廣泛使用的金屬之一
——銅的趣聞（3）

供稿|賈成廠

內(nèi)容導讀

銅不僅具有悠久的歷史，引領了時代，創(chuàng)造了文明，保障了人體健康，而且還是廣泛使用的金屬之一。本次我們從成語看銅的影響力說起，討論一下銅為什么會有如此大的需求，主要應用在哪些領域以及銅資源與中國銅的產(chǎn)業(yè)情況。

從成語看銅的影響力

由于銅長期作為貨幣使用，而且是緊排在金銀之后，所以有些含有“銅”的成語顯示著富貴榮華。例如銅山金穴：比喻極其富有。

青銅是人類最早使用的金屬工具，給人的印象是堅硬。因此成語中也有很多包含這層意思。

銅墻鐵壁：比喻十分堅固，不可摧毀的事物，也作“鐵壁銅墻”（圖1）。

圖1 銅墻鐵壁（圖片來自網(wǎng)絡）

銅心鐵膽：形容人的意志堅定。

銅圍鐵馬；意思是堅固的陣勢。

銅聲響器：形容說話聲音響亮。

鐵打銅鑄：鐵打成的，用銅澆鑄的，形容非常堅固。

眼如銅鈴：指眼睛睜得很大，形容非常生氣。

鐵板銅弦：形容豪邁激越的文章風格。

然而，金錢具有兩面性，“銅”又沒有金銀那么尊貴，所以，金錢的負面形象就毫不留情地砸在了“銅”的身上。而且，與金銀相比，銅屬于“賤金屬”，因此，破舊無用的說詞也“賞賜”給了銅。

臭銅熏天：常用以譏刺有錢人品行丑惡，也指賄賂公行、敗壞風氣。

破銅爛鐵：指破舊銹爛無用的銅鐵器，也泛指各種破舊無用的器物（圖2）。

圖2 破銅爛鐵（圖片來自網(wǎng)絡）

歷史上，銅還長期是制備鏡子的材料。銅鏡就是古代用銅做的鏡子，又稱青銅鏡。以銅為鏡：把別人的成敗得失作為自己的鑒戒。語本《墨子·非攻中》：“古者有語曰：君子不鏡于水，而鏡于人。鏡于水，見面之容；鏡于人，則知吉與兇?！?/p>

遠古時期，人們以水照面，銅器發(fā)明以后，以銅盆盛水鑒形照影。隨著合金技術的出現(xiàn)，開始了使用銅和錫、銀或鉛等制作銅鏡的歷史（圖3）。銅鏡一般制成圓形或方形，其背面鑄銘文飾圖案，并陪鈕以穿系，正面則以鉛錫磨礪光亮，可清晰照面。

圖3 銅鏡（圖片來自網(wǎng)絡）

“以史為鏡”：出自唐太宗李世民之口?！耙粋€人用銅當鏡子，可以使衣帽穿戴得端正；用歷史當鏡子，可以知道國家興亡的原因；用人當鏡子，可以發(fā)現(xiàn)自己的對錯。魏征一死，我就少了一面好鏡子啊?！保▓D4）

圖4 以銅為鏡（圖片來自網(wǎng)絡）

為什么銅會有如此大的需求？

銅對人類發(fā)展至關重要，并成為大量家庭、工業(yè)和高科技應用的首選金屬。近幾十年來銅的需求在不斷增加。這種需求隨著新興經(jīng)濟體的增長和發(fā)展而增加?，F(xiàn)在，中國已經(jīng)成為世界上主要的銅消費國。早在在2000 年后的12 年里，其消費量就翻了兩番[1]。

銅的吸引力來源于其獨特的性能。例如，只有銀的導電性能超過了銅。許多人認為黃金是最好的導體，但實際上銀和銅分別排名第1 和第2。黃金比銀和銅的優(yōu)勢在于其耐腐蝕性更好。

由于銅具有良好的導電性和導熱性，而且與其他具有類似特性的金屬相比成本較低，因此對銅的需求量很大。在文獻[2]里我們已經(jīng)知道，如果以銀的導電性與導熱性為基準（100%），則銅的導電性與導熱性可以分別達到94.52%和93.47%?，F(xiàn)在我們考慮一下價格因素，銅的售價為每噸約7 萬元，折合每克7 分錢，而銀的售價為每克約8 元，是銅價格的100 倍以上。想象一下，在導電和導熱領域，如果考慮到價格因素，即從性價比的角度來看，達到同樣的效果，使用銅的成本是使用銀的百分之一以下。如此看來，在大多數(shù)普通電器中，需要高導電的場合，大多是使用銅而不是銀，就不奇怪了吧。

銅合金的廣泛應用

銅能夠很容易地與其他金屬形成合金，這也是銅能夠得到廣泛應用的原因之一。銅與錫結合而形成青銅，前面已經(jīng)有過介紹。銅與鋅結合而形成黃銅（圖5），黃銅色澤美觀。銅鋅二元合金的黃銅稱普通黃銅或單黃銅。三元及以上合金的黃銅稱特殊黃銅或復雜黃銅。黃銅有優(yōu)良的冷加工性能，如含鋅質(zhì)量分數(shù)30%的黃銅常用于制作彈殼。添加鋁、鎳、錳、錫、硅、鉛等其他元素可改善普通黃銅的性能。鋁可提高黃銅的硬度、強度和耐蝕性，適合作海輪的冷凝管及其他耐蝕零件。錫可提高黃銅的強度以及對海水的耐腐性，可用作船舶熱工設備和螺旋槳等。鉛能改善黃銅的切削性能，常用作鐘表的零件。黃銅鑄件常用來制作閥門和管道配件等，如黃銅加鋁鑄造船舶用消防栓防爆月牙扳手[3]。

圖5 黃銅（圖片來自網(wǎng)絡）

銅與鎳結合而形成白銅。銅鎳二元合金的白銅稱普通白銅，加有鋁﹑鐵﹑錳﹑鋅等元素的白銅合金稱復雜白銅。工業(yè)用白銅有結構白銅和電工白銅2 大類。結構白銅耐蝕性和力學性能好，色澤美觀，廣泛用于制造精密機械﹑化工機械、眼鏡配件和船舶構件。電工白銅有良好的熱電性能，可用于制造精密電阻﹑精密電工儀器﹑變阻器﹑熱電偶及應變片等材料。

銅的不同合金各自具有獨特性能，而且還可以根據(jù)專業(yè)化的應用，開發(fā)新的合金組成與性能。例如，在海運業(yè)中，用銅鎳合金包裹船體，可以抵抗海水的腐蝕、阻止藤壺附著在船體上，從而減少阻力、提高燃料效率。銅及銅合金的主要應用領域如下。

在電氣工業(yè)領域的應用

電力輸送：主要用于動力電線電纜、變壓器和開關等。

電機制造：主要用于電機的轉子、定子和軸頭等。

通訊電纜：主要用于輸入用戶的線路。

在電子工業(yè)領域的應用

在新興產(chǎn)業(yè)的電子工業(yè)發(fā)展中，銅的新產(chǎn)品和新應用領域不斷被開發(fā)出來。主要應用領域包括電真空器件、印刷電路和集成電路。

電真空器件：高頻和超高頻發(fā)射管、磁控管與波導管等需要彌散強化無氧銅和高純無氧銅。

印刷電路：銅印刷電路（圖6）是把銅箔作為表面，粘貼在作為支撐的塑料板上；用照相的辦法把電路布線圖印制在銅版上；通過浸蝕把多余的部分去掉而留下相互連接的電路。對于那些需要精細布置電路的場合，如無線電、電視機，計算機等，采用銅印刷電路可以節(jié)省大量布線和固定回路的勞動，因此需要消費大量的銅箔。

圖6 印刷電路（圖片來自網(wǎng)絡）

集成電路：集成電路中的芯片采用銅，可以獲得30%的效能增益，電路線尺寸可減小至0.12 μm，使單個芯片上的晶體管數(shù)目達到200 萬個。

在交通工業(yè)領域的應用

船舶：一般銅和銅合金使用量占軍艦和商船的自重的2%~3%。鋁黃銅、鋁青銅、錳青銅、錫鋅青銅（炮銅）以及鎳銅合金（蒙乃爾合金）等銅合金由于良好的耐海水腐蝕性能而成為造船的標準材料。

汽車：每輛車用銅量10~21 kg。主要用于軸承、齒輪、散熱器、液壓裝置、剎車摩擦片、制動系統(tǒng)管路及配電和電力系統(tǒng)等。

鐵路：每千米的架空導線需用2 t 以上的銅線。列車上的電機、整流器以及控制系統(tǒng)等都需要銅和銅合金，對銅的需求量巨大。

飛機：銅用于飛機中的配線、液壓、冷卻和氣動系統(tǒng)，青銅管材用于起落架軸承和軸承保持器，抗磁銅合金用于導航儀表等。

在建筑業(yè)領域的應用

在住宅和公用建筑中，銅水管具有安裝方便、美觀耐用、安全防火及衛(wèi)生保健等優(yōu)點，常用于供水、熱、氣以及防火噴淋系統(tǒng)，與鍍鋅鋼管和塑料管相比存在優(yōu)越的性價比。

日常生活中的銅

銅的獨特性和多樣性充分體現(xiàn)在這種金屬與我們的日常生活完全融合。當我們打開一盞燈時，產(chǎn)生光的電通過銅線傳導。幾乎所有的電器或設備的供電都依賴于銅，從電器的電源線，到智能手機或平板電腦的電路板，再到洗衣機的電動機，銅以低廉的成本使設備高效地工作。

銅以雕塑、裝飾品的形式呈現(xiàn)藝術之美（圖7）；在銅表面鍍金或銀制成精密的飾品；銅手鐲可緩解關節(jié)炎，銅把手可殺死細菌。

圖7 銅雕塑（圖片來自網(wǎng)絡）

在動物界，許多水生生物的血液是銅基，而不是鐵基。例如章魚、螃蟹、龍蝦和蝦，它們依靠血液中的銅向細胞輸送的氧氣。

與純銅或鋅相比，黃銅的可塑性更強，聲學特性更好；因此，它被用于各種樂器，包括小號、長號和鐃鈸等（圖8）。

圖8 黃銅樂器（圖片來自網(wǎng)絡）

空調(diào)和冷凍機通過熱交換器的蒸發(fā)和冷凝作用來實現(xiàn)控溫。采用高導熱性能的異型銅管作為熱交換器管可提高空調(diào)和冷凍機效能，降低裝置尺寸。

黃銅可用于計時器及大量有鐘表機構裝置的工作部件，具有加工性能好，適合于大規(guī)模生產(chǎn)。

造紙工業(yè)用的冷卻器、蒸發(fā)器、打漿器、造紙機等機器的許多部件是用銅合金制作的。

制藥工業(yè)用的各類蒸藥、煮藥、真空等裝置。

銅資源與中國的銅產(chǎn)業(yè)

雖然銅的資源豐度方面沒有進入前10 名，但卻不 會 短 缺。 據(jù) USGS（United States Geological Survey 美國地質(zhì)勘探局）數(shù)據(jù)顯示，2021 年世界銅礦儲量為8.8 億t。銅礦儲量前3 的國家分別是智利、澳大利亞、秘魯，銅礦儲量分別為2 億t、9300 萬t 和7700 萬t，合計占世界銅資源總儲量約42%[4]。

雖然銅屬于非再生資源，但銅和石油、煤炭等資源不同，它具有可循環(huán)利用特性。通常所說的“再生銅”就是指廢銅的回收再利用。理論上銅可以全部被回收再利用，在過去1 萬年所開采的銅中，80%仍在繼續(xù)使用[5]。銅在所有的金屬中再生性能最好，無論經(jīng)過多少次回收，經(jīng)過精煉之后仍能保持其延展性、導電、導熱性及抗腐蝕性等基本性質(zhì)。廢銅的產(chǎn)生量會隨精銅消費量和社會保有量的增加而增加。這樣來看，世界上的銅不會越來越少，而會越來越多，因此不必擔心銅的消費會造成銅資源的耗盡或枯竭。銅礦開采使用是把地下埋藏的銅搬到地上，而通過廢銅回收實現(xiàn)永久性重復使用。

1952 年，中國首家萬噸級電解銅廠在天津建成，1953 年，第一座粗銅冶煉廠在安徽銅陵投產(chǎn)，年產(chǎn)粗銅2000 t。在近代工業(yè)中，銅被廣泛應用于電力、電子行業(yè)，到20 世紀60 年代，這兩個行業(yè)用銅量占據(jù)28%，到1997 年，這兩個行業(yè)仍是銅消耗的主要領域，占比25%。后來銅被廣泛應用于電氣、輕工、機械制造、建筑工業(yè)、交通運輸?shù)阮I域。2000 年以后，銅的主要消費市場由歐美國家轉到中國、俄羅斯、印度和巴西等發(fā)展中國家。在中國的有色金屬材料的消費中，銅僅次于鋁。

結束語

最后，以一首七律作為對“銅”的總結。

金銀之后緊相跟，

獎牌有名是季軍。

引領時代創(chuàng)文明，

建造金塔立功勛。

社會有之姿彩豐，

人體缺其狀態(tài)貧。

合金多樣用途廣，

電熱性能挑戰(zhàn)銀。