摘要：本文針對我國電工電子、新一代移動(dòng)通信、新能源汽車、航空航天、軌道交通等新興產(chǎn)業(yè)和重大工程領(lǐng)域?qū)ο冗M(jìn)銅合金材料的典型需求，梳理了國內(nèi)外高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金、耐磨耐蝕銅合金、超高強(qiáng)彈性銅合金、先進(jìn)銅基復(fù)合材料、高精度銅及銅合金細(xì)微絲、超薄箔材的發(fā)展現(xiàn)狀和差距。在此基礎(chǔ)上分析了上述先進(jìn)銅合金的典型市場需求，論證了我國先進(jìn)銅合金材料的中長期發(fā)展目標(biāo)和關(guān)鍵技術(shù)。研究還提出了促進(jìn)“產(chǎn)學(xué)研用管”的統(tǒng)籌規(guī)劃和一體化發(fā)展，提升裝備開發(fā)、技術(shù)研發(fā)和市場拓展能力，強(qiáng)化產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)研究與制定，建立青年科技骨干人才培養(yǎng)體系的產(chǎn)業(yè)發(fā)展建議。期望以國民經(jīng)濟(jì)重點(diǎn)領(lǐng)域和國防建設(shè)需求為導(dǎo)向，通過銅合金材料、裝備、技術(shù)、產(chǎn)業(yè)化等自主創(chuàng)新體系的完善，促進(jìn)我國先進(jìn)銅合金材料綠色、高端、智能發(fā)展。

關(guān)鍵詞：銅合金；高強(qiáng)度；高精度；功能應(yīng)用；

一、前言

《國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要》《新材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展指南》等政策文件明確提出，新一代信息技術(shù)、先進(jìn)軌道交通裝備、航空航天裝備、節(jié)能與新能源汽車等產(chǎn)業(yè)是我國重點(diǎn)發(fā)展的高新技術(shù)領(lǐng)域。這些領(lǐng)域的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料之一是高性能銅合金。高性能銅合金具有高導(dǎo)電性、高導(dǎo)熱性、高強(qiáng)度、高耐蝕以及可鍍性和易加工性等一系列優(yōu)異性能，是上述領(lǐng)域發(fā)展不可或缺的材料類型。

我國銅材產(chǎn)量和消費(fèi)量均居世界首位。按照包括各種常用銅材在內(nèi)的總體產(chǎn)量和進(jìn)口量計(jì)算，通用銅材的國內(nèi)滿足度達(dá)到了96%。先進(jìn)銅合金材料與構(gòu)件在***、重大工程和經(jīng)濟(jì)建設(shè)中具有重要地位，然而各種高性能銅合金材料嚴(yán)重依賴進(jìn)口，如新型高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金帶材、超細(xì)絲材、超薄帶材等。

開發(fā)先進(jìn)銅合金材料及其***、短流程制備加工新技術(shù)對促進(jìn)戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展、推動(dòng)我國由材料大國向材料強(qiáng)國邁進(jìn)起著重要的支撐作用。本文從國家重大工程和新興產(chǎn)業(yè)用銅合金的應(yīng)用著手，梳理諸多領(lǐng)域內(nèi)銅合金材料的發(fā)展與應(yīng)用現(xiàn)狀，在分析先進(jìn)銅合金材料的研發(fā)趨勢與典型市場需求的基礎(chǔ)上，提出先進(jìn)銅合金材料的中長期發(fā)展目標(biāo)與建議。

二、國內(nèi)外銅合金材料應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的飛速進(jìn)步，新材料朝著超高性能、高純度、高迭代方向發(fā)展，對相關(guān)產(chǎn)品的集成化、功能化、微型化、可靠性等提出了更高要求。先進(jìn)銅及銅合金作為核心導(dǎo)體材料，廣泛用于電子信息產(chǎn)業(yè)超大規(guī)模集成電路引線框架，國防裝備的電子對抗、雷達(dá)、大功率微波管，高脈沖磁場導(dǎo)體材料，高速軌道交通用架空導(dǎo)線、大功率調(diào)頻調(diào)速異步牽引電動(dòng)機(jī)導(dǎo)條與端環(huán)，新能源汽車用電阻焊電極、電池材料、充電樁彈性材料，冶金工業(yè)用連鑄機(jī)結(jié)晶器、電真空器件，電氣工程用開關(guān)觸橋和各種導(dǎo)線等。

1.高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金

高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金主要應(yīng)用于集成電路引線框架帶材、軌道交通接觸線、高壓電器觸頭等部件。國際市場上的高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金材料有百余種，獲得廣泛應(yīng)用的主要是Cu-Fe-P系、Cu-Ni-Si系、Cu-Cr-Zr系等。

在Cu-Fe-P系、Cu-Ni-Si系合金方面，國外開發(fā)了系列牌號，如美國環(huán)球金屬制品有限公司的C19400（CuFeP）和C70250（CuNiSi），日本三菱伸銅株式會(huì)社的TAMAC194（CuFeZnP）、古河電氣工業(yè)株式會(huì)社的EFTEC6（CuFeP）、神戶制鋼株式會(huì)社的KLF5（CuFeSnP）和KLF118（CuNiSiZn）、日礦金屬株式會(huì)社的NKC114（CuNiSiZn）等。關(guān)于引線框架帶材，目前應(yīng)用***廣泛的仍是美國環(huán)球金屬制品有限公司***早開發(fā)的中強(qiáng)高導(dǎo)型Cu-Fe-P系合金（如C19400、KFC等），具有成本低廉、強(qiáng)度中等、高導(dǎo)電性、高導(dǎo)熱性和良好的釬焊性、浸潤性、加工成型性等優(yōu)良特性。中鋁洛陽銅業(yè)有限公司、中銅華中銅業(yè)有限公司、寧波興業(yè)盛泰集團(tuán)有限公司和寧波博威合金材料股份有限公司等已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了C19400合金的商品化生產(chǎn)，占據(jù)了國內(nèi)的主要市場份額。國內(nèi)高校和企業(yè)還開展了協(xié)同攻關(guān)，在保證Cu-Fe-P合金材料綜合性能的前提下，將抗軟化溫度提高了近50℃。寧波興業(yè)盛泰集團(tuán)有限公司、中鋁洛陽銅業(yè)有限公司、寧波博威合金材料股份有限公司、寧夏東方鉭業(yè)股份有限公司等實(shí)現(xiàn)了C70250合金帶材產(chǎn)業(yè)化。

Cu-Cr-Zr系合金是高速軌道交通接觸線和超大規(guī)模集成電路引線框架的理想材料。日本奈川株式會(huì)社研發(fā)的PHC-120接觸導(dǎo)線就屬于該合金體系。近年來，美國、日本和德國企業(yè)相繼開發(fā)了耐熱Cu-Cr-X系合金引線框架帶材，如KME集團(tuán)的C18160、維蘭德集團(tuán)的C18080、三菱伸銅株式會(huì)社的C18141等，抗拉強(qiáng)度為540~630MPa，導(dǎo)電率為79%~84%IACS（國際退火銅標(biāo)準(zhǔn)）。國內(nèi)在Cu-Cr-Zr系合金的成分優(yōu)化和組織結(jié)構(gòu)調(diào)控等方面進(jìn)行了系統(tǒng)研究，寧波博威合金材料股份有限公司等實(shí)現(xiàn)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的Cu-Cr-Zr系合金帶材產(chǎn)業(yè)化。

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，鑄件的抗拉強(qiáng)度為400~500MPa，硬度為100~200HBS（布氏硬度），延伸率為6%~10%；擠壓材的抗拉強(qiáng)度可達(dá)600MPa，硬度超過200HBS。國外主要生產(chǎn)商有日本三寶伸銅株式會(huì)社、住友重機(jī)械工業(yè)株式會(huì)社，國內(nèi)有中鋁洛陽銅業(yè)有限公司、洛陽雙瑞達(dá)特銅有限公司。

海洋工程用CuNi系耐蝕銅合金主要是B10（Cu-10Ni-1Fe-1Mn）和B30（Cu-30Ni-1Fe-1Mn）合金。德國、韓國生產(chǎn)的海洋工程用無縫耐蝕白銅排水管的***大直徑超過520mm，壁厚***薄達(dá)0.7mm。國內(nèi)在大口徑耐蝕白銅管研制方面起步較晚，存在耐蝕性不穩(wěn)定、使用壽命低的問題，部分高端耐蝕Cu-Ni-Fe合金管材產(chǎn)品依賴進(jìn)口。CuNiSn系合金的抗拉強(qiáng)度可達(dá)1000MPa，且耐蝕性能優(yōu)異，在海水或酸性、油氣環(huán)境下的耐蝕性能以及高負(fù)載條件下的耐磨性能均優(yōu)于鈹銅、鋁青銅。目前國內(nèi)所用的高端超高強(qiáng)CuNiSn系合金全部依賴進(jìn)口，其中美國Materion集團(tuán)、日本永木精械株式會(huì)社、克拉爾特種金屬（法國）有限公司的產(chǎn)品處于市場主導(dǎo)地位。國內(nèi)相關(guān)機(jī)構(gòu)正在聯(lián)合攻關(guān)大規(guī)格CuNiSn合金特殊鑄造環(huán)境下的鑄坯連續(xù)鑄造技術(shù)及成套裝備、合金形變熱處理制度、變形組織結(jié)構(gòu)和內(nèi)應(yīng)力分布特征及其調(diào)控技術(shù)，奠定了該合金的國產(chǎn)化基礎(chǔ)。

3.超高強(qiáng)彈性銅合金

超高強(qiáng)彈性銅合金一般指具有1000MPa以上強(qiáng)度、125GPa以上彈性模量的銅合金。高可靠性連接器用彈性銅合金主要是鈹銅合金。工業(yè)發(fā)達(dá)國家在鈹銅合金材料的生產(chǎn)和應(yīng)用方面達(dá)到了極高水平，且相關(guān)裝備與生產(chǎn)技術(shù)仍在革新；尤其是美國（以Materion集團(tuán)為代表）和日本（以永木精械株式會(huì)社為代表）企業(yè)的生產(chǎn)規(guī)模都很大，生產(chǎn)技術(shù)和裝備水平處于世界***地位。

鈹銅合金含劇毒物質(zhì)鈹，在高于150℃環(huán)境下的應(yīng)力松弛率急劇增大，極易導(dǎo)致彈性元器件在工作狀態(tài)下的接觸壓力發(fā)生改變，致使連接器工作失效。開發(fā)新型的環(huán)保超高強(qiáng)、高抗應(yīng)力松弛、成形性能優(yōu)良、可靠性高的導(dǎo)電彈性銅合金成為彈性材料研究熱點(diǎn)。Cu-Ni-Mn、Cu-Ti和Cu-Ni-Sn等合金均屬于時(shí)效強(qiáng)化型合金，經(jīng)過形變熱處理后，可獲得與鈹銅合金相媲美的強(qiáng)度和彈性性能以及更加優(yōu)越的耐腐蝕和抗應(yīng)力松弛性能。這些合金相繼由法國、美國、日本等企業(yè)研究開發(fā)，已部分替代鈹銅合金的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用。國內(nèi)部分銅加工企業(yè)正在試制Cu-Ti合金產(chǎn)品，但規(guī)?；a(chǎn)的關(guān)鍵加工制備技術(shù)仍待***突破，導(dǎo)致現(xiàn)有Cu-Ti合金材料無法實(shí)現(xiàn)自給。

4.先進(jìn)銅基復(fù)合材料

先進(jìn)銅基復(fù)合材料是液氫/液氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)襯、超高壓開關(guān)、電極等部件的關(guān)鍵用材。在高導(dǎo)銅基復(fù)合材料方面，引入碳納米管和石墨烯，發(fā)展高強(qiáng)度、高電導(dǎo)率的碳納米管/石墨烯增強(qiáng)銅基復(fù)合材料成為國內(nèi)外研發(fā)的前沿方向之一。實(shí)驗(yàn)室制備的該系列銅基復(fù)合材料樣品，抗拉強(qiáng)度大于500MPa，導(dǎo)電率達(dá)到115%IACS。在抗電磁屏蔽銅基復(fù)合材料方面，日本企業(yè)開發(fā)了系列CFA合金，如CFA95對磁場具有50~80dB的屏蔽效果，對電場具有超過80dB的屏蔽效果，同時(shí)自身導(dǎo)電率為60%~70%IACS。陜西斯瑞新材料股份有限公司、寧波金田銅業(yè)（集團(tuán)）股份有限公司等國內(nèi)企業(yè)也在興建CuFe合金制造基地。

在高強(qiáng)高導(dǎo)抗高溫退火軟化銅基復(fù)合材料方面，美國SCM金屬制品有限公司開發(fā)了多種Cu-Al2O3彌散強(qiáng)化銅合金的牌號（如C15710、C15720、C15760等），具有較大的生產(chǎn)規(guī)模。Cu-Al2O3彌散強(qiáng)化銅合金材料的耐熱溫度高達(dá)900℃，主要用作電焊電極、醫(yī)療影像器件和電真空器件材料。中鋁洛陽銅業(yè)有限公司、有研工程技術(shù)研究院有限公司等國內(nèi)機(jī)構(gòu)也分別推出了自主研發(fā)的彌散強(qiáng)化銅合金產(chǎn)品，主要用于汽車鍍層鋼板、電池鎳片、鋁及鋁合金的焊接電極等。此外，一些特種功能的銅基復(fù)合材料也得到應(yīng)用，如抗電蝕CuCr觸頭材料、高導(dǎo)熱低膨脹CuW電子封裝材料、超高強(qiáng)高導(dǎo)Cu-Nb復(fù)合材料（室溫抗拉強(qiáng)度可大于1400MPa，導(dǎo)電率高于70%IACS）等。

5.高精度銅及銅合金細(xì)微絲、超薄箔材

微電子及超微電子、新一代移動(dòng)通信、智能機(jī)器人等產(chǎn)品的普及率不斷提升，對超精細(xì)高性能銅絲、高性能超薄銅箔的需求越來越大。在細(xì)微絲方面，國內(nèi)市場不同規(guī)格銅細(xì)微線的供需關(guān)系存在巨大差別：直徑0.04mm以上的銅導(dǎo)線供大于求，價(jià)格低廉、競爭激烈；超細(xì)（直徑為0.015~0.04mm）銅導(dǎo)線的國內(nèi)需求大于生產(chǎn)能力，60%以上依靠進(jìn)口；直徑在0.015mm以下的超精細(xì)銅導(dǎo)線則基本依賴進(jìn)口。近年來，國內(nèi)一些廠家啟動(dòng)了銅細(xì)微絲研發(fā)工作，但受限于設(shè)備和技術(shù)，產(chǎn)品成材率低、性能不均一，尚不能滿足微電子行業(yè)的需求。

在超薄箔材方面，國內(nèi)許多***覆銅板、印制電路板生產(chǎn)企業(yè)所必需的高撓曲性、高機(jī)械強(qiáng)度壓延銅箔，多數(shù)供應(yīng)被日礦金屬株式會(huì)社、福田金屬箔粉工業(yè)株式會(huì)社、美國環(huán)球金屬制品有限公司和日立電線株式會(huì)社等國外企業(yè)所主導(dǎo)。目前，高撓曲性壓延銅箔已實(shí)現(xiàn)箔材厚度≤33μm時(shí)、室溫下的抗拉強(qiáng)度≥500MPa，在135℃、30min熱處理?xiàng)l件下的抗拉強(qiáng)度≥150MPa、延伸率≥10%、撓曲次數(shù)≥7.6×108次。中色奧博特銅鋁業(yè)有限公司、靈寶華鑫銅箔有限責(zé)任公司等國內(nèi)企業(yè)可以規(guī)?；a(chǎn)部分規(guī)格的高品質(zhì)壓延銅箔。在壓延銅箔的表面處理方面，國內(nèi)企業(yè)僅初步掌握灰化處理技術(shù)，而黑化處理技術(shù)仍待研發(fā)。

三、我國先進(jìn)銅合金材料應(yīng)用需求分析

1.高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金

近年來，以銅鎂、銅銀、銅鉻系合金為代表的高強(qiáng)高導(dǎo)銅合金的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)取得了突破，在導(dǎo)電率保持在80%IACS以上水平的同時(shí)，強(qiáng)度較純銅提高數(shù)十倍，大幅提升產(chǎn)品性能；在超大規(guī)模集成電路引線框架、電氣化鐵道接觸網(wǎng)用接觸線、高端精密電線電纜等方面獲得廣泛應(yīng)用。例如，高強(qiáng)高導(dǎo)Cu-Ni-Si-(Co)系合金的抗拉強(qiáng)度為700~900MPa、導(dǎo)電率為45%~55%IACS；國內(nèi)部分銅加工企業(yè)已經(jīng)開展試生產(chǎn)及小批量市場供貨，預(yù)計(jì)2020年后得到大量應(yīng)用。

高強(qiáng)高導(dǎo)Cu-Cr-Zr系合金是軌道交通接觸網(wǎng)線、航空航天線纜、大規(guī)模集成電路引線框架、汽車工業(yè)和電子控制系統(tǒng)、電焊電極、高脈沖磁場導(dǎo)體、大型高速渦輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子導(dǎo)線等部件的理想材料。我國300km/h及以下速度的高速鐵路接觸網(wǎng)線主要有Cu-Ag線、Cu-Sn線、Cu-Mg線，已實(shí)現(xiàn)自給自足；380km/h及以上速度的高速鐵路接觸網(wǎng)線試驗(yàn)線路采用Cu-Cr-Zr合金接觸線，包括京滬高速鐵路棗莊至蚌埠高速試驗(yàn)段、大西高速鐵路太原北至原平西高速試驗(yàn)段。鐵道行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)TB/T2809—2017《電氣化鐵道用銅及銅合金接觸線》明確了Cu-Cr-Zr系合金接觸線產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，為后續(xù)推廣應(yīng)用掃清了障礙。

新一代電子信息技術(shù)集成電路引線框架、未來柔性電網(wǎng)材料都對高導(dǎo)高強(qiáng)的Cu-Cr-Zr系合金板/帶/箔提出了迫切需求。引線框架帶材是集成電路的芯片載體，是電子信息產(chǎn)業(yè)中重要的基礎(chǔ)材料。預(yù)計(jì)到2035年，Cu-Cr系合金在高速鐵路接觸線應(yīng)用可替代超過60%的同類普通材料，在引線框架銅合金應(yīng)用可替代超過30%的同類普通材料。

2.耐磨耐蝕銅合金

耐蝕銅合金廣泛應(yīng)用于海水淡化、艦船、海上石油平臺等領(lǐng)域用冷凝器、熱交換器管材和各種高強(qiáng)耐蝕件（閥體、法蘭、接頭等）。隨著我國航空航天、機(jī)械制造行業(yè)的快速發(fā)展，航空發(fā)動(dòng)機(jī)、高速軸承等部件對高強(qiáng)耐磨耐蝕耐熱銅合金的性能要求和需求量顯著提高。Cu-Ni-Sn系合金抗拉強(qiáng)度可達(dá)1000MPa，耐蝕性能優(yōu)于鈹銅、鋁青銅，是航空、重載裝備、石油化工、***數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等核心零組件的關(guān)鍵基礎(chǔ)材料。這類材料的應(yīng)用對象有：民航飛機(jī)起落架、翼型控制軸承、軸套及液壓系統(tǒng)耐磨部件，重型裝備、數(shù)控機(jī)床和汽車的氣門導(dǎo)管、凸輪滾動(dòng)銷軸、滾子軸承，液壓柱塞泵的缸體、配流盤、柱塞、軸套、磨耗增強(qiáng)板、成形輥/沖頭等。

3.超高強(qiáng)彈性銅合金

超高強(qiáng)彈性銅合金一般要求材料抗拉強(qiáng)度≥1000MPa，彈性模量≥130GPa。對于鈹銅（如QBe2和C17200等）板帶材產(chǎn)品，有60%用于制造彈性元件，如膜片、波紋管、發(fā)電機(jī)刷彈簧、繼電器彈簧、彈簧接觸片、斷路器彈簧、航空儀表用各類彈簧；還用于精密儀器制造，軸承、齒輪、雙輥連續(xù)鑄軋鋁板坯用輥套、特殊的無火花工具制造等；在電動(dòng)車充電樁、海洋工程用通信裝備方面也有廣闊的市場需求。目前全球鈹銅板帶材供不應(yīng)求的形勢更顯突出，年需求量以約12%的速度增長；國內(nèi)市場年需求量更是以20%~39%的速度增長，且高精度板帶材（厚度小于0.4mm）仍然依賴進(jìn)口。

近年來，超高強(qiáng)彈性銅合金朝著高抗應(yīng)力松弛環(huán)保型彈性銅合金方向發(fā)展，如Cu-Ni-Co-Si、Cu-Ti、Cu-Ni-Sn系合金等。國內(nèi)團(tuán)隊(duì)研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)多級形變熱處理后的Cu-Ni-Co-Si系合金抗拉強(qiáng)度可達(dá)1086MPa、導(dǎo)電率超過30%IACS。鈦青銅具有高的強(qiáng)度和彈性、優(yōu)良的耐磨性，無磁性、易軟釬焊和電鍍，碰擊時(shí)不產(chǎn)生火花，可用于高強(qiáng)度、高彈性、高耐磨性元件，如電器開關(guān)、繼電器彈性元件、精密小型齒輪、各種軸承等。QTi6-1合金耐高溫性能優(yōu)于鈹青銅，可代替用作精密儀器和儀表的彈性元件，如振動(dòng)變流器的振動(dòng)片和膜片、超高頻標(biāo)準(zhǔn)器的接觸彈性元件、行程開關(guān)彈片、新能源汽車/電子產(chǎn)品用高性能連接器等。預(yù)計(jì)到2035年，QTi6-1合金可實(shí)現(xiàn)對鈹銅合金材料約70%的替代。

4.先進(jìn)銅基復(fù)合材料

具有高強(qiáng)、高導(dǎo)、耐高溫、耐電蝕、抗電磁屏蔽等特性的銅基復(fù)合材料成為眾多高端裝備的亟需材料，包括相控陣?yán)走_(dá)、大功率高頻脈沖磁場、大功率電子器件封裝、液氫/液氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)襯、超高壓開關(guān)觸頭、電焊電極觸頭等。

新一代銅鐵電磁屏蔽材料（Fe含量為5%~40%）是新型顯示器的關(guān)鍵材料，導(dǎo)電率高、散熱性好，具有電磁屏蔽功能，在計(jì)算機(jī)、通信、汽車、電子、航天、航空等領(lǐng)域的電磁兼容方面應(yīng)用廣泛；在醫(yī)療設(shè)備、醫(yī)院等場所用于電磁場屏蔽，在通信、電力等領(lǐng)域用作電磁屏蔽材料。

通過引入石墨烯或納米陶瓷顆粒形成具有特種功能的銅基復(fù)合材料也進(jìn)一步獲得應(yīng)用。Cu-Al2O3彌散強(qiáng)化銅合金具有優(yōu)異的抗高溫軟化性能，在雷達(dá)、電子對抗、遙控遙測、粒子加速器等設(shè)備中的微波管內(nèi)腔體、發(fā)射管柵支持桿、行波管慢波線、電阻焊電極等方面具有廣闊應(yīng)用前景。

在電加工領(lǐng)域，采用鎢銅合金作為觸頭材料成為主流。鎢銅合金成本相對低廉，具備高導(dǎo)熱、高導(dǎo)電、高耐熱、低熱膨脹、高耐電流侵蝕的特性，滿足高功率、高電壓、大電流接觸類材料的性能要求，廣泛用作大規(guī)模集成電路中的基片材料和芯片散熱材料。

5.高品質(zhì)超細(xì)導(dǎo)電銅合金線

超細(xì)導(dǎo)電銅合金線作為關(guān)鍵基礎(chǔ)材料，用于制備集成電路封裝導(dǎo)線、微型電機(jī)輸電線、高頻超細(xì)同軸電線、高速寬頻傳輸線纜、通信終端傳輸線和醫(yī)用精密導(dǎo)線等。目前超細(xì)銅線材主要有Cu-Ag、Cu-Sn系合金。微細(xì)電磁線是電子元器件中極為重要的電流載體，其導(dǎo)電線芯要求有極高的導(dǎo)電率和良好的力學(xué)性能以滿足電子元器件的制造工藝要求；主要用于微特電機(jī)、繼電器、電子變壓器、互感器、電磁閥等電子元器件，涉及智能機(jī)器人、交通運(yùn)輸、儀器儀表、國防軍工等裝備應(yīng)用。

無氧銅、銀銅合金等超細(xì)絲材是高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)用微型電機(jī)的關(guān)鍵材料。例如，對于微型電機(jī)線圈繞組、電磁線芯等，絲材直徑普遍小于80μm，制備加工難度較大。隨著國內(nèi)原材料制備技術(shù)和裝備能力的提升，直徑小于30μm的超細(xì)線制備技術(shù)研究有所進(jìn)展。預(yù)計(jì)到2035年，國產(chǎn)同類產(chǎn)品對進(jìn)口產(chǎn)品的替代率超過50%。

6.高強(qiáng)高導(dǎo)壓鑄銅合金材料

目前我國各類電動(dòng)機(jī)的耗電量占社會(huì)總用電量的60%左右。大多數(shù)鼠籠型三相異步電動(dòng)機(jī)使用的鑄鋁轉(zhuǎn)子，體積大、能耗高、效率低，是電動(dòng)機(jī)功率損失的重要部件，嚴(yán)重制約了電動(dòng)機(jī)效率提升。銅具有良好的導(dǎo)電性、散熱性和耐磨性，以鑄銅轉(zhuǎn)子來替代鑄鋁轉(zhuǎn)子成為研發(fā)超***率電動(dòng)機(jī)的可行方向。在研的鑄銅轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于3000r/min，可用于減速機(jī)、水泵等工業(yè)電機(jī)；但相關(guān)制備工藝尚不穩(wěn)定，成材率低、缺陷多，涉及的關(guān)鍵技術(shù)有待攻克。在電動(dòng)汽車及中主軸用電動(dòng)機(jī)方面，因轉(zhuǎn)速高于8000r/min，對銅轉(zhuǎn)子提出了高致密、高強(qiáng)度等更嚴(yán)格要求，后續(xù)需進(jìn)一步開發(fā)保持高導(dǎo)電率、兼具高屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度的銅合金壓鑄材料。

7.電子用超薄壓延銅箔

柔性電路板是有機(jī)發(fā)光二級管（OLED）屏幕中不可或缺的配件，而壓延銅箔是制造屏蔽材料、柔性印刷線路板、石墨烯透明導(dǎo)電薄膜的重要材料。目前，OLED屏幕已被手機(jī)廣泛采用，未來隨著可穿戴電子設(shè)備、高分辨率顯示裝置、折疊顯示屏、智能醫(yī)療、無人駕駛等科技的普及，鑒于柔性電路板的極高性能要求，壓延銅箔的使用比例將會(huì)越來越高。

根據(jù)中國電子材料協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，2016年全國柔性覆銅板（FCCL）產(chǎn)量達(dá)到5.464×107m2，其中壓延銅箔使用量約為4600t，年均增長率為19.9%。2017年全球壓延銅箔產(chǎn)量為6.9×104t，而我國4家主要企業(yè)（中色奧博特銅鋁業(yè)有限公司、山東天和壓延銅箔有限公司、靈寶金源朝輝銅業(yè)有限公司、蘇州福田金屬有限公司）的總產(chǎn)量僅約為7×103t。按此估算，到2035年，我國高性能壓延銅箔替代國外材料的比例有望達(dá)到40%。

8.環(huán)保易切削系列銅合金材料

鉛黃銅廣泛應(yīng)用于電子電氣、水管龍頭、閥體、鐘表、鎖具、玩具、接插件、耐磨件等方面。鉛為有毒元素，眾多國家設(shè)立相關(guān)法案對鉛黃銅在電子電氣設(shè)備、供水系統(tǒng)方面的使用進(jìn)行了***，開發(fā)環(huán)保易切削銅合金成為必然發(fā)展趨勢。現(xiàn)有的供應(yīng)替代有鉍黃銅、硅黃銅等。鉍黃銅，如C89XXX（美國）、BZ5/BZ3（日本三越金屬株式會(huì)社）、HB-20（浙江海亮股份有限公司）、HBi60（四川鑫炬礦業(yè)資源開發(fā)股份有限公司）、ZHBi87（寧波博威合金材料股份有限公司）等，材料成本高，易出現(xiàn)應(yīng)力開裂和應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象。硅黃銅的銅含量為70%~80%，成本較高，如ECOBRASS（日本三菱伸銅株式會(huì)社），HSi80-3、HSi75-3（中國）等。其他材料，如銻黃銅、鎂黃銅、磷鈣黃銅、石墨黃銅等尚未得到大規(guī)模的推廣應(yīng)用。

環(huán)保易切削銅合金未來發(fā)展趨勢是開發(fā)切削性優(yōu)異的低成本銅合金。預(yù)計(jì)到2035年，在電子電氣設(shè)備、供水系統(tǒng)方面的環(huán)保易切削銅合金替代量將達(dá)到60%。

    四、我國先進(jìn)銅合金材料的研發(fā)趨勢與面臨問題

  1.技術(shù)研發(fā)趨勢

近年來，我國高性能銅合金及其制備技術(shù)的整體水平取得了長足進(jìn)步，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的高性能銅合金產(chǎn)品種類不斷增加，銅合金材料加工裝機(jī)水平已接近國際先進(jìn)水平。先進(jìn)銅合金材料的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展趨勢呈現(xiàn)如下特點(diǎn)。

（1）由單一性能要求朝著多功能特性要求的方向發(fā)展。例如，兼具高導(dǎo)熱、高電磁屏蔽性能的銅基材料應(yīng)滿足脈沖強(qiáng)磁場系統(tǒng)、粒子加速電磁發(fā)射器等高精尖領(lǐng)域中對導(dǎo)體材料的需求；380km/h速度的高速鐵路電網(wǎng)接觸線，除了需要高導(dǎo)電性能外，還應(yīng)具有更高的強(qiáng)度、耐磨性和抗疲勞特性；超大規(guī)模集成電路用銅合金要求具有高強(qiáng)高導(dǎo)、耐熱、耐彎折、易刻蝕等特性。

（2）銅加工材料向細(xì)、薄、長和高精度的方向發(fā)展。超細(xì)線、超薄帶、薄壁管、超長管、超長帶、螺紋管、異形管、異形棒、異形帶等產(chǎn)品的需求持續(xù)增加，如引線框架體現(xiàn)了多腳化、高密度化、超薄、微型化的發(fā)展趨勢。

（3）銅的高純化。工業(yè)用銅的含銅量由99.9%提高到99.95%，再提高到99.99%甚至更高，目的是盡可能地提高材料的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性。含銅量為99.9999%的超純銅，將***大限度地減少雜質(zhì)對導(dǎo)電和導(dǎo)熱性的影響。

（4）材料復(fù)合化。單一的材料強(qiáng)化方式潛力有限，采用復(fù)合化的方法使銅材的綜合性能得到進(jìn)一步提升成為研究熱點(diǎn)。例如，在銅合金中加入第二相顆粒、晶須或纖維對銅基體進(jìn)行復(fù)合強(qiáng)化，開發(fā)新型多功能銅基復(fù)合材料，對高性能銅合金的設(shè)計(jì)理論與高新技術(shù)領(lǐng)域中的實(shí)際應(yīng)用具有重要價(jià)值。

2.面臨的問題

我國雖是世界銅合金材料***大生產(chǎn)國，但依然不是銅合金材料強(qiáng)國。我國航空航天、電子信息、海洋工程、高端裝備等眾多高新技術(shù)領(lǐng)域亟需的高性能銅合金仍較多依賴進(jìn)口；銅合金材料生產(chǎn)企業(yè)眾多、產(chǎn)業(yè)集中度低、產(chǎn)品競爭力弱、行業(yè)利潤微薄，無法支撐高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。涉及的銅合金材料產(chǎn)業(yè)問題主要如下。

（1）高性能銅合金材料的品種和牌號少，部分高性能銅合金綜合性能普遍低于同類進(jìn)口產(chǎn)品，如自主研發(fā)生產(chǎn)的Cu-Ni-Si、Cu-Cr-Zr引線框架帶材牌號極少。

（2）大規(guī)格高品質(zhì)銅合金產(chǎn)品的穩(wěn)定生產(chǎn)能力亟待提高，如高精度彈性銅合金帶材產(chǎn)品性能穩(wěn)定性、表面質(zhì)量、綜合成材仍待取得突破。

（3）高性能銅合金的加工過程環(huán)境污染大，資源浪費(fèi)較為嚴(yán)重；***短流程制備技術(shù)還不成熟，產(chǎn)品質(zhì)量和性能也待提高。

（4）部分高端生產(chǎn)裝備的自主制造技術(shù)缺乏，使得新產(chǎn)品開發(fā)受限，如大部分高精度箔材生產(chǎn)裝備依賴進(jìn)口。

（5）部分高端銅合金材料缺乏自主知識產(chǎn)權(quán)和公共研發(fā)平臺，材料性能、生產(chǎn)技術(shù)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范等方面的數(shù)據(jù)庫建設(shè)滯后。

（6）超高純、超低氧含量的無氧銅大規(guī)格均質(zhì)化制備技術(shù)仍待進(jìn)一步完善，高精度大口徑長壽命的耐蝕白銅制備技術(shù)有待深化突破。
    五、我國先進(jìn)銅合金材料的發(fā)展路徑

 1.中長期發(fā)展目標(biāo)

“十四五”時(shí)期，針對高端裝備對于高性能、高精度銅及銅合金板/帶/箔材與管、棒、線的重大需求，在先進(jìn)銅合金材料產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)品性能提升、綠色制造、產(chǎn)業(yè)升級、集成創(chuàng)新等方面進(jìn)行重點(diǎn)突破，促進(jìn)先進(jìn)銅合金材料在國民經(jīng)濟(jì)關(guān)鍵領(lǐng)域的示范和推廣應(yīng)用。重點(diǎn)開發(fā)新一代超高強(qiáng)高導(dǎo)電銅合金及其復(fù)合材料，進(jìn)一步提升高端銅合金產(chǎn)品的性能穩(wěn)定性和產(chǎn)量。預(yù)期經(jīng)過5~15年的努力，構(gòu)建完整的先進(jìn)銅合金材料綠色、高性能化制造產(chǎn)業(yè)體系，整體技術(shù)水平邁入國際先進(jìn)行列。

調(diào)整產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)，促進(jìn)先進(jìn)銅合金材料的綠色、高端、智能化發(fā)展。①注重產(chǎn)品的定位調(diào)整優(yōu)化，堅(jiān)持走綠色、高端發(fā)展之路，向高性能化、高精細(xì)化靠攏，提高產(chǎn)品質(zhì)量，保障國內(nèi)高端市場并推動(dòng)出口。②實(shí)現(xiàn)碎片化技術(shù)的集成，建立銅合金材料設(shè)計(jì)、加工、設(shè)備、應(yīng)用等系統(tǒng)大數(shù)據(jù)庫。③通過技術(shù)研發(fā)與創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)高端銅合金產(chǎn)品的國產(chǎn)化，擺脫先進(jìn)銅合金原材料受制于人的局面；提高產(chǎn)品在重大工程領(lǐng)域中的應(yīng)用比例，提升產(chǎn)品附加值。

完善自主創(chuàng)新體系，促進(jìn)高性能銅合金材料產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展。①通過自主研發(fā)先進(jìn)銅合金的體系、制備和加工技術(shù)，完善配套產(chǎn)業(yè)鏈，建立自主創(chuàng)新型的研發(fā)生產(chǎn)平臺。②進(jìn)一步整合資源，加強(qiáng)先進(jìn)銅合金產(chǎn)業(yè)文化建設(shè)，形成有效的“產(chǎn)學(xué)研用管”互動(dòng)機(jī)制；提高先進(jìn)銅合金產(chǎn)業(yè)集群的國際化運(yùn)營水平，實(shí)現(xiàn)健康、協(xié)調(diào)、穩(wěn)定發(fā)展。

2.關(guān)鍵技術(shù)分析

在先進(jìn)銅合金材料的創(chuàng)新和制備技術(shù)方面，為實(shí)施有效趕超并突破國產(chǎn)材料的制備技術(shù)瓶頸，應(yīng)進(jìn)一步加強(qiáng)高端產(chǎn)品、先進(jìn)制備加工裝備及技術(shù)的自主研發(fā)力度。這其中涉及了一系列關(guān)鍵技術(shù)。

（1）先進(jìn)銅合金材料體系建設(shè)。開展先進(jìn)銅合金材料/工藝/結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)，基本形成具有知識產(chǎn)權(quán)的先進(jìn)銅合金材料體系和制備新技術(shù)體系。以國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、工程技術(shù)中心、檢測中心的形式建設(shè)先進(jìn)銅合金創(chuàng)新平臺、分析測試評價(jià)（標(biāo)準(zhǔn)）平臺、產(chǎn)業(yè)化示范平臺，支持構(gòu)建先進(jìn)銅合金自主創(chuàng)新能力。

（2）基于國家重大工程和新型產(chǎn)業(yè)需求、具有先進(jìn)銅合金自主知識產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵制備加工技術(shù)開發(fā)及其產(chǎn)業(yè)化。主要內(nèi)容包括：高精度高純無氧銅板/帶/箔材產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)、Cu-Cr-Zr系合金大盤重超長（＞1500m）接觸線產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)、Cu-Ni-Si系與Cu-Cr-Zr系合金大卷重（＞8t）高精度超薄框架帶材產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)、彌散強(qiáng)化銅合金及高導(dǎo)熱低膨脹電子封裝材料高致密無泄漏可靠特種制備技術(shù)、高精度大規(guī)格高耐蝕銅合金產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)、長壽命高耐磨環(huán)境友好型銅合金產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)技術(shù)等。自主突破一批具有國際***水平的先進(jìn)銅合金***短流程制備加工技術(shù)，推動(dòng)銅加工業(yè)的整體技術(shù)進(jìn)步。

六、對策建議

1.促進(jìn)“產(chǎn)學(xué)研用管”統(tǒng)籌規(guī)劃和一體化發(fā)展

在政策引導(dǎo)與支持下，依據(jù)國家科技領(lǐng)域布局，聯(lián)合銅合金制備加工企業(yè)、科研院所、應(yīng)用單位實(shí)施“產(chǎn)學(xué)研用管”協(xié)同機(jī)制。集中“產(chǎn)學(xué)研用”優(yōu)勢力量，突破制約我國重大工程和新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展的高端銅合金基礎(chǔ)原材料產(chǎn)品的關(guān)鍵制備加工技術(shù)，解決“卡脖子”問題，推進(jìn)先進(jìn)銅合金制造強(qiáng)國的建設(shè)。建立和完善“技術(shù)研發(fā)與創(chuàng)新”“人才培養(yǎng)與引進(jìn)”“信息與交流”“政策支持與保障”4類平臺，為先進(jìn)銅合金產(chǎn)業(yè)集群發(fā)展提供可靠且持續(xù)的技術(shù)和人才支撐，為創(chuàng)建***產(chǎn)業(yè)開發(fā)區(qū)提供示范。

2.提升裝備開發(fā)、技術(shù)研發(fā)和市場拓展能力

借鑒國際先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)和發(fā)展過程，依靠自主科技創(chuàng)新，建立行業(yè)大數(shù)據(jù)來驅(qū)動(dòng)銅及銅合金材料制造全流程的智能控制工藝。以產(chǎn)業(yè)有關(guān)裝備開發(fā)為核心，涵蓋先進(jìn)連鑄連軋（連擠）機(jī)組、連拉連退機(jī)組、連拉連鍍機(jī)組、超細(xì)拉絲和絲退火鍍覆/涂覆機(jī)組等；提高生產(chǎn)能力與生產(chǎn)效率，降低能耗與原材料損耗率，提升產(chǎn)品性能與質(zhì)量穩(wěn)定性，提高市場競爭力與占有率。

3.強(qiáng)化產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)研究與制定

面向高端制造對先進(jìn)銅合金材料綜合性能的要求，建立和完善先進(jìn)銅合金材料產(chǎn)品和生產(chǎn)技術(shù)方面的標(biāo)準(zhǔn)體系。建立超細(xì)銅線（包括鍍錫線和漆包線）、特種銅基復(fù)合材料等新產(chǎn)品的國家或行業(yè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，完善銅資源回收利用的標(biāo)準(zhǔn)與方法，從源頭上規(guī)范秩序，確保行業(yè)的健康可持續(xù)發(fā)展。

4.建立先進(jìn)銅合金青年科技骨干人才培養(yǎng)體系

豐富學(xué)術(shù)/技術(shù)研討，加強(qiáng)技術(shù)專家與青年科技骨干的交流、軍民協(xié)同應(yīng)用對接、跨所有制的企業(yè)合作。推行專家團(tuán)隊(duì)服務(wù)企業(yè)的“引智”模式，群策群力為企業(yè)產(chǎn)品攻關(guān)建言獻(xiàn)策，以攻克具體技術(shù)問題為目標(biāo)開展專家服務(wù)生產(chǎn)“精準(zhǔn)扶貧”。建設(shè)和提升“老中青”結(jié)合的先進(jìn)銅合金人才隊(duì)伍。

來源：中國工程科學(xué)，2020年 第22卷 第5期 作者：姜業(yè)欣，婁花芬，解浩峰，李廷舉，宋克興，劉雪峰，運(yùn)新兵，汪航，肖柱，李周