銅包鋁導(dǎo)體性能研究

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1、銅包鋁導(dǎo)體性能研究0前言電線電纜行業(yè)的發(fā)展，離不開銅、鋁等導(dǎo)電材料。銅具有良好的電氣性能，是傳統(tǒng)的導(dǎo)電材料，但銅資源的匱乏和市場(chǎng)價(jià)格的不斷提高，促使電纜行業(yè)積極尋求代用材料。鋁是銅較好的代用材料，鋁的資源豐富，價(jià)格相對(duì)較低，密度較小，電導(dǎo)率較高，但是鋁的強(qiáng)度較低，耐腐蝕性較差，表面極易形成堅(jiān)固的氧化膜，且接觸電阻很大，接頭難以形成可靠的連接。隨著雙金屬?gòu)?fù)合技術(shù)的發(fā)展，人們利用銅的優(yōu)良導(dǎo)電性與鋁密度小的特點(diǎn)，在鋁芯線外部牢固復(fù)合銅薄層，制成銅包鋁線。銅包鋁線是采用包覆焊接拉拔法，將銅層均勻而同心地包覆在鋁芯線上，并使兩者界面上的銅和鋁原子實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合的

2、雙金屬?gòu)?fù)合線，它具有導(dǎo)電性好，密度小，柔軟，耐腐蝕，易焊接，價(jià)格較低等特點(diǎn)。在銅價(jià)節(jié)節(jié)攀升，居高不下的今天，銅包鋁線更能顯示性能上、經(jīng)濟(jì)上的種種特點(diǎn)，很多電線電纜企業(yè)都積極使用銅包鋁線，以減少用銅量，降低原材料成本。下面我就分別對(duì)金屬導(dǎo)體的導(dǎo)電機(jī)制、銅包鋁的復(fù)合機(jī)理、銅包鋁用作電纜主要材料的優(yōu)點(diǎn)和目前的一些問題加以概述，最后對(duì)這些問題給出相應(yīng)的幾點(diǎn)看法。1金屬的導(dǎo)電機(jī)理及銅包鋁復(fù)合機(jī)理1.1金屬導(dǎo)電機(jī)理由能帶理論知金屬導(dǎo)體的能帶結(jié)構(gòu)中最高占有帶僅部分充滿，即除了滿帶和空帶外還存在不滿帶。在費(fèi)米能級(jí)附近的電子，在熱或其他作用的激發(fā)下，產(chǎn)生定向運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)電

3、。因此，材料的導(dǎo)電性取決于能帶的結(jié)構(gòu)和電子的填充情況。對(duì)金屬導(dǎo)電有貢獻(xiàn)的僅僅是費(fèi)米能級(jí)附近的電子，這些自由電子即為金屬導(dǎo)體的載流子，也只有這些電子才能在電場(chǎng)的作用下進(jìn)入較高的能級(jí)，從而實(shí)現(xiàn)金屬導(dǎo)體的導(dǎo)電。金屬載流子在外電場(chǎng)和溫度梯度的驅(qū)動(dòng)下會(huì)發(fā)生定向運(yùn)動(dòng)，但他們同時(shí)也受到雜質(zhì)、缺陷和晶格振動(dòng)的散射，兩種因素相互競(jìng)爭(zhēng)、最終達(dá)到平衡，從而形成穩(wěn)態(tài)的輸運(yùn)現(xiàn)象，其中弛豫時(shí)間t大致就是系統(tǒng)恢復(fù)平衡所用的時(shí)間。所以說電子在費(fèi)米能級(jí)處的能態(tài)密度和弛豫時(shí)間對(duì)金屬電導(dǎo)有著緊密的影響。1.2銅包鋁復(fù)合機(jī)理在單一的金屬材料的結(jié)構(gòu)中，各原子依靠較高強(qiáng)度的鍵合力連接在一起，因

4、此冶金結(jié)合就是金屬在這種穩(wěn)固的原子間的鍵合力作用下連接在一起。銅包鋁的復(fù)合機(jī)理就是在去除銅-鋁接觸面的氧化物層，再通過外界壓力將這兩種金屬新產(chǎn)生的活性表面壓合在一起而實(shí)現(xiàn)金屬原子間的鍵和作用，得到的一種復(fù)合導(dǎo)體材料。2銅包鋁用作電纜主要材料的優(yōu)點(diǎn)2.1降低交流電阻　　2.1.1交流電阻是電流載流量的主要依據(jù)，根據(jù)集膚效應(yīng)的原理，單根導(dǎo)線的表面，其單位面積通過的電流比導(dǎo)線的圓心單位面積通過的電流要大，也就是說，大截面導(dǎo)體的圓心在相同導(dǎo)體相成的圓面積內(nèi)，圓心比圓周通過的電流要小，所以把圓心導(dǎo)體與圓周導(dǎo)體用不同的金屬組成是最合理、最經(jīng)濟(jì)的?！?.1.2影響

5、交流電阻指標(biāo)除直流電阻、集膚效應(yīng)外，還有鄰近效應(yīng)，與相同直流電阻的銅導(dǎo)體相比，采用銅復(fù)合導(dǎo)體后，單根導(dǎo)體內(nèi)，鋁在圓心，銅在外緣；在絞合導(dǎo)體內(nèi)，內(nèi)層是銅包鋁，外層是純銅，而鋁對(duì)集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)都沒有銅敏感，同時(shí)銅復(fù)合導(dǎo)體會(huì)使導(dǎo)體總截面增加一部份，因此也增加了導(dǎo)體的表面積，改善了電纜的散熱條件，增加了散熱面積，而鋁的導(dǎo)熱系數(shù)與銅相近，在同等的材料成本條件下，交流電阻的指標(biāo)要經(jīng)濟(jì)得多。2.2具有良好的耐腐蝕性鋁比銅易腐蝕，但由于銅包鋁材料已經(jīng)完全冶金化，鋁完全被銅所覆，不會(huì)被水、空氣接觸，完全達(dá)到與銅一樣的性能。銅包鋁/銅復(fù)合導(dǎo)體還更用利于避免電纜在長(zhǎng)期

6、使用過程中由于腐蝕、碰傷或因緊壓、錫焊接不好使導(dǎo)體與接線端子接觸不良、發(fā)熱引起銅層脫落和銅鋁兩種金屬之間形成電勢(shì)差，加速電化腐蝕，造成電纜端部燒毀的隱患。對(duì)于鋁導(dǎo)體，特別是在沿海地區(qū)，大氣中鹽霧所含有的氯離子會(huì)凝聚在鋁的表面，易在表面的雜質(zhì)和缺陷周圍引起局部腐蝕，形成孔洞、裂紋和微電池，加劇鋁導(dǎo)體的腐蝕。2.3成本低重量輕與相同技術(shù)指標(biāo)的銅芯電纜相比，銅包鋁導(dǎo)體電纜可節(jié)約成本40%以上，銅包鋁/銅復(fù)合導(dǎo)體電纜可節(jié)約成本20%以上。銅包鋁線的比重僅為純銅線的37%-40%。在線徑、重量相等的情況下，其長(zhǎng)度是純銅線的2.5倍。2.4良好的焊接性銅包鋁線由

7、于其表面同心包覆了一層純銅，因此具有跟純銅線一樣的可焊性，方便生產(chǎn)。3目前應(yīng)用復(fù)合導(dǎo)體電纜中的一些問題3.1尚無相應(yīng)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)早在上個(gè)世紀(jì)60年代歐美一些國(guó)家就在研究和應(yīng)用銅包鋁復(fù)合導(dǎo)體電纜，并制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)已進(jìn)入了實(shí)用階段；而我國(guó)銅包鋁或銅包鋁／銅復(fù)合導(dǎo)體電纜的生產(chǎn)和應(yīng)用還處于起步階段，國(guó)家還沒有制定相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。各個(gè)廠家的產(chǎn)品還沒有通過3C認(rèn)證，當(dāng)然，這些都是要經(jīng)過一段時(shí)間應(yīng)用積累后才能逐步形成。正是由于這個(gè)原因．造成目前選用復(fù)合導(dǎo)體電纜存在一些問題。3.2集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)有的廠家資料介紹復(fù)合導(dǎo)體電纜充分利用了電流的集膚效應(yīng)原理，導(dǎo)體表面通

8、過的電流比中心要大，把電阻率低的銅包在電阻率高的鋁的外表是一種最合理的導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，在這里顯然是把集膚效應(yīng)的作用