摘要：介紹了單晶金屬與多晶金屬的塑性變形機(jī)理。綜述了目前錫箔及焊錫絲的使用弊端。經(jīng)分析認(rèn)為單晶錫更適合制備高質(zhì)量的錫箔、焊錫絲。
　　關(guān)鍵詞：單晶，錫箔，焊錫絲
　　前言
　　錫具有獨(dú)特的性質(zhì)：低熔點(diǎn)、無毒、耐腐蝕、具有優(yōu)良的展性、以及外表光亮美觀等，錫制品廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，且具有其它金屬不能同時(shí)兼有的一些特性，因而在人類生產(chǎn)和生活中起著重要的作用。西安交大的王建、邢建東等研究通過自制水平熱型連鑄設(shè)備制備了單晶Sn帶材，單晶Sn帶材生長方向?yàn)閇110],單晶錫帶材和普通多晶錫軋制試驗(yàn)表明單晶錫具有比多晶錫良好的塑變性能【1】。單晶錫錠由于沒有晶界，其延展性會(huì)大幅度提高，純度亦比普通錫錠高，是制造高質(zhì)量錫產(chǎn)品以及錫箔的極具競爭力的源頭材料。
　　1單晶金屬與多晶金屬塑性變形的區(qū)別
　　1.1多晶金屬的塑性變形
　　多晶體金屬塑性變形的特點(diǎn)【2】：1．各晶粒變形的不同時(shí)性和不均勻性。2．各晶粒變形的相互協(xié)調(diào)性，需要五個(gè)以上的獨(dú)立滑移系同時(shí)動(dòng)作。由于晶界阻滯效應(yīng)及取向差效應(yīng)，變形從某個(gè)晶粒開始以后，不可能從一個(gè)晶粒直接延續(xù)到另一個(gè)晶粒之中，但多晶體作為一個(gè)連續(xù)的整體。每個(gè)晶粒處于其它晶粒的包圍之中，不允許各個(gè)晶粒在任一滑移系中自由變形，否則必將造成晶界開裂。VonMises指出：晶粒應(yīng)至少能在五個(gè)獨(dú)立的滑移系上進(jìn)行滑移。fcc和bcc金屬能滿足五個(gè)以上獨(dú)立滑移系的條件，塑性通常較好；而hcp金屬獨(dú)立滑移系少，塑通常不好。滑移的傳遞，必須激發(fā)相鄰晶粒的位錯(cuò)源。多晶體的變形抗力比單晶體大，變形更不均勻。由于晶界阻滯效應(yīng)及取向差效應(yīng)，使多晶體的變形抗力比單晶體大，其中，取向差效應(yīng)是多晶體加工硬化更主要的原因。hcp系的多晶體金屬與單晶體比較，前者具有明顯的晶界阻滯效應(yīng)和極高的加工硬化率。
　　1.2單晶金屬的塑性變形
　　單晶體塑性變形有“滑移”和“孿生”等不同方式，大多數(shù)情況以滑移方式發(fā)生。由大量位錯(cuò)移動(dòng)而導(dǎo)致晶體的一部分相對于另一部分，沿著一定晶面和晶向作相對的移動(dòng)，即晶體塑性變形的滑移機(jī)制。正應(yīng)力只能引起晶格的彈性伸長，或進(jìn)一步把晶體拉斷。切應(yīng)力可使晶格在發(fā)生彈性歪扭之后，進(jìn)一步造成滑移。通過大量的晶面滑移，最終使試樣拉長變細(xì)滑移變形是不均勻的，常集中在一部分晶面上，而處于各滑移帶之間的晶體沒有產(chǎn)生滑移，滑移帶的發(fā)展過程，首先是出現(xiàn)細(xì)滑移線，后來才發(fā)展成帶，而且，滑移線的數(shù)目隨應(yīng)變程度的增大而增多，它們之間的距離則在縮短。
　　晶體的滑移通常是沿著滑移面發(fā)生的，滑移是沿著滑移方向進(jìn)行的，滑移面與滑移方向大致是最密排面和最密排方向，因?yàn)榇藭r(shí)派納力最小。一個(gè)滑移面和此面上的一個(gè)滑移方向組成一個(gè)滑移系。
　　
　　b：柏氏矢量G：切變模量γ：泊松比a：滑移面的面間距
　　臨界分切應(yīng)力，最大分切應(yīng)力正好落在與外力軸成45o角的晶面以及與外力軸成45o角的滑移方向上。假設(shè)對一個(gè)單晶圓柱體試樣作拉伸試驗(yàn)，滑移面的面積
　　
　　作用在此滑移面上的應(yīng)力如圖1所示：
　　
　　圖1外力作用在滑移方向的分應(yīng)力
　　應(yīng)力與外力F方向相同，可分解為兩個(gè)分應(yīng)力，一個(gè)為垂直于滑移面的分正應(yīng)力，另一個(gè)為分切應(yīng)力。分切應(yīng)力τ作用在滑移方向使晶體產(chǎn)生滑移，其大小為：
　　
　　cosφcosλ稱為取向因子，或稱施密特因子（Schmid）取向因子越大，則分切應(yīng)力越大。對于任一給定的φ值，取向因子的最大值出現(xiàn)在λ=90o-φ時(shí)：
　　
　　當(dāng)φ=45o時(shí)，取向因子有最大值1/2，此時(shí)，得到最大分切應(yīng)力。能使晶體滑移的力是外力在滑移系上的分切應(yīng)力。在拉伸時(shí)，可以粗略認(rèn)為金屬單晶體在外力作用下，拉伸和壓縮時(shí)晶體的轉(zhuǎn)動(dòng)如圖3所示：
　　
　　圖3晶體在拉伸過程中的變形
　　拉伸作用在中間一層金屬上下兩面的作用力σ可分為兩個(gè)分應(yīng)力：當(dāng)外力分解到滑移面上的最大分切應(yīng)力與滑移方向不一致時(shí)，又可分解為平行于滑移方向和垂直于滑移方向的兩個(gè)分力。前一分力是產(chǎn)生滑移的有效分切應(yīng)力，后一分力將構(gòu)成一對作用在晶塊上下滑移面上的力偶，力圖使滑移方向轉(zhuǎn)至最大切應(yīng)力方向。拉伸時(shí)，在產(chǎn)生滑移的過程中，晶體的位向在不斷改變，不僅滑移面在轉(zhuǎn)動(dòng)，而且滑移方向也改變位向。
　　2.單晶錫的應(yīng)用
　　2.1單晶錫在錫箔中的應(yīng)用
　　錫作為一種現(xiàn)代工業(yè)的基礎(chǔ)材料，其應(yīng)用范圍日益廣闊。錫具有低熔點(diǎn)、無毒、耐腐蝕、具有優(yōu)良的展性、以及外表光亮美觀等。純錫主要用來制造馬口鐵及錫箔，也可用于各種器皿鍍錫。普通錫（合金）錠屬多晶組織，雖具有良好的展性，但延性很差，不易拉拔成絲；晶界存在雜質(zhì)，使得錫箔在壓延到一定厚度后即產(chǎn)生裂紋、空洞和厚度不均勻等現(xiàn)象，使得錫箔的厚度受到限制，且所得錫箔的表面質(zhì)量很差。單晶錫錠由于沒有晶界，其延展性會(huì)大幅度提高，純度亦比普通錫錠高的多，將是制造高質(zhì)量錫產(chǎn)品的極具競爭力的源頭材料。
　　高質(zhì)量的錫箔市場前景可觀。主要應(yīng)用于：電子材料（電容器、屏蔽電纜等）、包裝材料（藥品、食品等，要求防潮、不透氣、保鮮、遮光）、裝飾材料及工藝品、日用品（烹調(diào)、餐飲器皿）等。隨著國內(nèi)人民生活水平及工、農(nóng)業(yè)水平的提高，錫箔的用量及需求將大幅度提高。近年來我國錫箔的進(jìn)口量每年約在600-700噸，而主要為高質(zhì)量的錫箔產(chǎn)品。生產(chǎn)高質(zhì)量錫箔的利潤及市場相當(dāng)可觀。在眾多的錫箔應(yīng)用場合中,食品及藥品的包裝占有相當(dāng)大的比例，且隨著國民經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展與人們生活水平的不斷提高,對錫箔質(zhì)量的要求也越來越高。國產(chǎn)錫箔厚而脆，并存在微觀針孔，除生產(chǎn)工藝外，用于生產(chǎn)錫箔的原料多晶錫板由于其低的延性以及晶界存在雜質(zhì)，是導(dǎo)致國產(chǎn)錫箔質(zhì)量低的主要原因。而對于食品及藥品包裝，如果錫箔存在針孔，將嚴(yán)重影響袋內(nèi)物品的保鮮與保質(zhì)期；此外，厚的錫箔無疑造成錫的很大浪費(fèi)，增加包裝業(yè)的成本，降低產(chǎn)品的市場競爭力。由于近年來錫價(jià)的颼張，使得以錫為原料的錫箔膠帽價(jià)格飛漲4．5倍【3】。大型葡萄酒及高檔白酒公司成本逐漸上升，食品及藥品包裝成本也上升。要解決這種問題就得降低現(xiàn)有的錫箔膠蓋成本，那就得加工更薄、質(zhì)量更好的錫箔，從而使同等面積的錫箔減少錫含量，降低成本。使用單晶錫可以生產(chǎn)高質(zhì)量的錫箔，并可減少錫資源的浪費(fèi)，滿足市場需要，保證人體健康，是一種具有高技術(shù)含量的綠色加工產(chǎn)品。
　　隨著包裝材料的廣泛使用和烹飪工藝的變化創(chuàng)新，在現(xiàn)代餐飲中，食品用錫箔紙已大量出現(xiàn)在菜品制作中，它不僅裝飾、美化了菜品的外形，而且在菜品的特色、風(fēng)味上形成了獨(dú)特的效果，達(dá)到了傳統(tǒng)烹飪方法難以達(dá)到的效果，提升了菜品的風(fēng)格和檔次。首先，錫箔紙最常見的用途是作為一種裝飾美化材料。由于錫箔較薄，且具有很強(qiáng)的可塑性，所以在烹飪中常常可以折疊成盛器的形狀，如半月形、條盤形、三角形、四邊形等等，起到防漏、保溫的作用。在包裹食品時(shí)，不僅美觀，而且取用方便、衛(wèi)生。
　　2.2單晶錫在焊錫中的應(yīng)用
　　焊錫在我國具有很大的消費(fèi)市場，隨著電子信息行業(yè)的發(fā)展，電子線路越來越復(fù)雜，越來越精細(xì)，質(zhì)量要求越來越高，高質(zhì)量的焊絲產(chǎn)品需求日益提高。軟釬焊料是指熔化溫度（或液相線溫度）低于450℃的焊接材料。其中，錫焊料是軟釬焊工藝應(yīng)用中最主要、最廣泛的焊接材料。根據(jù)需要焊接的金屬和用途、使用環(huán)境和操作要求的差異性，而形成了錫基（合金）二元系、三元系和多元系的錠、條、絲、片、棒、粒等不同的系列和規(guī)格。其中，軟釬焊絲是錫焊料產(chǎn)品中最廣泛的品種之一，廣泛應(yīng)用于電子工業(yè)、IT產(chǎn)業(yè)、移動(dòng)通迅、儀器儀表制造業(yè)、電器產(chǎn)品制造業(yè)、汽車工業(yè)和其它機(jī)器制造業(yè)。并隨著電子工業(yè)及信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，其用途、用量也日趨擴(kuò)大。
　　焊絲是采用拉絲機(jī)按所要求，通過粗拉、中拉、細(xì)拉、光整等工序，生產(chǎn)軟釬焊絲（材）。在現(xiàn)行錫基軟釬焊絲的生產(chǎn)工藝中，當(dāng)絲徑φ＜0.5mm時(shí)，無論是產(chǎn)率，還是工藝體系的保障程度都明顯降低。主要表現(xiàn)為斷絲次數(shù)、“縮頸”現(xiàn)象明顯增加。而單晶焊錫線材沒有晶界，因具有良好的塑性變形性能便于拉拔成極細(xì)的高質(zhì)量線材，這就避免了多晶焊錫被拉時(shí)的斷絲、“縮頸”現(xiàn)象。從而提高拉絲效率，降低成本。
　　2.3超導(dǎo)應(yīng)用
　　處于超導(dǎo)狀態(tài)的導(dǎo)體稱之為“超導(dǎo)體”。超導(dǎo)體的直流電阻率在一定的低溫下突然消失，被稱作零電阻效應(yīng)。導(dǎo)體沒有了電阻，電流流經(jīng)超導(dǎo)體時(shí)就不發(fā)生熱損耗，電流可以毫無阻力地在導(dǎo)線中流大的電流，從而產(chǎn)生超強(qiáng)磁場。
　　1933年，荷蘭的邁斯納和奧森菲爾德對單晶錫球進(jìn)行實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：錫球過渡到超導(dǎo)態(tài)時(shí)，錫球周圍的磁場突然發(fā)生變化，磁力線似乎一下子被排斥到超導(dǎo)體之外去了【4】，人們將這種現(xiàn)象稱之為“邁斯納效應(yīng)”。后來人們還做過這樣一個(gè)實(shí)驗(yàn)：在一個(gè)淺平的錫盤中，放入一個(gè)體積很小但磁性很強(qiáng)的永久磁體，然后把溫度降低，使錫盤出現(xiàn)超導(dǎo)性，這時(shí)可以看到，小磁鐵竟然離開錫盤表面，慢慢地飄起，懸空不動(dòng)。預(yù)計(jì)在今后的科學(xué)發(fā)展中單晶錫作為超導(dǎo)材料在超導(dǎo)技術(shù)中有著廣闊的應(yīng)用前景。
　　
　　結(jié)論
　　單晶錫材消除了晶界、氣孔和夾雜等鑄造缺陷，是制備高質(zhì)量超薄錫箔和極細(xì)焊絲的優(yōu)質(zhì)坯料。
　　
　　參考文獻(xiàn)
　　【1】王建，邢建東，王德義，姜紅喜.熱型連鑄單晶Sn帶材制備工藝及其性能研究[J].稀有金屬材料與工程，2008，37（9）：1610.
　　【2】潘金生，仝健民，田民波《材料科學(xué)基礎(chǔ)》[M].清華大學(xué)出版社.
　　【3】行業(yè)資訊，2008.17（5）：70.