拓展新型復(fù)合導(dǎo)體材料

劉新華 謝建新|文

銅包鋁復(fù)合扁排是近幾年發(fā)展起來(lái)的一種高性能低成本的新型復(fù)合導(dǎo)體。我國(guó)銅排的年需求量大，采用銅包鋁復(fù)合扁排替代傳統(tǒng)銅排可節(jié)約大量銅資源，顯著降低成本，是國(guó)內(nèi)外發(fā)展的重要趨勢(shì)。

銅鋁復(fù)合材料包括側(cè)面鋁裸露型（如三明治結(jié)構(gòu)）和包覆型（橫截面上鋁完全被銅包覆）兩大類(lèi)。包覆型銅鋁復(fù)合材料通稱(chēng)銅包鋁復(fù)合材料，是近幾年發(fā)展起來(lái)的一種新型層狀復(fù)合材料，兼有銅的導(dǎo)電性能優(yōu)異、耐腐蝕性能好以及鋁的成本低、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。

銅包鋁復(fù)合導(dǎo)體根據(jù)產(chǎn)品斷面形狀，主要有扁排、扁線和圓線，此外還有特種用途的細(xì)絲和微絲。扁排斷面寬度為50～250毫米，厚度5～20毫米，主要用作電力、建筑、交通、冶金、化工領(lǐng)域的各種母線排、大型控制柜和開(kāi)關(guān)柜的匯流排等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前純銅扁排國(guó)內(nèi)市場(chǎng)年需求高達(dá)140萬(wàn)噸，是量大面廣的一類(lèi)導(dǎo)體產(chǎn)品。扁排主要用于傳輸大電流，而大電流具有一定的集膚效應(yīng)，有利于發(fā)揮銅包鋁的特點(diǎn)，因此完全可以采用銅包鋁復(fù)合扁排替代傳統(tǒng)的純銅扁排，節(jié)約大量銅資源，顯著降低成本，已成為國(guó)內(nèi)外發(fā)展的重要趨勢(shì)。

國(guó)內(nèi)外技術(shù)研發(fā)現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)外銅包鋁復(fù)合材料的生產(chǎn)方法主要有軋制壓接法、包覆焊接法、靜液擠壓法、銅管注鋁法、鋁棒套管法和連鑄直接復(fù)合成形法。其中軋制壓接法和包覆焊接法是國(guó)外開(kāi)發(fā)的用于銅包鋁線材生產(chǎn)的方法，難以生產(chǎn)大斷面的銅包鋁排產(chǎn)品。銅包鋁扁排生產(chǎn)方法的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)。

1.靜液擠壓法

靜液擠壓是一種特殊的潤(rùn)滑擠壓工藝，在坯料周?chē)錆M介質(zhì)，壓力通過(guò)介質(zhì)作用到坯料上，坯料受到均勻的等靜壓力，與擠壓筒、擠壓軸沒(méi)有接觸，變形區(qū)與擠壓模之間的摩擦很小，因此從表層到芯部都能保持較均勻的流動(dòng)變形。

靜液擠壓法生產(chǎn)銅包鋁復(fù)合材料的工藝為：以大直徑銅管和鋁棒套裝成復(fù)合擠壓坯料（頭部和尾部需密封處理），經(jīng)靜液擠壓一次成材，通過(guò)大等靜水壓力和大加工變形作用，實(shí)現(xiàn)銅鋁之間冶金結(jié)合，界面結(jié)合強(qiáng)度高。但該方法設(shè)備昂貴，工藝復(fù)雜，成材率低，難以連續(xù)生產(chǎn)，生產(chǎn)成本高。

2.銅管注鋁法

銅管注鋁法是國(guó)內(nèi)廠家近年來(lái)嘗試用于銅包鋁扁排生產(chǎn)的一種方法，該法是將熔化的鋁液澆注到垂直放置并底端封口的預(yù)制銅管內(nèi)，通過(guò)控制冷卻，使鋁液在銅管內(nèi)從下至上順序凝固，生產(chǎn)銅包鋁復(fù)合棒坯。將復(fù)合坯料頭、尾去除后，再軋制、拉拔制備銅包鋁扁排。該方法生產(chǎn)工藝簡(jiǎn)單，但存在的突出問(wèn)題是：注鋁過(guò)程中銅管內(nèi)表面易氧化，產(chǎn)品的界面結(jié)合強(qiáng)度較低；銅鋁界面反應(yīng)難以控制，界面質(zhì)量均勻性較差；產(chǎn)品成材率很低。因此，該方法迄今仍未用于規(guī)?；I(yè)生產(chǎn)。

3.鋁棒套管法

鋁棒套管法的基本工藝是，先制備銅管和純鋁棒，并對(duì)銅管內(nèi)表面和鋁棒外表面進(jìn)行清洗，然后將銅管和純鋁棒坯套裝成復(fù)合坯料，通過(guò)縮徑、拉拔促使銅鋁界面機(jī)械結(jié)合，再經(jīng)擴(kuò)散退火和熱軋制備銅包鋁扁排。主要問(wèn)題是界面結(jié)合強(qiáng)度低，存在環(huán)境負(fù)擔(dān)，成材率低，生產(chǎn)成本高。

4.連鑄直接復(fù)合成形法

銅包鋁連鑄直接復(fù)合成形基本原理如圖1所示，它是將純銅和純鋁分別熔化后，經(jīng)過(guò)一個(gè)由7和11組成的復(fù)合鑄造裝置和引錠機(jī)構(gòu)9，在連鑄出銅管的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)將鋁液連續(xù)澆注到先凝固的銅管中并凝固，獲得界面為冶金結(jié)合的銅包鋁連鑄棒坯。通過(guò)熔化爐與保溫爐合理配置，可實(shí)現(xiàn)連鑄不間斷生產(chǎn)。再通過(guò)軋制成形將銅包鋁棒坯成形加工為銅包鋁扁排、扁線等產(chǎn)品。

圖1 銅包鋁連鑄直接復(fù)合成形工藝原理

連鑄軋制法解決了銅包鋁復(fù)合材料現(xiàn)有生產(chǎn)方法難以高效、大規(guī)模、低成本生產(chǎn)高性能銅包鋁復(fù)合扁排產(chǎn)品的技術(shù)難題。其顯著特點(diǎn)是：工藝流程短；銅鋁之間冶金結(jié)合，界面結(jié)合強(qiáng)度高，產(chǎn)品質(zhì)量好；生產(chǎn)效率和成材率高，適合大規(guī)模生產(chǎn)，生產(chǎn)成本低；適合生產(chǎn)交流大電流傳輸用復(fù)合扁排。

生產(chǎn)現(xiàn)狀與應(yīng)用前景

1.生產(chǎn)與應(yīng)用現(xiàn)狀

近年來(lái)銅包鋁復(fù)合電力扁排的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用引起了國(guó)內(nèi)外廣泛重視。國(guó)外主要以英國(guó)BRUKER公司采用靜液擠壓法生產(chǎn)的銅包鋁扁排產(chǎn)品（Cuponal）為代表，在國(guó)際著名企業(yè)和高新技術(shù)領(lǐng)域獲得較多應(yīng)用。主要應(yīng)用領(lǐng)域包括配電柜、開(kāi)關(guān)柜、電機(jī)控制系統(tǒng)、母線槽、發(fā)電機(jī)組、變電站、鐵路牽引設(shè)備、變壓器等方面。代表性應(yīng)用實(shí)例有：伊頓公司配套母線系統(tǒng)采用了銅包鋁排標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品；歐洲之星列車(chē)電氣系統(tǒng)上使用了銅包鋁排產(chǎn)品，用來(lái)降低列車(chē)的重量；20世紀(jì)90年代銅包鋁排被用在世界上最大的高速渡輪上；目前每架空客A380上使用了1噸的銅包鋁，替代銅排2.2噸，實(shí)現(xiàn)減重1.2噸。但由于靜液擠壓法生產(chǎn)的產(chǎn)品價(jià)格高（歐洲市場(chǎng)價(jià)格約合9萬(wàn)人民幣/噸），主要用于對(duì)減重要求高的產(chǎn)品，未在替代普通純銅電力扁排方面獲得大規(guī)模應(yīng)用。

國(guó)內(nèi)銅包鋁扁排的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用較晚，但近年來(lái)由于巨大的市場(chǎng)前景引起了研發(fā)人員和生產(chǎn)企業(yè)的高度重視，已有一些產(chǎn)品獲得應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)銅包鋁扁排的主要生產(chǎn)方法為鋁棒套管法、銅管注鋁法和連鑄軋制生產(chǎn)法，其中鋁棒套管法和銅管注鋁法雖然工藝簡(jiǎn)單，但存在生產(chǎn)效率低、成材率低、成本高，產(chǎn)品界面結(jié)合強(qiáng)度較低、質(zhì)量參差不齊等問(wèn)題。

圖2 銅包鋁復(fù)合扁排的應(yīng)用領(lǐng)域舉例

由北京科技大學(xué)發(fā)明、煙臺(tái)孚信達(dá)雙金屬股份有限公司成功產(chǎn)業(yè)化的銅包鋁復(fù)合扁排連鑄軋制生產(chǎn)法是具有國(guó)際領(lǐng)先水平的短流程新工藝。在國(guó)家自然科學(xué)基金、863等課題的支持下，經(jīng)十余年長(zhǎng)期努力，在采用連鑄軋制法生產(chǎn)銅包鋁扁排方面取得重大突破。研制了成套生產(chǎn)設(shè)備，開(kāi)發(fā)了短流程制備加工成套工藝，建成了單條年產(chǎn)3000噸銅包鋁復(fù)合扁排、扁線生產(chǎn)線，實(shí)現(xiàn)了銅包鋁扁排系列產(chǎn)品的批量生產(chǎn)。在國(guó)家權(quán)威檢測(cè)部門(mén)對(duì)40×10毫米～80×10毫米二十余種代表規(guī)格的銅包鋁扁排的電阻率、力學(xué)性能、載流溫升試驗(yàn)、短路試驗(yàn)、界面結(jié)合強(qiáng)度、彎曲性能、沖裁性能等主要應(yīng)用性能進(jìn)行了全面分析測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，連鑄軋制法生產(chǎn)的銅包鋁扁排界面結(jié)合強(qiáng)度高，達(dá)到40～60兆帕（不同退火狀態(tài)）；沖孔、彎折、裁切時(shí)不會(huì)出現(xiàn)界面開(kāi)裂、分層形象，機(jī)加工性能優(yōu)良；特別是經(jīng)過(guò)1000次熱循環(huán)和6次大電流短路后材料性能仍保持穩(wěn)定。目前煙臺(tái)孚信達(dá)公司生產(chǎn)的銅包鋁排產(chǎn)品質(zhì)量達(dá)到國(guó)內(nèi)領(lǐng)先、國(guó)際先進(jìn)水平，通過(guò)了包括歐洲、韓國(guó)等國(guó)際電氣巨頭在內(nèi)的用戶嚴(yán)格的測(cè)試，得到國(guó)內(nèi)外用戶的一致認(rèn)可，在風(fēng)能和太陽(yáng)能光伏發(fā)電等新能源領(lǐng)域（變頻柜和逆變柜等）、建筑母線槽、配電柜、開(kāi)關(guān)柜、高鐵配電系統(tǒng)、變壓器、冶金設(shè)備配電系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)等方面已經(jīng)獲得批量應(yīng)用。國(guó)內(nèi)外銅包鋁復(fù)合扁排的應(yīng)用實(shí)例如圖2所示。

2.銅包鋁復(fù)合扁排應(yīng)用前景

截至2013年年底我國(guó)發(fā)電設(shè)備裝機(jī)量達(dá)11.44億千瓦，其中風(fēng)電裝機(jī)6000多萬(wàn)千瓦。電力工業(yè)的迅猛發(fā)展，帶動(dòng)了我國(guó)銅需求的快速增長(zhǎng)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)純銅導(dǎo)電排的年需求量達(dá)140萬(wàn)噸。近年，由于環(huán)境壓力，國(guó)家已經(jīng)制定了光伏、風(fēng)電等清潔新能源的發(fā)展規(guī)劃，預(yù)計(jì)將有一個(gè)大的發(fā)展，會(huì)形成對(duì)銅包鋁電力扁排的大量需求。美國(guó)、歐洲和韓國(guó)等國(guó)際電氣巨頭對(duì)我國(guó)的連鑄軋制法生產(chǎn)的銅包鋁扁排產(chǎn)品表現(xiàn)出極大的興趣，今后國(guó)際市場(chǎng)的需求潛力巨大。使用銅包鋁復(fù)合扁排可使用戶的綜合成本降低40%以上，經(jīng)濟(jì)效益顯著。因此，銅包鋁復(fù)合扁排市場(chǎng)前景廣闊。