銅材料應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展建議

劉 佳，郭子豪，李皓琪，馬雨萌，張開來(lái)，陳坤元

（西安工程大學(xué) 材料工程學(xué)院，陜西 西安 710048）

銅及銅合金材料是促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展最重要的基礎(chǔ)材料之一，銅材料具備良好的力學(xué)性能和高溫穩(wěn)定性，且具有良好的耐電弧侵蝕性和耐磨性，廣泛地應(yīng)用于集成電路引線框架、精密儀表彈性元件、交通冶金、電子信息及精密、航空航天、制造業(yè)等領(lǐng)域，是一種應(yīng)用前景廣闊的材料[1]。20 世紀(jì)70 年代以來(lái)，國(guó)外對(duì)銅材料進(jìn)行了大量的開發(fā)和研制，80 年代我國(guó)也開始逐步研究銅材料，來(lái)應(yīng)對(duì)時(shí)代的飛速發(fā)展。

目前國(guó)際上開發(fā)的銅材料有110 多種[2]，應(yīng)用范圍非常廣泛。銅材料對(duì)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)發(fā)展有著重要作用，影響著未來(lái)部分領(lǐng)域的研究。我國(guó)銅合金的產(chǎn)量和消費(fèi)量都居世界首位，開發(fā)新型銅材料并研究出高效率、易操作的新工藝和新技術(shù)對(duì)促進(jìn)創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展、推動(dòng)我國(guó)材料行業(yè)向高質(zhì)量發(fā)展轉(zhuǎn)型起著重要作用。本文著重介紹了不同銅合金的分類及應(yīng)用現(xiàn)狀，梳理出目前所面臨的問(wèn)題，并針對(duì)現(xiàn)有問(wèn)題提出對(duì)策及建議。

1 銅合金的分類及應(yīng)用

銅是現(xiàn)階段使用量較大的有色金屬，銅合金在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用非常廣泛，現(xiàn)有銅合金已很難適應(yīng)工業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展，高端銅材料的研發(fā)已成為未來(lái)發(fā)展新趨勢(shì)。目前銅材料主要分為以下幾類：高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金、耐磨耐蝕銅合金、超高導(dǎo)電銅合金、超高強(qiáng)彈性銅合金、彌散強(qiáng)化銅基復(fù)合材料[3]。

1.1 高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金

高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金廣泛應(yīng)用于大規(guī)模集成電路引線框架、大型渦輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子導(dǎo)線、大型電力機(jī)車架空導(dǎo)線等，這些器件所用的材料不僅要求有高強(qiáng)高導(dǎo)的性能，還需要有高的導(dǎo)熱系數(shù)和一定的高溫強(qiáng)度。目前市場(chǎng)上的高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金種類繁多，其中應(yīng)用最廣泛的是Cu-Fe-P 系、Cu-Ni-Si 系、Cu-Cr-Zr 系等[4]。近些年，高強(qiáng)度高導(dǎo)銅合金產(chǎn)業(yè)化技術(shù)取得突破，以Cu-Ni-Si、Cu-Mg 系合金為代表，能夠使銅合金在導(dǎo)電率保持在80%IACS 以上情況下獲得強(qiáng)度比純銅高幾十倍的優(yōu)異綜合性能，廣泛應(yīng)用于框架材料、電子工業(yè)、超大規(guī)模集成電路、電力電氣領(lǐng)域等[1，5-8]。此外，由于該類銅合金的導(dǎo)電率和強(qiáng)度往往是成反比的，因此在開發(fā)新型高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金時(shí)，需要綜合分析各種強(qiáng)化方式，開發(fā)出材料的最大潛能，節(jié)約材料并滿足不同的性能要求。高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金的強(qiáng)化方式主要有：固溶強(qiáng)化、細(xì)晶強(qiáng)化、第二相強(qiáng)化、形變強(qiáng)化和復(fù)合強(qiáng)化[4，7，9]。市面上使用較多的強(qiáng)化方式有固溶強(qiáng)化和形變強(qiáng)化，通常在銅中固溶銀、鎳、鋁、鎂、鋅、鈹?shù)仍?，且含量大多?%以內(nèi)。室溫下Ag 在銅中的溶解度為0.1%，剛好使Cu 基質(zhì)飽和，在元素周期表中Cu 與Ag 相鄰，因此更容易形成固溶體。Cu 與Ag 都是良好的導(dǎo)電材料，Ag元素作為溶質(zhì)原子對(duì)固溶強(qiáng)化后的銅合金的導(dǎo)電率影響不大。Cu-0.1%Ag 經(jīng)過(guò)冷加工后，強(qiáng)度可以達(dá)到420 MPa，導(dǎo)電率為100%IACS。而Cu-10%Ag 經(jīng)適當(dāng)處理后，強(qiáng)度可提高2.4 倍，導(dǎo)電率也可達(dá)到80%IACS[10-11]。形變強(qiáng)化主要是依靠對(duì)銅合金進(jìn)行熱處理加工，也稱作加工硬化。這種強(qiáng)化方式能夠獲得較高的強(qiáng)度和導(dǎo)電率，但缺點(diǎn)也較為明顯，在高溫時(shí)強(qiáng)化效果較差，當(dāng)銅合金加熱到再結(jié)晶溫度以上時(shí)，強(qiáng)化效果將大打折扣甚至全部消失。

1.2 耐磨耐蝕銅合金

常用耐磨耐蝕銅合金包括錫青銅、鋁青銅、錳白銅和復(fù)雜黃銅，鑄件的硬度和抗拉強(qiáng)度均低于擠壓材，其中擠壓材的抗拉強(qiáng)度約600 MPa，硬度超過(guò)200 HBS[12]。錫青銅主要應(yīng)用于彈性元件和耐磨零件，其具有較高的力學(xué)性能、耐蝕性和優(yōu)良的切削性，長(zhǎng)期用于制作彈簧、簧片，耐磨襯套、軸套等；鋁青銅因在鑄造過(guò)程中容易獲得強(qiáng)度高、耐磨性好的致密組織，被廣泛用來(lái)制作耐磨零件和特種模具；錳白銅作為精密電阻合金主要用于制作電路回路中的電阻部件、測(cè)量?jī)x器、儀表中的電阻元件和電阻應(yīng)變計(jì)元件等；在簡(jiǎn)單黃銅中固溶1%~5%的錫、鉛、鋁等元素來(lái)改善功能的合金稱為“復(fù)雜黃銅”，根據(jù)加入的元素不同其性能的提升也有差異，如錫元素的加入能提高黃銅的耐蝕性、鉛元素的加入能改善黃銅的可切削性和耐磨性，因此復(fù)雜黃銅的應(yīng)用也極為廣泛。

1.3 超高導(dǎo)電銅合金

新型超高導(dǎo)電銅合金的開發(fā)具有重要意義，如若遠(yuǎn)距離輸電線路導(dǎo)電率提高一倍，輸電線路的合金使用量將會(huì)減少一倍。超高導(dǎo)電銅可分為：純銅、合金銅和銅基復(fù)合材料。純銅材料主要通過(guò)減少晶界、雜質(zhì)缺陷來(lái)改善導(dǎo)電率。目前研究出一種新的無(wú)氧銅，導(dǎo)電率超過(guò)了102%IACS[13]，但還在試用階段，并且制造復(fù)雜。大部分元素的添加會(huì)對(duì)電子產(chǎn)生附加電子散射，引起電阻增加，顯著降低合金導(dǎo)電率，但某些合金元素的添加可以改變電子結(jié)構(gòu)來(lái)提高導(dǎo)電性，一般使用Sn 和稀土來(lái)進(jìn)行改善，Sn 元素能夠改變電子結(jié)構(gòu)，而稀土元素有吸氧脫氧作用，在固溶體中可以用Sn 原子取代Cu 原子以增加自由電子的數(shù)量從而提高導(dǎo)電率。其中Cu-0.5wt%Sn 合金在鑄態(tài)和退火態(tài)的導(dǎo)電率分別達(dá)到了111.39%IACS 和136.95%IACS[14-16]。有研究表明，通過(guò)在純銅中添加少量鑭系稀土元素制備的超高導(dǎo)電銅合金，不同濃度配比的合金導(dǎo)電率在99.81%IACS～106.14%IACS[17]之間。但這種提高導(dǎo)電率的機(jī)理比較復(fù)雜，并且加入的元素量難以控制，制造工藝存在不穩(wěn)定性。目前，超高導(dǎo)電銅的制備仍很不穩(wěn)定，材料中的強(qiáng)化效果往往不均勻且不可預(yù)測(cè)。同時(shí)，如電解共沉積法和化學(xué)氣相沉積法只能用于制備超高導(dǎo)電銅的小樣品[17-18]，無(wú)法批量生產(chǎn)。因此，尋找一種可以穩(wěn)定地、大規(guī)模地制備超高導(dǎo)電銅材料的方法是亟待解決的問(wèn)題。

1.4 超高強(qiáng)彈性銅合金

一般抗拉強(qiáng)度超過(guò)1 000 MPa 的導(dǎo)電彈性銅合金稱作超高強(qiáng)彈性銅合金。目前，國(guó)內(nèi)超高強(qiáng)彈性銅合金主要分為Cu-Be 系、Cu-Ti 系、Cu-Ni-Si 系等。鈹青銅，含鈹量在0.2%~2.0%之間，抗拉強(qiáng)度大于1 000 MPa，該合金在淬火后具有高強(qiáng)度、高硬度、高彈性極限、耐腐蝕、耐疲勞和耐低溫的優(yōu)異性能，被譽(yù)為“有色彈性材料之王”，應(yīng)用非常廣泛。QBe2 合金在進(jìn)行適當(dāng)熱處理后，可獲得超高的強(qiáng)度和硬度，但鈹青銅生產(chǎn)成本高，且生產(chǎn)過(guò)程中形成鈹?shù)难趸锏扔卸疚镔|(zhì)，不僅污染環(huán)境，還會(huì)造成人的組織器官病，危害人類健康。研發(fā)可以替代鈹青銅的新型銅合金成為未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)，開發(fā)出一種力電性能配合良好的新型銅合金具有重要意義和使用價(jià)值[19]。鈦青銅具有高強(qiáng)度、高硬度和高彈性極限，且耐磨、耐疲勞、耐熱和耐蝕性能優(yōu)異。鈦青銅是一類高強(qiáng)度的導(dǎo)電彈性材料，主要用作有高強(qiáng)、高彈性、高耐磨要求的器件材料。有研究表明QTi3.5-0.2 合金冷加工抗拉強(qiáng)度可以到750~800 MPa，伸長(zhǎng)率為3.5%~4.0%。QTi6-1 合金冷加工抗拉強(qiáng)度為900~1 080 MPa，伸長(zhǎng)率為1.5%~3.5%[20-21]。但鈦青銅導(dǎo)電性不高，而且生產(chǎn)成本過(guò)高。Cu-Ni-Sn 系合金是一種具有高強(qiáng)度的耐磨、耐腐蝕銅合金材料，該類合金可廣泛應(yīng)用于制造各種形式的彈性元件、儀器儀表和耐磨元件中。20 世紀(jì)70 年代研發(fā)成功的牌號(hào)為C72900 的Cu-Ni-Sn 系合金在生產(chǎn)過(guò)程中容易發(fā)生晶界偏析，造成合金強(qiáng)度下降。為解決該問(wèn)題可在熔煉合金時(shí)加入Si、Nb、V、B 等元素來(lái)細(xì)化晶粒從而提高合金強(qiáng)度。Cu-Ni-Sn 合金具有明顯的時(shí)效現(xiàn)象，并且Schwartz 等利用TEM 證明了Cu-Ni-Sn 合金在時(shí)效過(guò)程中發(fā)生了調(diào)幅分解[10，17，22-23]。目前國(guó)內(nèi)外使用的繼電器、引線框架材料等仍主要為鈹銅合金。鈹青銅雖然具有毒性使得生產(chǎn)受限，但是鈹青銅的綜合性能較好，尚無(wú)法被代替，所以新型銅合金的研發(fā)是一門重要課題。雖然近年來(lái)開發(fā)了Cu-Ti、Cu-Ni-Sn、Cu-Ni-Si、Cu-Ni-Mn 和Cu-Ni-Al 合金[24]，它們具有超高強(qiáng)度和高溫性能，但是導(dǎo)電性普遍較低，因此進(jìn)一步優(yōu)化合金元素配比，改善熱處理工藝，研發(fā)出具有超高強(qiáng)度、良好高溫抗應(yīng)力松弛性能和優(yōu)異導(dǎo)電性能于一體的綜合性能優(yōu)異的新型銅合金是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。

1.5 彌散強(qiáng)化銅基復(fù)合材料

隨著科技不斷進(jìn)步以及中國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，很多傳統(tǒng)銅合金已經(jīng)不再能滿足我們的需求，先進(jìn)銅合金是眾多高端裝備所需的材料，該類材料的研發(fā)是國(guó)家重大工程和材料產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的需要。如Cu-Al2O3彌散強(qiáng)化銅合金是一種兼具高強(qiáng)高導(dǎo)抗高溫的性能優(yōu)異的材料，可在900℃高溫下工作[25]，主要用于制作電焊電極、電磁炮導(dǎo)軌和大功率微波管等。對(duì)銅基復(fù)合材料的導(dǎo)電率影響最大的因素是增強(qiáng)體的選擇。碳材料增強(qiáng)體主要為碳纖維、石墨、石墨烯等，其中碳納米管和石墨烯具有特殊的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)且物理和力學(xué)性能優(yōu)異[26]，最有望作為研發(fā)高強(qiáng)高導(dǎo)銅基復(fù)合材料的增強(qiáng)體。電子在碳納米管（CNT）中的傳導(dǎo)是彈道傳輸，具有很大的電子平均自由程，因此電子在體系中運(yùn)動(dòng)基本上不受雜質(zhì)等的散射使得CNT 阻力極低。根據(jù)該特殊性質(zhì)有望通過(guò)添加CNT 來(lái)解決銅合金導(dǎo)電率低的問(wèn)題[13-17，27]。石墨烯研究起步較晚，但與CNT 相比，其具有優(yōu)異的本征性能，可以通過(guò)復(fù)合效應(yīng)和協(xié)同效應(yīng)制備超高導(dǎo)電的石墨烯／銅復(fù)合材料。目前對(duì)石墨烯／金屬基復(fù)合材料的基體力學(xué)性能研究較多[28]，而對(duì)如何提升導(dǎo)電性能的研究較少。

2 銅材料發(fā)展面臨的問(wèn)題

我國(guó)是世界最大的銅資源進(jìn)口國(guó)和精煉銅生產(chǎn)國(guó)，盡管目前銅材產(chǎn)量居世界首位，但銅合金材料產(chǎn)業(yè)雖大卻不精，相關(guān)企業(yè)的新材料研發(fā)能力不足。目前我國(guó)銅合金材料產(chǎn)業(yè)面臨著如下幾個(gè)問(wèn)題。

（1）銅材料研究起步較晚，基礎(chǔ)理論研究薄弱，從而難以研發(fā)出創(chuàng)新性的理論成果，研究銅合金材料析出相的熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)問(wèn)題對(duì)材料制品的性能提升具有重要意義，同時(shí)，如何使銅合金材料獲得好的綜合性能需要進(jìn)一步研究，如引線框架材料除了需要兼具高強(qiáng)度高導(dǎo)電性能外，還必須要有較好的耐熱耐腐蝕耐氧化能力。（2）高新銅合金材料研發(fā)和生產(chǎn)較少，牌號(hào)單一，中國(guó)是世界上主要的銅產(chǎn)品生產(chǎn)國(guó)，但主要面向低端產(chǎn)品，而高新產(chǎn)品如Cu-Cr-Zr 合金、耐腐蝕Cu-Be 等引線框架材料生產(chǎn)極少，行業(yè)利潤(rùn)不足以支撐高新技術(shù)研發(fā)，國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力弱，主要表現(xiàn)為缺乏技術(shù)人才。（3）銅基合金材料制備工藝亟待改善，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有生產(chǎn)線環(huán)境污染較大，資源浪費(fèi)較嚴(yán)重，大規(guī)格產(chǎn)品的穩(wěn)定生產(chǎn)能力低，而很多新的制備方法多只處于實(shí)驗(yàn)室階段未能普及，原因在于變量難以控制、過(guò)程復(fù)雜和成本過(guò)高等原因，難以滿足大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的要求。（4）由于部分高端銅合金材料的制備遭遇技術(shù)上的“卡脖子”，缺乏核心制造技術(shù)和自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，未能建立起完善的材料性能、生產(chǎn)工藝設(shè)備等大型數(shù)據(jù)庫(kù)，使材料配方研發(fā)和生產(chǎn)工藝研究受限，延緩新材料的開發(fā)。（5）生產(chǎn)企業(yè)的生產(chǎn)加工技術(shù)體系不完善，設(shè)計(jì)產(chǎn)業(yè)集中、綠色、系統(tǒng)、規(guī)模化的生產(chǎn)工藝，生產(chǎn)高質(zhì)量、輕量化、低成本、節(jié)能環(huán)保的材料面臨困難，如鈹青銅制作的繼電器接觸簧片材料等生產(chǎn)技術(shù)有待突破。

3 對(duì)策及建議

通過(guò)幾十年的發(fā)展，我國(guó)的高端銅材料行業(yè)研究和生產(chǎn)還相對(duì)落后，不僅生產(chǎn)規(guī)模上處于劣勢(shì)，更主要的是產(chǎn)品質(zhì)量上還不能適應(yīng)高新行業(yè)的發(fā)展，高端產(chǎn)品發(fā)展緩慢。針對(duì)在銅合金發(fā)展過(guò)程中所面臨的問(wèn)題和挑戰(zhàn)，有以下對(duì)策和建議。

（1）加強(qiáng)對(duì)銅合金方面人才的培養(yǎng)。當(dāng)今社會(huì)，人才是一項(xiàng)重要的資源。加大專業(yè)人才的培養(yǎng)和專業(yè)知識(shí)的普及，更加有利于各個(gè)尖端行業(yè)的發(fā)展和創(chuàng)新。通過(guò)各大高校培養(yǎng)一批專精于銅合金研究的人才，能夠從根本技術(shù)上縮短我們與其他國(guó)家的距離乃至超越，在此類技術(shù)方處于領(lǐng)先地位。（2）發(fā)展基礎(chǔ)生產(chǎn)建設(shè)，提升裝備開發(fā)。一項(xiàng)技術(shù)想要發(fā)展，想要突破，不僅需要高端人才。同時(shí)，一批先進(jìn)的裝備也必不可少。深度參與國(guó)際分工，汲取先進(jìn)知識(shí)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)，堅(jiān)持走獨(dú)立自主的科技創(chuàng)新道路，在引進(jìn)國(guó)際先進(jìn)工藝以及設(shè)備的同時(shí)，自主創(chuàng)新，將經(jīng)驗(yàn)和發(fā)明創(chuàng)造落實(shí)到實(shí)際生產(chǎn)力上，做到青出于藍(lán)而勝于藍(lán)，提高生產(chǎn)能力和生產(chǎn)效率。（3）制定相關(guān)產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。在研究和生產(chǎn)的過(guò)程中，少不了一套標(biāo)準(zhǔn)來(lái)衡量技術(shù)的成熟程度以及產(chǎn)品的質(zhì)量好壞、品質(zhì)高低。為解決高端銅合金材料研發(fā)難，性能參差不齊等問(wèn)題，應(yīng)建立完善的數(shù)據(jù)庫(kù)以及產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)體系，包括從生產(chǎn)到最后的回收完整循環(huán)體系，規(guī)范生產(chǎn)秩序、明確監(jiān)督指標(biāo)，確保生產(chǎn)行業(yè)能夠持續(xù)穩(wěn)定高質(zhì)量的發(fā)展。

4 結(jié)束語(yǔ)

銅合金材料的研究和發(fā)展有很多方向，每種方向下所研發(fā)的新產(chǎn)品都會(huì)對(duì)未來(lái)的發(fā)展和建設(shè)有所促進(jìn)。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步、制備成本的逐漸降低，會(huì)有更完善的工藝來(lái)制備出綜合性能更好的銅材料?？傊?，銅材料在未來(lái)的新材料、航空航天、冶金、自動(dòng)化、電子信息等領(lǐng)域必將發(fā)揮更大的作用。