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1、上海理工大学大学生创新创业训练计划项目结题报告项目名称： 铜包铝复合材料制备 申 请 者： 倪志 程旭 黄丽静 肖程光 浦磊 第文琦 指导教师： 刘新宽 联系电话： 18817582350 2014年4月15日II目 录中文摘要第1章 选题背景31.1项目提出背景31.2研究对象及其优势41.3高导电铜铝复合材料的制备6第2章 铜包铝复合材料制备82.1试验过程82.2铜包铝复合材料制备82.3铜包铝复合材料界面形貌及元素分布92.4界面物相分析112.5浇铸温度对界面组织的影响122.6浇铸温度对Cu/Al复合材料导电性的影响142.7浇铸温度对Cu/Al复合材料结合强度的影响14第3章 铜
2、铝复合材料界面结合强度测试实验163.1测试方法的设计与初步确定163.2试验设备163.3试验及结果分析17第4章 结论19参 考 文 献20致 谢2121铜包铝复合材料制备摘 要 用固-液复合法制备了铜/铝双金属复合材料，并对铜/铝复合界面的组织结构和结合性能进行了研究。在分析工艺参数对铜/铝复合界面影响规律的基础上，对复合工艺进行了优化。结果表明，在使用混合熔剂对铜板进行预处理的情况下，当铜板预热温度为400、铝液浇注温度为730时，可以获得铜/铝界面过渡层厚度为30微米，界面剪切强度达45Pa的良好复合界面。 关键词：铜铝复合，制备，结合界面性能 第一章 选题背景1.1 项目提出背景铜
3、为稀缺金属，属于战略资源，国内每年需要进口大量铜材。为了解决铜资源日益匮乏与需求不断增长的矛盾，铜/铝层状复合材料由于同时具有铜的高导电性能、高导热率、低接触电阻以及铝的质轻、耐蚀等优点，近年来备受关注。目前，电工工业上主要运用铜铝复合材料作为大电流导电产品，其电阻率低，易折弯等优点使其在这一领域内难以被其他材料所替代。但是，随着铜在全世界储藏量的稀少，大量的铜需求导致铜材价格连年飙升，这给汇流排生产及使用企业造成了很大的压力，使得人们不得不考虑采用别的导电物质来替代这一材料，开发铜汇流排的替代品，降低汇流排的生产成本已成为当务之急。表1和表2分别显示了铜在全球的消耗量和开采量。 表1 世界1
4、0大铜消费国费量（单位：千公吨）国名1977198219871992美国1986.61664.21276.72057.8日本1127.11243.01276.61613.2德国894.9847.8970.1994.8前苏联1290.01320.01270.0880.0中国346.0398.0470.0590.0法国326.1419.0399.0481.2意大利326.0342.0420.0470.7比利时295.4277.1291.8372.0韩国53.2131.9259.0343.2英国512.2355.4327.7269.4十大国消费量7157.56998.47810.98072.3全球消
5、费量9059.99033.110413.610714.0表2 世界十大铜矿产国年产量（单位：千公吨） 国名1977198219871992智利1056.51242.21412.91940.0美国1346.81147.01243.61760.5加拿大780.9612.4794.1764.2赞比亚656.2574.5463.2440.0波兰284.8376.0438.0387.0中国99.8175.0250.0375.0俄罗斯853.0560.0630.0375.0秘鲁350.1353.8417.6368.1哈萨克-350.0澳洲220.0245.3232.7326.0十国小计5666.15286
6、.25882.17085.8全球总计7716.47622.38306.39289.6 由此可见，我国虽然为世界的铜产量大国之一，但是产量远远小于消费量。我国属于铜精矿贫乏国，铜精矿自给率非常低，一直以来冶炼活动主要都靠进口铜精矿来维持。2010年1-10月份我国进口铜精矿543.5万吨，同比增幅为5.86%如果我们按照进口铜精矿平均含铜量30%计，则我国目前的铜精矿自给率仅35%左右。按照我国的精炼铜产量进行折算，我国对铜精矿的需求较多，供应缺口较大。粗略估算我国1-10月份铜精矿缺口总计约121万吨。这样一个缺口主要是靠废铜来满足的1。而最新的调查也显示出，我国铜消费量占据世界的前列。之所以
7、要用铝代替性能优秀的铜，其主要原因就是：铝也是良好的导电体，且在我国储藏量丰富，价格稳定。而且在某些金属中加入少量铝，便可大大改善其性能。如在铝中加入镁，便制得铝镁合金，其硬度比纯的镁和铝都大许多，而且保留了其质轻的特点，常用于制造飞机的机身，火箭的箭体等等，我们希望通过铜铝合金经过处理后，得到性质能够取代铜排的材料。2006年电线电缆行业用铜量达354万吨，其中大电流母线约占25铜价暴涨之后，生产铜母线企业大都采用再生铜制各铜排。据全国已取得“CCC”证书的5000多家成套电气设备生产企业统计，全国年需求铜排40万吨以E若用铜铝复合材料代替，年需只要20多万吨，铜铝复合材料每吨只需铜材400
8、450kg，因此全年只需20多万吨铜材，为国家年节约20多万吨铜材。由此可见，铜铝复合材料作为大电流导体，既有较大节能减排空间，又为国家节约大量铜材，支持高效电机节能措施，获得更大的节能效果，对缓解电力紧张，降低能源消耗，减轻环境污染，改善生态环境有非常重要的作用，是利国利民之举。 1.2研究对象及其优势铜铝复合材料是一种以铝为基体，外层包覆铜的双金属材料，属于一种新型导电材料，主要应用在母线干线系统，高、低压成套开关设备和控制设备之中。它兼有铝的成本低、重量轻、与铜一样有较低的接触电阻等特点，且由于趋肤效应的影响载流能力大，接近电工铜排，是替代电工铜排的最佳选择。由于铜铝复合材料中铜占的体积
9、比很小，可以大量节约稀缺的铜资源，而且比重小，可以减轻成套电气设备的重量，减小自身重量所引起的弯曲应力，安装方便。其载流量接近于铜排，弯曲性能比铜排好，其抗拉强度、延伸率、硬度都可满足成套电气设备等产品的要求。使用铜铝复合材料替代铜排会大幅度降低成套电气设备等产品的成本，极易推广使用，每年至少为国家节约铜材80万吨以上，成套电气设备中导电体的成本降低350亿元2。 铜铝复合材料与铜排的性能比较如下表：表3 铜排与铜铝复合材料的性能比较 产 品 名 称性 能 指 标铜 排铜铝复合材料电阻率（.2/m）0.01770.02088导电率(IACS)9785.1比重(g/2)8.893.94重 量重、
10、应力大、安装不方便轻、应力小，能提高使用寿命、安装方便表面性能抗氧化、耐腐蚀、接触性能好与铜排相同机械加工性能好弯曲性能比铜排好，折弯、打孔不起层能满足电气设备要求。同等载流量的体积比11.15同等重量的长度比12.25同 等 载 流 量 同 等 长 度 的 价 格 比10.5铝在我国储藏量丰富，自上世纪七十年代起，以铝代铜在我国就是一项重要的经济政策，但因铝在空气中极易氧化，使用中存在一些技术难题，未能全面实施。近年来我国有不少大学和企业研究这一产品，铜包铝线缆已取得了成功，这两年已有十多家企业开始生产并实现产业化，2006年生产量已达到5万多吨。但铜铝复合汇流排在国内尚没有一家企业作到真正
11、意义的冶金结合，产品工艺标准、质量、性能没有保证，致使无法取代电工铜排。由于近年来国内外铜价大幅上涨，铜价接近6万元t，而铝价大约16万元t，因铝存量大，价格便宜，导电率良好，成了人们的首先想到的的铜的“替代物”。在2007 年10月11 日中国铜加工技术与应用论坛上，上海电缆研究所黄崇祺院士指出，“以铝节铜”已是大势所趋，所以最近在多个机械工厂项目设计中，车间干线采用铜铝复合材料代替纯铜，使用起来不但方便灵活而且大大节约了工程投资，取得了良好的经济效益。1.3高导电铜铝复合材料的制备目前，制备铜铝复合材料的工艺有下列几种：13.1 包覆焊接法包覆焊接法是国内、外制备铜包铝线的方法，国内有些企
12、业用此种工艺来制作铜包铝排，这种方法是采用多道次平立成型辊同芯地将铜带包覆在铝排上，然后对纵缝进行氩弧焊接，再经过拉伸、退火。13.2 轧制挤压法将经过清洗处理的铜带从上、下两宽面包覆铝板，利用轧辊施加压力将铜带和铝板压接在一起，然后矫形或做进一步处理后退火。13.3 静态挤压法将清洗后的铝棒套在清洗后的铜管内制成复合坯料，放入静液挤压机，利用高静水压力和大加工变形率作用，实现铜、铝之间的冶金结合。以上三种方法，铜、铝之间是固相结合，复合过程分三个阶段，即：铜铝表面的物理接触阶段、接触表面的激活阶段和扩散阶段。通过塑性变形使结合面接近到原子间距离，形成大量结合点，再经过热处理扩散，形成面结合，
13、其复合的机理为铜、铝的表面层破裂，新鲜铝质点挤入铜裂口中而相互接触，在一定条件下，表面原子被激活，形成激活中心而使新鲜质点间产生原子键结合，在之后的热处理过程中，通过扩散或结晶行为，使点结合转变为面结合，并具有一定扩散深度。13.4 连铸连钆直接成型法把铜和铝分别熔化、除渣、脱氧、保温，然后在水平方向密闭的复合器中先流入铜熔液，经冷却形成外壳，再将熔液流入已结晶的铜外壳内复合成坯料，向前牵引，进行连铸，再经压力加工成铜铝复合材料。此种方法只要控制熔液温度，牵引速度和冷却强度就能形成熔合良好的复合坯料。但是复合器材料一旦在高温下氧化，流入铜铝复合层将会影响复合材料的导电性能，且为后续加工带来困难。这种工艺方法最大的问题是复合器寿命短，将
