銅和鋁的性質(zhì)及在包裝中的應(yīng)用

武漢大學(xué)動力機(jī)械學(xué)院 龔雪婷

一、銅和鋁的性能對比分析

銅和鋁都有優(yōu)良的導(dǎo)電性能，銅的導(dǎo)電能力僅位于銀之后，鋁的導(dǎo)電能力位于金之后，分別列于第二和第四位，銅的電導(dǎo)率為 58m/Ω·mm2，鋁的電導(dǎo)率為 37.5m/Ω·mm2。因此相同截面積鋁的導(dǎo)電能力只有銅的65%左右，以傳導(dǎo)等量電流而論，鋁的截面積大約是銅的1.6倍，然而銅的密度為8.92g/cm3，鋁的密度僅為 2.7g/cm3，鋁的密度只有銅的 30%，按重量計算，傳導(dǎo)等量電流鋁的用量還是節(jié)省了一半左右。

二、應(yīng)用分析

1.供配電系統(tǒng)中的應(yīng)用

（1）銅質(zhì)材料在供配電系統(tǒng)中的應(yīng)用

在供配電系統(tǒng)應(yīng)用中，銅芯電纜比鋁芯電纜有著更多的優(yōu)勢。

1）電壓損失低：由于銅芯電纜的電阻率低，在同截面流過相同電流的情況下。銅芯電纜的電壓降小。因此，同樣的輸電距離，能保證較高的電壓質(zhì)量；或者說，在允許的電壓降條件下，銅芯電纜輸電能達(dá)到較遠(yuǎn)的距離，即供電覆蓋面積大，有利于網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃，減少供電點(diǎn)的設(shè)置數(shù)量。

2）發(fā)熱溫度低：在同樣的電流下，同截面的銅芯電纜的發(fā)熱量比鋁心電纜小得多，使得運(yùn)行更安全。

3）能耗低：由于銅的電阻率低，相比鋁電纜而言，銅電纜的電能損耗低，這是顯而易見的，這有利于提高發(fā)電利用率和保護(hù)環(huán)境。

表1 銅和鋁的性質(zhì)對比

4）施工方便：由于銅芯柔性好，允許的彎折半徑小，所以拐彎方便，穿管容易；由于銅芯抗疲勞、反復(fù)折彎不易斷裂，所以接線方便；又由于銅芯的機(jī)械強(qiáng)度高，能承受較大的機(jī)械拉力，給施工敷設(shè)帶來很大便利，也為機(jī)械化施工創(chuàng)造了條件。

在建筑內(nèi)進(jìn)行暗設(shè)或預(yù)埋暗線時，常常采用的是銅芯導(dǎo)線，因?yàn)樵诟鼡Q暗線時，需要較高及較大的機(jī)械強(qiáng)度才能將預(yù)埋的線拉出，一旦線被拉斷，整個暗線系統(tǒng)就將報廢，失去意義。

因此，銅電纜在電纜供電中，特別是地下電纜供電領(lǐng)域，具有突出的優(yōu)勢。地下使用銅芯電纜供電具有事故率低、耐腐蝕、可靠性高、施工維護(hù)方便等特點(diǎn)。這正是國內(nèi)目前在地下電纜供電中主要采用銅電纜的原因所在。從物理性質(zhì)上來說，銅的氧化物仍舊具有導(dǎo)電能力，在銅線纜老化后仍然不影響用電安全，而這是鋁所不具備的。

（2）鋁質(zhì)材料在供配電系統(tǒng)中的應(yīng)用

在國內(nèi)低壓輸配電系統(tǒng)中鋁導(dǎo)體受材料、工藝、安裝質(zhì)量等方面的影響，容易出現(xiàn)過熱、腐蝕、斷路等問題。因此鋁導(dǎo)體在低壓配電中應(yīng)用較少，大都使用銅導(dǎo)體。但高壓輸電一般采用鋼芯鋁絞線，因?yàn)殇X的密度小，相等體積情況下，鋁的質(zhì)量比鐵、銅小，鋁導(dǎo)電性比鐵好，而電流的傳輸具有一種“趨膚效應(yīng)”的物理現(xiàn)象，就是沿著導(dǎo)線表面流動。因此鋁導(dǎo)體在高壓輸電領(lǐng)域用量居首位，90%的6—110KV以上的電力線路使用鋼芯鋁絞線。

在國外，特別是在歐美等發(fā)達(dá)國家，由于鋁材具有價格低廉，加工容易、重量輕、安裝運(yùn)輸便利等特點(diǎn)，鋁材是主要的母線導(dǎo)體原材料。在美國，30%的母線導(dǎo)體采用鋁材，在歐洲，60%母線導(dǎo)體采用鋁材。例如施耐德等一些國際知名電氣設(shè)備制造商，均提供鋁母線產(chǎn)品。由于鋁質(zhì)材料重量輕，鋁母線在汽車制造，電子，航空等高技術(shù)領(lǐng)域，均已得到廣泛的應(yīng)用。

2.機(jī)電行業(yè)綜合應(yīng)用

目前，在機(jī)電安裝領(lǐng)域，一種新型的電纜——銅包鋁電纜研究和應(yīng)用正在增長。銅包鋁線纜是指以鋁芯線代替銅成為線纜主體，外面包一定比例的銅層的電線電纜。它是利用電流的集膚效應(yīng)，銅的高導(dǎo)電性，銅良好的耐腐蝕性，以及鋁的重量輕，價格低的特點(diǎn)而生產(chǎn)的電纜。

銅包鋁線的電阻率比純銅線大，約為純銅線的1.5倍，在阻值相同時，銅包鋁線重量約為純銅線的1/2。根據(jù)集膚效應(yīng)計算，在5MHz以上高頻時，與相同截面的銅導(dǎo)體相比，其電阻率相等。

因此，在選擇應(yīng)用時，在安全或其它要求高的，重要的，電壓損失要求少的，強(qiáng)度要求高的情況下選擇銅導(dǎo)體。而在要求重量輕，成本低，加工容易的情況下選擇鋁導(dǎo)體。在頻率高于5MHz以上的情況下，可考慮選擇銅包鋁線纜。

3.包裝中的應(yīng)用

在各方面應(yīng)用中，包裝可以改變貿(mào)易和銷售途徑。銅、鋁因綜合性能好，無毒，與多數(shù)物品及工業(yè)品不會發(fā)生反應(yīng)而生成有害化合物，因而是理想的包裝材料。銅鋁金屬包裝有防止生物的、化學(xué)的、物理的外來因素的損害，它也可以有保持物品本身穩(wěn)定質(zhì)量的功能。銅和鋁都有優(yōu)良的熱傳導(dǎo)性能，但由于鋁儲量豐富且鋁價低，密封性能好，能有效地防止水蒸汽、氣體和芳香物質(zhì)的擴(kuò)散，因此現(xiàn)在越來越多的情況下使用鋁代替銅制作包裝材料。鋁箔是一種萬能的包裝材料，不管是素材還是有涂層與襯有其它材料的復(fù)合箔，在食品與飲料等包裝方面用量最大，不同國家與地區(qū)由于經(jīng)濟(jì)發(fā)展不同，生活方式的差異，鋁包裝材料的應(yīng)用比例有所不同。在杯形包裝薄蓋方面，鋁塑復(fù)合材料的應(yīng)用滿足了用戶隨身攜帶和容易開啟的需求。

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4.銅、鋁合金材料的應(yīng)用分析

銅和鋁形成合金的能力都很強(qiáng)，能形成多種性能的合金。

其中以鋅為主要合金元素的銅合金稱為黃銅。黃銅中鋅的含量越高，其強(qiáng)度也較高，塑性稍低。在黃銅中加1%的錫能顯著改善黃銅的抗海水和海洋大氣腐蝕的能力，因此稱為“海軍黃銅”。錫能改善黃銅的切削加工性能。

鉛黃銅即我們通常所說的易削國標(biāo)銅，加鉛的主要目的是改善切削加工性和提高耐磨性，鉛對黃銅的強(qiáng)度影響不大。雕刻銅也是鉛黃銅的一種。多數(shù)黃銅具有良好色澤、加工性、延展性，易于電鍍或涂裝。

銅與錫的合金叫青銅，因色青而得名。青銅一般具有較好的耐腐蝕性、耐磨性、鑄造性和優(yōu)良的機(jī)械性能?？捎糜谥圃炀茌S承、高壓軸承、船舶上抗海水腐蝕的機(jī)械零件。

如果在鋁中加入適量的其他元素配制成鋁合金，如硬鋁、超硬鋁、防銹鋁、鑄鋁等，具有強(qiáng)度高、塑性好、比強(qiáng)度大、重量輕等特性，可與優(yōu)質(zhì)合金鋼媲美，成為優(yōu)秀的輕型結(jié)構(gòu)材料，有“會飛的金屬”之稱，飛機(jī)結(jié)構(gòu)中鋁材占50%以上。機(jī)動車以鋁合金代替部分鋼材制作構(gòu)件，可使其重量減輕20%-75%，燃料消耗減少8%，機(jī)械部件壽命延長15%。鋁合金在車輛船舶建造業(yè)用鋁發(fā)展很快。鋁合金在建筑工業(yè)中也得到廣泛應(yīng)用，經(jīng)常用作房屋的門窗及結(jié)構(gòu)材料。

銅合金與鋁合金相比較有以下特點(diǎn)：

2）銅合金密度大、熔點(diǎn)高；鋁合金密度小、熔點(diǎn)低。

3）銅合金具有小的摩擦系數(shù)，線膨脹系數(shù)也較小，而耐磨性、疲勞極限和導(dǎo)熱性都很高；鋁合金也具有高導(dǎo)熱性，但耐磨性較差。

4）銅合金在大氣中的化學(xué)穩(wěn)定性較好，鋁合金較易氧化，因此鋁合金使用時經(jīng)常作表面陽極氧化處理。

5）銅資源相對較少，銅合金價格較高；鋁資源相對豐富，因此鋁合金價格較低。

因此在應(yīng)用時，要求在銅和鋁之間作選擇，那么要求強(qiáng)度較高、熔點(diǎn)高、耐磨性好、化學(xué)穩(wěn)定性好，選用銅合金；要求重量輕，價格低時選用鋁合金。

雖然銅的很多性能都高于鋁，但由于鋁重量輕，鋁資源儲量豐富，價格較低，因此隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，鋁及鋁合金的使用越來越廣泛。

三、結(jié)論

1.在低壓配電系統(tǒng)和在建筑內(nèi)進(jìn)行暗線敷設(shè)時，一般采用銅質(zhì)材料較為合適，但高壓輸電領(lǐng)域可使用鋼芯鋁絞線。

2.在高頻領(lǐng)域采用銅包鋁材料不會影響使用性能，同時可獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益。

3.在散熱材料領(lǐng)域，以鋁代替銅越來越普遍，可獲得較好的經(jīng)濟(jì)效益。

4.在銅或鋁中加入適量的其他元素配制成合金，可大大改變和提高銅或鋁的各種性能，廣泛應(yīng)用密軸承、高壓軸承、船舶上抗海水腐蝕的機(jī)械零件和航空領(lǐng)域。