铜材料应用现状及发展建议.docx

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1、铜材料应用现状及发展建议摘要：铜材料以其良好的导电导热性、优异的力学性能和抗疲劳抗腐蚀性能，在集成电路引线框架、导电器件、仪器仪表、计算机技术、通信技术及精密机械制造等领域得到广泛应用。文章针对现有铜材料应用现状及典型需求，重点介绍高强高导铜合金、耐磨耐蚀铜合金、超高导电铜合金、超高强弹性铜合金及弥散强化铜基复合材料的相关特性，阐述当前铜材料所面临的问题，并针对现有问题提出对策及建议。关键词：铜材料；分类；应用现状；发展趋势铜及铜合金材料是促进国民经济和社会发展最重要的基础材料之一，铜材料具备良好的力学性能和高温稳定性，且具有良好的耐电弧侵蚀性和耐磨性，广泛地应用于集成电路引线框架、精密仪表弹

2、性元件、交通冶金、电子信息及精密、航空航天、制造业等领域，是一种应用前景广阔的材料。20世纪70年代以来，国外对铜材料进行了大量的开发和研制，80年代我国也开始逐步研究铜材料，来应对时代的飞速发展。目前国际上开发的铜材料有110多种，应用范围非常广泛。铜材料对国家的经济发展有着重要作用，影响着未来部分领域的研究。我国铜合金的产量和消费量都居世界首位，开发新型铜材料并研究出高效率、易操作的新工艺和新技术对促进创新驱动发展、推动我国材料行业向高质量发展转型起着重要作用。本文着重介绍了不同铜合金的分类及应用现状，梳理出目前所面临的问题，并针对现有问题提出对策及建议。1铜合金的分类及应用铜是现阶段使用

3、量较大的有色金属，铜合金在工业生产中应用非常广泛，现有铜合金已很难适应工业的高质量发展，高端铜材料的研发已成为未来发展新趋势。目前铜材料主要分为以下几类：高强高导铜合金、耐磨耐蚀铜合金、超高导电铜合金、超高强弹性铜合金、弥散强化铜基复合材料。1.l高强高导铜合金高强高导铜合金广泛应用于大规模集成电路引线框架、大型涡轮发电机转子导线、大型电力机车架空导线等，这些器件所用的材料不仅要求有高强高导的性能，还需要有高的导热系数和一定的高温强度。目前市场上的高强高导铜合金种类繁多，其中应用最广泛的是Cu-Fe-P系、Cu-Ni-Si系、Cu-Cr-Zr系等。近些年，高强度高导铜合金产业化技术取得突破，以

4、Cu-Ni-Si、Cu-Mg系合金为代表，能够使铜合金在导电率保持在80%IACS以上情况下获得强度比纯铜高几十倍的优异综合性能，广泛应用于框架材料、电子工业、超大规模集成电路、电力电气领域等。此外，由于该类铜合金的导电率和强度往往是成反比的，因此在开发新型高强高导铜合金时，需要综合分析各种强化方式，开发出材料的最大潜能，节约材料并满足不同的性能要求。高强高导铜合金的强化方式主要有：固溶强化、细晶强化、第二相强化、形变强化和复合强化。市面上使用较多的强化方式有固溶强化和形变强化，通常在铜中固溶银、银、铝、镁、锌、钺等元素，且含量大多在1%以内。室温下Ag在铜中的溶解度为0.1%,刚好使CU基质

5、饱和，在元素周期表中CU与Ag相邻，因此更容易形成固溶体。Cu与Ag都是良好的导电材料，Ag元素作为溶质原子对固溶强化后的铜合金的导电率影响不大。Cu-0.1%Ag经过冷加工后，强度可以达到420MPa,导电率为100%IACS而CUTO%Ag经适当处理后，强度可提高2.4倍，导电率也可达到80%IACS形变强化主要是依靠对铜合金进行热处理加工，也称作加工硬化。这种强化方式能够获得较高的强度和导电率，但缺点也较为明显，在高温时强化效果较差，当铜合金加热到再结晶温度以上时，强化效果将大打折扣甚至全部消失。1.2耐磨耐蚀铜合金常用耐磨耐蚀铜合金包括锡青铜、铝青铜、镒白铜和复杂黄铜，铸件的硬度和抗拉

6、强度均低于挤压材，其中挤压材的抗拉强度约600MPa,硬度超过200HBS。锡青铜主要应用于弹性元件和耐磨零件，其具有较高的力学性能、耐蚀性和优良的切削性，长期用于制作弹簧、簧片，耐磨衬套、轴套等；铝青铜因在铸造过程中容易获得强度高、耐磨性好的致密组织，被广泛用来制作耐磨零件和特种模具；镒白铜作为精密电阻合金主要用于制作电路回路中的电阻部件、测量仪器、仪表中的电阻元件和电阻应变计元件等；在简单黄铜中固溶1%5%的锡、铅、铝等元素来改善功能的合金称为“复杂黄铜”，根据加入的元素不同其性能的提升也有差异，如锡元素的加入能提高黄铜的耐蚀性、铅元素的加入能改善黄铜的可切削性和耐磨性，因此复杂黄铜的应用

7、也极为广泛。1.3超高导电铜合金新型超高导电铜合金的开发具有重要意义，如若远距离输电线路导电率提高一倍，输电线路的合金使用量将会减少一倍。超高导电铜可分为：纯铜、合金铜和铜基复合材料。纯铜材料主要通过减少晶界、杂质缺陷来改善导电率。目前研究出一种新的无氧铜，导电率超过了102%IACS,但还在试用阶段，并且制造复杂。大部分元素的添加会对电子产生附加电子散射，引起电阻增加，显著降低合金导电率，但某些合金元素的添加可以改变电子结构来提高导电性，一般使用Sn和稀土来进行改善，Sn元素能够改变电子结构，而稀土元素有吸氧脱氧作用，在固溶体中可以用Sn原子取代CU原子以增加自由电子的数量从而提高导电率。其

8、中Cu-O.5wt%Sn合金在铸态和退火态的导电率分别达到了IlL39%IACS和136.95%IACS0有研究表明，通过在纯铜中添加少量锢系稀土元素制备的超高导电铜合金，不同浓度配比的合金导电率在99.81%IACS106.14%IACS之间。但这种提高导电率的机理比较复杂，并且加入的元素量难以控制，制造工艺存在不稳定性。目前，超高导电铜的制备仍很不稳定，材料中的强化效果往往不均匀且不可预测。同时，如电解共沉积法和化学气相沉积法只能用于制备超高导电铜的小样品，无法批量生产。因此，寻找一种可以稳定地、大规模地制备超高导电铜材料的方法是亟待解决的问题。1.4超高强弹性铜合金一般抗拉强度超过100

9、OMPa的导电弹性铜合金称作超高强弹性铜合金。目前，国内超高强弹性铜合金主要分为Cu-Be系、Cu-Ti系、Cu-Ni-Si系等。钺青铜，含镀量在0.2%2.0%之间，抗拉强度大于100OMPa,该合金在淬火后具有高强度、高硬度、高弹性极限、耐腐蚀、耐疲劳和耐低温的优异性能，被誉为“有色弹性材料之王”，应用非常广泛。QBe2合金在进行适当热处理后，可获得超高的强度和硬度，但被青铜生产成本高，且生产过程中形成镀的氧化物等有毒物质，不仅污染环境，还会造成人的组织器官病，危害人类健康。研发可以替代镀青铜的新型铜合金成为未来发展趋势，开发出一种力电性能配合良好的新型铜合金具有重要意义和使用价值。钛青铜

10、具有高强度、高硬度和高弹性极限，且耐磨、耐疲劳、耐热和耐蚀性能优异。钛青铜是一类高强度的导电弹性材料，主要用作有高强、高弹性、高耐磨要求的器件材料。有研究表明QTi3.5-0.2合金冷加工抗拉强度可以到750800MPa,伸长率为35%40%。QTi6-l合金冷加工抗拉强度为9001080MPa,伸长率为L5%35%。但钛青铜导电性不高，而且生产成本过高。Cu-Ni-Sn系合金是一种具有高强度的耐磨、耐腐蚀铜合金材料，该类合金可广泛应用于制造各种形式的弹性元件、仪器仪表和耐磨元件中。20世纪70年代研发成功的牌号为C72900的Cu-Nl-Sn系合金在生产过程中容易发生晶界偏析，造成合金强度下

11、降。为解决该问题可在熔炼合金时加入Si、Nb、V、B等元素来细化晶粒从而提高合金强度。Cu-Ni-Sn合金具有明显的时效现象，并且Schwartz等利用TEM证明了Cu-Ni-Sn合金在时效过程中发生了调幅分解。目前国内外使用的继电器、引线框架材料等仍主要为镀铜合金。镀青铜虽然具有毒性使得生产受限，但是镀青铜的综合性能较好,尚无法被代替，所以新型铜合金的研发是一门重要课题。虽然近年来开发了Cu-TiCu-Ni-Sn.CU-Ni-Si、CU-N了Mn和CU-Ni-AI合金,它们具有超高强度和高温性能，但是导电性普遍较低，因此进一步优化合金元素配比，改善热处理工艺，研发出具有超高强度、良好高温抗应

12、力松弛性能和优异导电性能于一体的综合性能优异的新型铜合金是未来的发展趋势。1.5弥散强化铜基复合材料随着科技不断进步以及中国经济的快速发展，很多传统铜合金已经不再能满足我们的需求，先进铜合金是众多高端装备所需的材料,该类材料的研发是国家重大工程和材料产业转型的需要。如Cu-A1203弥散强化铜合金是一种兼具高强高导抗高温的性能优异的材料，可在900。C高温下工作，主要用于制作电焊电极、电磁炮导轨和大功率微波管等。对铜基复合材料的导电率影响最大的因素是增强体的选择。碳材料增强体主要为碳纤维、石墨、石墨烯等，其中碳纳米管和石墨烯具有特殊的结构和性质且物理和力学性能优异，最有望作为研发高强高导铜基复

13、合材料的增强体。电子在碳纳米管（CNT）中的传导是弹道传输，具有很大的电子平均自由程，因此电子在体系中运动基本上不受杂质等的散射使得CNT阻力极低。根据该特殊性质有望通过添加CNT来解决铜合金导电率低的问题。石墨烯研究起步较晚，但与CNT相比，其具有优异的本征性能，可以通过复合效应和协同效应制备超高导电的石墨烯/铜复合材料。目前对石墨烯/金属基复合材料的基体力学性能研究较多，而对如何提升导电性能的研究较少。2铜材料发展面临的问题我国是世界最大的铜资源进口国和精炼铜生产国，尽管目前铜材产量居世界首位，但铜合金材料产业虽大却不精，相关企业的新材料研发能力不足。目前我国铜合金材料产业面临着如下几个问

14、题。（1）铜材料研究起步较晚，基础理论研究薄弱，从而难以研发出创新性的理论成果，研究铜合金材料析出相的热力学和动力学问题对材料制品的性能提升具有重要意义，同时，如何使铜合金材料获得好的综合性能需要进一步研究，如引线框架材料除了需要兼具高强度高导电性能外，还必须要有较好的耐热耐腐蚀耐氧化能力。（2）高新铜合金材料研发和生产较少，牌号单一，中国是世界上主要的铜产品生产国，但主要面向低端产品，而高新产品如CU-CLZr合金、耐腐蚀Cu-Be等引线框架材料生产极少，行业利润不足以支撑高新技术研发，国际竞争力弱，主要表现为缺乏技术人才。（3）铜基合金材料制备工艺亟待改善，国内现有生产线环境污染较大，资源

15、浪费较严重，大规格产品的稳定生产能力低，而很多新的制备方法多只处于实验室阶段未能普及，原因在于变量难以控制、过程复杂和成本过高等原因，难以满足大规模工业化生产的要求。（4）由于部分高端铜合金材料的制备遭遇技术上的“卡脖子”，缺乏核心制造技术和自主知识产权，未能建立起完善的材料性能、生产工艺设备等大型数据库，使材料配方研发和生产工艺研究受限，延缓新材料的开发。（5）生产企业的生产加工技术体系不完善，设计产业集中、绿色、系统、规模化的生产工艺，生产高质量、轻量化、低成本、节能环保的材料面临困难，如镀青铜制作的继电器接触簧片材料等生产技术有待突破。3对策及建议通过几十年的发展，我国的高端铜材料行业研

16、究和生产还相对落后，不仅生产规模上处于劣势，更主要的是产品质量上还不能适应高新行业的发展，高端产品发展缓慢。针对在铜合金发展过程中所面临的问题和挑战，有以下对策和建议。(1)加强对铜合金方面人才的培养。当今社会，人才是一项重要的资源。加大专业人才的培养和专业知识的普及，更加有利于各个尖端行业的发展和创新。通过各大高校培养一批专精于铜合金研究的人才，能够从根本技术上缩短我们与其他国家的距离乃至超越，在此类技术方处于领先地位。(2)发展基础生产建设，提升装备开发。一项技术想要发展，想要突破，不仅需要高端人才。同时，一批先进的装备也必不可少。深度参与国际分工，汲取先进知识经验和技术，坚持走独立自主的科技创新道路，在引进国际先进工艺以及设备的同时，自主创新，将经验和发明创造落实到实际生产力上，做到青出于蓝而胜于蓝，提高生产能力和生产效率。(3)制定相关产品的标准规范。在研究和生产的过程中，少不了一套标准来衡量技术的成熟程度以及产品的质量好坏、品质高低。为解决高端铜合