Method)或布里兹曼法(bridgman method)促使单结晶生长，再把生长完成的单结晶裁剪后制成单结晶线材。
此时，前述单结晶被裁剪成环状后可以作为戒指等产品或者裁剪成线材后作为连接电缆使用。
前述线材状连接电缆的外表面上包覆合成树脂，前述连接电缆的两端则形成端子。
有益效果
具有前述结构的本发明使用品种生长成金属单结晶后，通过放电加工加工成圆形薄片，然后通过线切割(wire-cut)放电加工等工艺把前述薄片加工成具有单向结晶结构的各种单结晶线材及线材产品。
前述单结晶线材也可以作为连接音响与影像设备的高质量电缆内部的线材或戒指与项链等产品。
圆盘状的单结晶也可以作为制造薄膜时的单结晶基板或蒸镀对象。
附图说明
图1是本发明一实施例的单结晶铜照片图；
图2是本发明一实施例的线材照片图；
图3是本发明一实施例的圆盘状单结晶薄片及模具图；
图4是本发明一实施例的单结晶被加工成环状的工序图；
图5是单结晶铜线材与一般铜的XRD结果比较图；
图6是单结晶铜线材与一般铜的GDS结果比较图；
图7是单结晶铜线材(b)与一般铜(a)的表面照片比较图；
图8是单结晶铜线材与一般铜之间的比电阻比较图；
图9是单结晶铜线材外部批覆绝缘性皮革后制成的音响电缆图；
图10是单结晶铜(single crystal)电缆与一般(poly crystal)电缆在不同频率下的阻抗比较图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
首先，把需要生长的金属块(金、铜、银、铝及镍之一金属块)放进生长坩埚(BN坩埚、石英坩埚、黑铅坩埚及铝坩埚等)里，然后使用基于感应线圈的感应加热或碳加热器把生长坩埚里的前述金属块加以熔化。本发明的生长坩埚使用黑铅坩埚，或者采取了以黑铅坩埚作为外部坩埚并以BN坩埚、石英坩埚、铝坩埚之一作为内部坩埚的双重结构式坩埚。
本说明书主要针对单结晶铜与单结晶银的生长进行详细说明。
由于铜和银不会与碳元素进行化学结合，因此使用了生长坩埚为黑铅坩埚或者外部坩埚为黑铅坩埚的双重结构坩埚。以生长坩埚作为发热体的原因是因为在金属单结晶生长过程中坩埚里的熔融状态的残留金属块会减少而难以调节感应加热温度。以生长坩埚作为发热体来控制坩埚本身的温度有助于金属单结晶的生长。生长坩埚与一般铜及银可以使用RF线圈感应加热到金属的融点。由于铜和银的融点分别为1083℃与962℃，因此加热到高于融点30℃左右的温度以使铜和银完全熔化。
制成具有所需结晶结构的晶种后，再通过柴氏长晶法(CzochralskiMethod)促使单结晶生长，品种则分别沿着(100)、(110)及(111)方向呈棒形。单结晶铜的生长温度维持在1100℃～1000℃的范围内，单结晶银的生长温度维持在1000℃～900℃的范围内，液相温度以0.1～1℃/min左右的速度下降，然后再通过柴氏长晶法使前述晶种生长为高纯度的金属单结晶铜和银。
前文说明了使用柴氏长晶法生长单结晶的方法，但使用布里兹曼法生长单结晶也应当视为本发明的范畴。
经过前述过程后就能得到图1所示的单结晶铜。
然后利用前述单结晶制造线材，该工序的目的是对生长后的前述高纯度单结晶进行线材加工，通过放电加工方式制成具有所需厚度的圆盘状薄片。此时，铜和银是圆盘状的薄片，为了尽量减少加工时的应力变形而进行放电加工。
圆盘状薄片的厚度随着需要制造的线材直径而不同，本发明的圆盘状薄片厚度为1mm左右。
制好的圆盘状薄片经过线切割(wire-cut)式放电加工后被制成直径1mm的线材，为了彻底清除由放电加工制成的圆盘状薄片的截面应力而使用0.3μm粒子大小的铝粉末研磨圆盘状薄片的表面。
为了从前述研磨工序制成的圆盘状薄片得到所需线材，使用外部模具固定圆盘状薄片后再通过线切割(wire-cut)式放电加工工序制成线材。利用圆形薄片制成线材的方法为：按照从外往内的方式在圆形截面上加工成所需直径的线材，为了防止线材在放电加工过程中绞扭而需要另外进行卷曲。
也可以使用线材钻孔机在圆形截面的中心部位钻小孔，然后以从内往外的方式拉出具有所需直径的线材。
通过前述制造工序制成的线材由于残留着加工过程中的应力作用，需要对线材进行光学研磨。如同对圆形薄片进行的研磨作业一样使用铝粉末进行研磨以消除对线材的表面应力影响。
线材表面上的应力可以使用稀释氟酸加以消除。放电加工过程中生成的金属表面应力大部分是由氧化膜形成的，前述氧化膜采取H2O∶HF＝5∶1的组合并可以通过湿式饰刻法消除，湿式饰刻时间维持在3分钟左右。
图2是通过前述过程制成的线材。
表面加工或湿式饰刻完毕后的线材可以作为连接音响等设备的连接电缆使用，此时需要在线材外部进行包覆作业。
包覆工序除了公知技术以外还可以通过手工艺方式制造电缆，然后再制成符合商业用音响与影像资料传输所要求条件的单结晶线材产品。
在已制造好的线材上通常会包覆其直径大于线材的绝缘性压缩管等物。也就是说，为了作为音响相关电缆使用，可以一直包覆聚氨酯或绝缘性压缩管直到其直径达到所需尺寸为止，进而防止单结晶线材产品的内部线材受到氧化或外部应力的影响。
为了作为同轴电缆使用而制造单结晶线材产品时，在合成树脂包覆材料上再加上接地用电线的包覆材料，然后包覆天然皮革以遮蔽外部电流的噪音，电缆的两尾端则制成RCA端子或金属单结晶端子以便在连接影像与音响设备时能完全遮蔽噪音，进而提高音响质量。
前文针对使用前述圆形基板制作线材的方法进行了说明，经过前述过程制成的圆形基板也可以作为具有单向性的蒸镀基板及蒸镀对象使用，可以按照蒸镀对象的规格而制成适用于2、3及4英寸规格的蒸镀对象，为了获得准确的外经需要把放电加工后的圆形薄片再加工到所需直径或者把单结晶铜放电加工成所需原始外经并适用于蒸镀基板及蒸镀对象，其属于本发明的权利要求范围是理所当然的。
前文对使用放电加工方式制作线材的方法等进行了说明，但是也可以如图3所示利用模具加工线材。
如图3所示，把经过放电加工工序制成的圆盘状薄片(100)放到具有所需图样(111))的模具(110)上面后，再经过冲压加工工序制成形状与前述模具(110)的图样(111)一样的线材。也就是说，只要使用具有图3所示图样(111)的模具(110)就能制成环状线材，只要使用图样连续的模具就能制成连续的线材。
此时，环状线材可以作为戒指或项链等使用，连续型线材则可以进行光学研磨等后加工工序，如同利用前述放电加工与铣削工序对线材进行加工方式一样，或者通过湿式饰刻工序清除表面氧化膜后制成单结晶线材电缆。
前文对连续性单结晶线材电缆进行了说明，如前所述，可以使用通过柴氏长晶法或布里兹曼法生长的单结晶制成高纯度的戒指(环)等产品。使用线切割放电加工机裁剪图1所示单结晶的上面，然后如图4所示利用直径0.5mm以下的线材放电加工钻孔机与线切割放电加工机加工成圆柱形状，再通过放电加工方式加工成圆筒状的中空圆柱体(120)，横向切断中空圆柱体(120)就能得到高纯度的戒指(环)。在金属加工方面的放电加工机加工技术可以使用公知技术。如果需要防止产品氧化并通过微细加工方式提高其附加价值，则可以使用非电气式放电加工设备等最尖端加工设备提高单结晶产品的价值。
通过前述方法制成的环状戒指产品可以作为有助于人体健康的辅助工具。与一般金属戒指相比，戒指的环形部位中金属原子呈单方向排列的单结晶戒指的环形部位内部电流所造成的感应磁场变化或前述磁场变化所造成的感应涡电流(eddy current)将会增加。结晶结构呈单一方向的单结晶戒指由于结构稳定而减少了阻碍电流的因素，环状部位的感应电流量将大于一般环状戒指。因此，单结晶戒指上生成的涡电流(eddy current)量将刺激人体的血流循环，前述血流变化所造成的人体磁性变化将在累积一段时间后使其血流变化的活性高于一般人。现代医学已证明了血流稳定且具有活性是有助于人体健康的。
为了检查通过前述方法制成的高纯度单结晶线材是否改善了结晶结构上的缺点，使用XRD(X射线衍射仪)量测了使用单结晶铜制成的单结晶线材及在熔融状态冷却制成的一般铜，图6是其比较图。
如图5所示，通过前述方法制成的单结晶线材的结晶结构方向与晶种方向相同。
为了检查作为商业用线材时所需杂质的含量，针对一般铜与单结晶线材进行了GDS(glow discharge spectroscopy)量测，图6是其比较图。
如图6所示，所制成的单结晶线材的铜纯度为5N，可以作为线材使用。
本发明单结晶线材的截面与一般铜的表面进行了饰刻，图7是其结果表图。
如图7所示，一般铜没有可以识别结晶方向性的饰刻图样，但单结晶线材则具有可以识别(100)方向的矩形饰刻图样。
即使根据现有资料，也能得知本发明单结晶线材是高纯度且具有单向性结晶结构的单结晶。
本发明量测了单结晶电阻值与温度的变化关系，图8是其比较图。
一般铜的电阻值的高纯度铜是1.7×10-6Ωcm。本发明单结晶线材的电阻值是1.2×10-7Ωcm，温度越低，单结晶的电阻特性值远低于一般铜的电阻值。
如图9所示，使用天然皮革作为电缆的单结晶线材的最终外部包覆材料时，其音响信号传输特性远优于现有产品，图10是其比较图。
如图10所示，天然皮革的特性可以完全遮蔽外部的音波与电磁波，与现有的一般电缆(poly crystal)相比，阻抗值在所有的频率领域依然维持低值。
工业应用性
本发明的单结晶线材及其制造方法可以适用于各种领域，可以作为商业影像、音响电缆、环状贵金属戒指及各种医疗用随身品使用，是一种产业用途广阔的技术。

Claims (19)

1、一种单结晶线材及其制造方法，其特征为：把金、铜、银、铝及镍中的一种以上金属放进生长坩埚里，再把生长坩埚里的金属加热熔化，以具有结晶结构的晶种作为种子并通过柴氏长晶法或布里兹曼法促使单结晶生长，再通过放电加工方式把生长完成的单结晶裁剪成线材。
2、根据权利要求1所述的单结晶线材制造方法，其特征为：所述生长坩埚是黑铅坩埚、氮化硼坩埚、铝坩埚及石英坩埚之一。
3、根据权利要求1或权利要求2所述的单结晶线材制造方法，其特征为：使用感应线圈或碳加热器对生长坩埚里的金属进行加热。
4、根据权利要求1所述的单结晶线材制造方法，其特征为：在所述裁剪工序中单结晶被裁剪成圆盘状。
5、根据权利要求4所述的单结晶线材制造方法，其特征为：所述裁剪工序完毕后进行的线材加工工序将以线切割方式或利用具有图样的模具冲压加工成线材。
6、根据权利要求4所述的单结晶线材制造方法，其特征为：所述圆盘状单结晶可以作为金属单结晶基板或金属蒸镀对象使用。
7、根据权利要求5所述的单结晶线材制造方法，其特征为：所述冲压加工所制成的线材呈环形。
8、根据权利要求1所述的单结晶线材制造方法，其特征为：在所述裁剪工序中单结晶被裁剪成圆筒状。
9、根据权利要求8所述的单结晶线材制造方法，其特征为：所述裁剪工序完毕后进行的线材加工工序将圆筒状单结晶裁剪成环状。
10、根据权利要求1所述的单结晶线材制造方法，其特征为：所述裁剪工序完毕后进行研磨工序或湿式饰刻工序。
11、根据权利要求5所述的单结晶线材制造方法，其特征为：在所述线材的外表面上包覆合成树脂。
12、根据权利要求11所述的单结晶线材制造方法，其特征为：在所述合成树脂包覆材料的外表面上包覆天然皮革。
13、根据权利要求11或权利要求12所述的单结晶线材制造方法，其特征为：所述线材的两端形成端子。
14、一种单结晶线材，其特征为：把金、铜、银、铝及镍中的一种以上金属进行加热熔融，以晶种作为种子并通过柴氏长晶法或布里兹曼法促使单结晶生长，再把生长完成的单结晶裁剪后制成。
15、根据权利要求14所述的单结晶线材，其特征为：经过裁剪的单结晶被制成环状。
16.根据权利要求14所述的单结晶线材，其特征为：经过裁剪的所述单结晶被制成线材形状并作为连接电缆使用。
17.根据权利要求16所述的单结晶线材，其特征为：所述线材状连接电缆的外表面包覆合成树脂。
18.根据权利要求17所述的单结晶线材，其特征为：所述合成树脂批覆的外表面包覆天然皮革。
19.根据权利要求17或权利要求18所述的单结晶线材，其特征为：所述连接电缆的两端形成端子。
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