铜的应用

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1、铜的应用铜的应用 铜是人类最早发现的古老金属之一，墓葬考古发现，早在 6000 年前的史前时期，埃及 人就使用铜器。 自然界中的铜分为自然铜、 氧化铜矿和硫化铜矿。 自然铜及氧化铜的储量少， 现在世界上 80%以上的铜是从硫化铜矿精炼出来的，这种矿石含铜量极低，一般在 2-3%左 右。铜冶金技术的发展经历了漫长的过程，但至今铜的冶炼仍以火法冶炼为主，其产量约占 世界铜总产量的 80%，现代湿法冶炼的技术正在逐步推广，湿法冶炼的推出使铜的冶炼成本 大大降低。 铜具有许多可贵的物理化学特性，例如其热导率和电导率都很高，化学稳定性强，抗张 强度大，易熔接，具抗蚀性、可塑性、延展性。纯铜可拉成很细的铜

2、丝，制成很薄的铜箔。 能与锌、锡、铅、锰、钴、镍、铝、铁等金属形成合金，形成的合金主要分成三类：黄铜是 铜锌合金，青铜是铜锡合金，白铜是铜钴镍合金。 铜和铜合金主要性能应用比例 23% 12% 1% 64% 导电性 耐蚀性 结构强度 装饰性 铜是与人类关系非常密切的有色金属，被广泛地应用于电气、轻工、机械制造、建筑工 业、国防工业等领域，在我国有色金属材料的消费中仅次于铝。按人平均的年消费量： 发 达国家（约占人口 11 亿）为 1020 公斤； 发展中国家（约占人口 49 亿）为 02 公斤。 发达国家的铜消费水平显著高于发展中国家。在发达国家中一个居民一生约需消费一吨铜， 这个数字是相当可

3、观的。上述两个数据的对比表明，铜的消费水平，在一定程度上反映了一 个国家的发展程度。我国近年来铜的需求量虽有明显增长，但农村人日广阔，还存在一些贫 困地区，按人口平均的年消费水平仅达 0.l 公斤左右，与印度（0.13 公斤）相近，有十分 广阔的发展前景。 中国铜的消费结构 43% 19% 7% 5% 4% 2% 20% 电气 轻工 机械 电子 交通 邮电 其它 美国铜的消费结构 17% 7% 4%1%3% 68% 电气和电子 建筑 机械 交通 军工 其它 从上面 2 张图上我们可以看出中国和美国在铜的消费结构上是有较大差异的， 中国的电 气和电子的消费量占总消费量的 1 半，而美国占了七成，

4、美国在建筑方面的铜用量也较大， 而中国在建筑上的铜消耗量却小到可以忽略不计， 与欧美等国相比， 我国铜在建筑上的应用， 近年来才刚刚起步，存在着巨大的潜在市场。 据统计，美国铜在住宅中的应用，每户用量 1970 年为 120 公斤，到 1996 年增加到 200 公斤。汽车平均每辆用铜，1950 年为 10 公斤， 到 1996 年上升到 19 公斤，电动汽车则需每辆用铜从 25 公斤上升到 40 公斤。 48% 41% 11% 0% 10% 20% 30% 40% 50% 房屋建设装备生产基本设施 世界铜市场在各个建设部门中应用分配情况 世界铜市场在各个建设部门中应用的具体分配情况如下： 房

5、屋建设占包括：管道系统（水，热，气，防火喷淋等） ；房屋设施（空调，冰箱等） ； 建筑装修（屋顶，流槽装饰等） ；通讯线路（声、像、数据等） ；电源系统。 装备生产占包括：工业装备（电机，变压器等） ；交通工具（汽车，铁路，飞机等） ；电 子器件；轻工业品（家用电器，仪表，工具等） 。 基本设施占包括：大型工程（交通设施，石化工业，采冶工业等） ；电力事业（输电， 配电等） ；通信网络。 值得注意的是，房屋建设与人们生活水平的提高直接相关，铜在这方面的应用占有最大 的比重；特别是我国将住宅建设作为拉动整个国民经济发展的一个重要环节，由此可见，积 极推广铜的应用对国计民生的重要作用。 铜在电气工

6、业中的应用铜在电气工业中的应用 （1） 电力输送 19982003全国用电量数据 11347 12092 13466 14682 16200 17290 0 5000 10000 15000 20000 98年99年00年01年02年03年 单位：亿千瓦 上图显示了 98-03 年度我国的用电量状况，其中 03 年为预测值。中国经济的发展带 动了电量需求的猛增，而电力输送中需要大量消耗高导电性的铜，这些主要用于动力电线 电缆、汇流排、变压器、开关、接插元件和联接器等。在电线电缆的输电过程中，由于电 阻发热而白白浪费电能。从节能和经济的角度考虑，目前世界上正在推广“最佳电缆截面“ 标准。 过去流

7、行的标准， 单纯地从降低一次安装投资的角度出发， 为了尽量减小电缆截面， 以在设计要求的额定电流下，不至出现危险过热，来确定电缆的最低允许尺寸。按这种标 准铺设的电缆，虽然安装费低了；但是在长期使用过程中，电阻能耗却比较大。“最佳电 缆截面“标准，则兼顾一次安装费用和电能消耗这两个因素，适当放大电缆尺寸，以达到 节能和最佳综合经济效益的目的。 按照新的标准， 电缆截面往往要比老标准加大一倍以上， 可以获得 50%左右的节能效果。 我国在过去一段时间内，由于铜供不应求，考虑到铝的比重只有铜的 30，在希望 减轻重量的架空高压输电线路中曾采取以铝代铜的措施。目前从环境保护考虑，空中输电 线将转为铺

8、设地下电缆。在这种情况下，铝与铜相比，存在导电性差和电缆尺寸较大的缺 点，而相形见绌。 同样的原因，以节能高效的铜绕组变压器，取代铝绕组变压器，也是明智的选择。 （2） 电机制造 在电机制造中，广泛使用高导电和高强度的铜合金。主要用铜部位是定子、转子和 轴头等。在大型电机中，绕组要用水或氢气冷却，称为双水内冷或氢气冷却电机，这就需 要大长度的中空导线。 电机是使用电能的大户，约占全部电能供应的 60%。一台电机运转累计电费很高， 一般在最初工作 5 00 小时内就达到电机本易的成本，一年内相当于成本的 4 16 倍，在 整个工作寿命期间可以达到成本的 200 倍。电机效率的少量提高，不但可以节

9、能；而且可 以获得显著的经济效益。开发和应用高效电机，是当前世界上的一个热门课题。由于电机 内部的能量消耗，主要来源于绕组的电阻损耗；因此，增大铜线截面是发展高效电机的一 个关键措施。近年来己率先开发出来的一些高效电机与传统电机相比，铜绕组的使用量增 加 25 100%。目前，美国能源部正在资助一个开发项目，拟采用铸入铜的技术生产电机 转子。 （3） 通讯电缆 80 年代以来，由于光纤电缆载流容量大等优点，在通讯干线上不断取代铜电缆，而 迅速推广应用。但是，把电能转化为光能，以及输入用户的线路仍需使用大量的铜。随着 通讯事业的发展， 人们对通讯的依赖越来越大， 对光纤电缆和铜电线的需求都会不断

10、增加。 (4) 住宅电气线路 近年来，随着我国人民生活水平提高，家电迅速普及，住宅用电负荷增长很快。如图 6.6 所示，1987 年居民用电量为 269.6 亿度（ l 度=1 千瓦小时） ，10 后年的 1996 年 猛升到 1131 亿度，增加 3.2 倍。尽管如此，与发达国家相比仍有很大差距。例如，1995 年美国的人均用电量是我国的 14.6 倍，日本是我国的 8.6 倍。我国居民用电量今后仍有 很大发展。预计从 1996 年到 2005 年，还要增长 l.4 倍。 目前，我国的住宅电气线路设计容量偏低。以两居室为例，表 6.l 上对比了北京、 香港和日本的建筑电气设计标准。可见，香港

11、和日本在设计中，充分考虑了居民用电增长 的需求；我国住宅电气线路设计容量亟待提高。 铜在电子工业中的应用铜在电子工业中的应用 电子工业是新兴产业， 在它蒸蒸日上的发展过程中， 不断开发出铜的新产品和新的应用 领域。目前它的应用己从电真空器件和印刷电路，发展到微电子和半导体集成电路中。 (1) 电真空器件 电真空器件主要是高频和超高频发射管、波导管、磁控管等，它们需要高纯度无氧铜 和弥散强化无氧铜。 (2) 印刷电路 铜印刷电路，是把铜箔作为表面，粘贴在作为支撑的塑料板上；用照相的办法把电路 布线图印制在铜版上；通过浸蚀把多余的部分去掉而留下相互连接的电路。然后，在印刷 线路板上与外部的连接处冲

12、孔，把分立元件的接头或其它部分的终端插入，焊接在这个口 路上，这样一个完整的线路便组装完成了。如果采用浸镀法，所有接头的焊接可以一次完 成。这样，对于那些需要精细布置电路的场合，如无线电、电视机，计算机等，采用印刷 电路可以节省大量布线和固定回路的劳动；因而得到广泛应用，需要消费大量的铜箔。此 外，在电路的连接中还需用各种价格低廉、熔点低、流动性好的铜基钎焊材料。 (3) 集成电路 微电子技术的核心是集成电路。集成电路是指以半导体晶体材料为基片（芯片） ，采用 专门的工艺技术将组成电路的元器件和互连线集成在基片内部、表面或基片之上的微小型 化电路。这种微电路在结构上比最紧凑的分立元件电路在尺寸

13、和重量上小成千上万倍。它 的出现引起了计算机的巨大变革，成为现代信息技术的基础。目前己开发出的超大规模集 成电路，在比小姆指甲还小的单个芯片面积上，能做出的晶体管数目，己达十万甚至百万 以上。最近，国际著名的计算机公司 IBM（国际商业机器公司） ，己采用铜代替硅芯片中的 铝作互连线，取得了突破性进展。这种用铜的新型微芯片，可以获得 30%的效能增益，电路 的线尺寸可以减小到 0.12 微米，可使在单个芯片上集成的晶体管数目达到 200 万个。这就 为古老的金属铜，在半导体集成电路这个最新技术领域中的应用，开创了新局面。 (4) 引线框架 为了保护集成电路或混合电路的正常工作，需要对它进行封装

14、；并在封装时，把电路 中大量的接头从密封体内引出来。这些引线要求有一定的强度，构成该集成封装电路的支 承骨架，称为引线框架。实际生产中，为了高速大批量生产，引线框架通常在一条金属带 上按特定的排列方式连续冲压而成。框架材料占集成电路总成本的 13 l4，而且用量 很大；因此，必须要有低的成本。 铜合金价格低廉，有高的强度、导电性和导热性，加工性能、针焊性和耐蚀性优良， 通过合金化能在很大范围内控制其性能，能够较好地满足引线框架的性能要求，己成为引 线框架的一个重要材料。它是目前铜在微电子器件中用量最多的一种材料。 铜在能源及石化工业中的应用铜在能源及石化工业中的应用 (1) 能源工业 火力及原

15、子能发电都要依靠蒸气作功。蒸气的回路如下： 锅炉发生蒸气- 蒸气推动汽 轮机作功- 作功后的蒸汽送至冷凝器- 冷却成水- 回到锅炉重新变成蒸汽。 其间主冷凝器由 管板和冷凝管组成。由于铜导热性好并能抗水的腐蚀，所以它们均使用锅黄铜、铝黄铜或 白铜制造。根据资料介绍，每万千瓦装机容量需要 5 吨冷凝管。一个 60 万千瓦的发电厂就 需要 3 00 吨冷凝管材。 太阳能的利用也要使用许多铜管。例如：英国伦敦附近某旅馆的一 个游泳池，装备了太阳能加热器，在夏季可以将水温保持在 1824。在该太阳能加热器 中含有 784 磅（3 56 公斤）铜管。 (2) 石化工业 铜和许多铜合金，在水溶液、盐酸等非

16、氧化性酸、有机酸（如：醋酸、柠檬酸、脂肪 酸、乳酸、草酸等） 、除氨以外的各种碱及非氧化性的有机化合物（如：油类、酚、醇等） 中，均有良好的耐蚀性；因而，在石化工业中大量用于制造接触腐蚀性介质的各种容器、 管道系统、过滤器、泵和阀门等器件。还利用它的导热性，制造各种蒸发器、热交换器和 冷凝器。由于铜的塑性很好，特别适合于制造现代化工工业中结构错综复杂、铜管交叉编 制的热交换器。此外在石油精炼工厂中都使用青铜生产工具；原回是冲击时不迸出火花， 可以防止火灾发生。 (3) 海洋工业 海洋占地球表面面积 70以上，合理地开发利用海洋资源日益受到人们的重视。海水 中含确“容易造成腐蚀的氯离子，铜铁、铝、甚至不锈铜等许多工程金属材料均不耐海水腐 蚀。此外在这些材料，以及木材、玻璃等非金属材料的表面上还会形成海洋生物污损。铜 则一枝独秀，不但耐海水腐蚀；而且溶入水中的铜离子有杀菌作用，可以防止海洋生物污 损。因而，铜和铜合金是海洋工业中十分重要的材料，业己在海水淡化工厂、海洋采油采 气平台、以及其它海岸和海底设施中广泛应用。例如，海水淡化过程中使用的管