在由上海有色網(wǎng)（SMM）和山東恒邦冶煉股份有限公司聯(lián)合舉辦的2024（第十九屆）SMM銅業(yè)大會暨銅產(chǎn)業(yè)博覽會——電工輸配電論壇上，中南大學教授/博導龔深對高強高導新型銅合金的應用基礎研究進行了解讀。

產(chǎn)品質量與國際接軌，綜合實力強：質量好，主要產(chǎn)品質量標準與國際接軌；產(chǎn)業(yè)鏈完整，各種銅材產(chǎn)品均可自主生產(chǎn)；實現(xiàn)凈出口逐年擴大，國際競爭力增強；配套協(xié)作完善，供應鏈優(yōu)勢明顯。
高性能銅合金設計
設計原則
調(diào)整材料成分：即在銅中添加合金元素，提高材料的性能，即研究開發(fā)新型銅合金材料；熱處理調(diào)整組織結構：進行合理的熱處理，調(diào)整材料的組織結構，提高材料的性能；素化設計+特種加工技術：通過加工工藝而不是添加合金元素；直接保值回收利用：如涂層元素為有效合金化元素，C18045。
其還對設計方法進行了介紹。
集成電路引線框架用銅合金
集成電路引線框架用銅合金
引線框架銅合金的主要功能是為芯片提供機械支撐的載體，并作為導電和導熱介質，一方面連接芯片/器件電路而形成電信號通路，另一方面與封裝外殼一同向外散發(fā)熱量而形成散熱通路。
集成電路的發(fā)展趨勢：由小規(guī)模發(fā)展到中規(guī)模、大規(guī)模、超大規(guī)模、特大規(guī)模，最后發(fā)展到及大規(guī)模。
引線框架：是芯片的載體，是集成電路的重要組成部分。
引線框架發(fā)展: 多腳化、高密度化、超薄、微型化引線框架用材料：高強高彈、高導、高抗軟化溫度、高精度、高表面質量
引線框架加工方式：由傳統(tǒng)物理沖壓成向蝕刻成形轉變
服役條件：集成電路向高集成化、高流通能力、高可靠性發(fā)展，布線更加細微化。
蝕刻框架銅合金的主要性能要求
其從組織結構特征、本征性能、形位公差、后加工性能、鍍覆性能等對蝕刻框架銅合金的主要性能要求進行了闡述。
集成電路引線框架用銅合金殘余應力調(diào)控
在帶材加工過程中，不均勻變形是一定存在的，如何在軋制過程中控制宏觀板形是蝕刻型銅帶加工技術的核心之一。
帶材后處理過程如何更好地改善板形，消減殘余應力及改善殘余應力分布的不均勻是蝕刻型銅帶管家加工技術之一。
一次凝固組織亞微米化控制和析出相納米彌散化控制技術是實現(xiàn)蝕刻后低毛刺、凸起和良好彎折性能的關鍵。
帶材的殘余應力控制關鍵技術。
通過調(diào)整冷軋過程中軋輥凹凸度、輥表面質量、拉彎矯+退火過程等的協(xié)同調(diào)控，改善帶材殘余應力,刻蝕性能和離線形位公差。
C194引線框架材料（Cu-Fe-P合金，綜合性能高）、高強高導型合金（以Cu-Cr-Zr合金為代表）、高強中導型合金（以Cu-Ni-（Co）-Si合金為代表）等幾種的引線框架材料的性能。
Cu-Cr-Zr合金大規(guī)格坯錠非真空熔煉
問題：Zr易氧化造渣、與于爐襯材料反應等，成分穩(wěn)定控制困難。
措施：熔體預處理、銅-鋯中間合金添加、拉鑄工藝的調(diào)控、渣-氣聯(lián)合保護、澆管和流道設計與保護。
其還介紹了CuCr系合金的時效析出特性、C7025合金的加工工藝流程、C7025 合金典型加工工藝參數(shù)、Ni與Si的變化對性能影響、合金的相變等內(nèi)容。
印制線路板和IGBT用壓延銅箔
印制電路板覆銅板用高性能銅箔
印制電路板（PrintedCircuitBoard，PCB），PCB是支撐5G技術發(fā)展的關鍵零部件。是每個電子產(chǎn)品承載的系統(tǒng)合集。PCB主要由絕緣基材與導體兩類材料構成，在電子設備中起到支撐、互聯(lián)的作用，稱為“電子產(chǎn)品之母”。
覆銅板（CopperCladLaminate，CCL），是制造印刷電路板（PCB）的核心基材。覆銅板占整個PCB生產(chǎn)成本的30%-40%。擔負著（PCB）導電、支撐等功能。
銅箔：是制造覆銅板的關鍵材料，要求有較高的導電率及良好的焊接性。并且銅箔表面不得有劃痕、砂眼和皺褶銅箔。越薄，越容易蝕刻，越適合于制造線路復雜的高密度的印制板。
銅箔：分為壓延銅箔和電解銅箔
5G對銅箔材料的具體要求：細線路/彎折優(yōu)異，再結晶溫度低；介電常數(shù)和介電損耗要小；電磁波覆蓋能力較差，材料電磁屏蔽能力要強；覆銅板向多層數(shù)方向發(fā)展，箔料的厚度更薄，彎折性能更高；基于趨膚效應，高頻下趨膚深度變淺，導致通流截面積變小，交流電阻增加（10GHz下趨膚電阻率是1GHz的3倍），要求銅箔粗糙度越低越好,粗糙度越小，介電損耗越小。

壓延銅箔
壓延銅箔：智能穿戴、5G&6G 高速通信、新能源汽車、VR/AR、AI 等行業(yè)。
壓延銅箔的傳輸性能及柔韌性（撓性）的要求。
銅基體中達到一定的氧含量時，表面缺陷和粗糙度更低，更加適合更高頻率信號的傳輸。
高速通信用高撓曲性富氧銅壓延箔產(chǎn)品制備的關鍵是高品質富氧銅箔母材的生產(chǎn)。
氧在固態(tài)銅中的最大固溶度約80ppm，超過80ppm，氧均以Cu2O 形式存在。氧含量超過一定量后以Cu+Cu2O 的形態(tài)分布于晶界，氧含量達到共晶體成分點0.39wt%時全部為共晶組織。
銅液中的氫和氧的溶解量成反比，隨著氧溶解量增加氫的溶解量降低，因此，富氧銅錠制備時，必須嚴格控制氫的吸入，以防止鑄錠中產(chǎn)生氣孔等缺陷，進而導致箔材中的針孔缺陷。
其還對影響氧含量的因素、調(diào)控氧含量的工藝參數(shù)、微量元素在合金中微觀作用機制、銅箔軋制工藝控制等進行了介紹。
新型壓延銅合金箔
有氧銅箔，氧含量在150-500PPM，又稱為軔銅銅箔，強度高,表面質量好。
無氧銅箔，各雜質元素越低越好，導電率可達101-103%IACS,強度低，韌性好。
IGBT用銅箔
其對GBT用高耐熱無氧銅制備技術（DBC）進行了闡述。
新能源汽車用銅合金
新能源汽車用銅合金
傳統(tǒng)汽車內(nèi)燃機用銅23kg，混合電動汽車用銅40kg，插電混合電動汽車用銅60kg，純電動汽車用銅111kg，純電動公交車，根據(jù)電池容量大小用銅量位于224-369kg 區(qū)間；
根據(jù)IDTechEx 數(shù)據(jù)，新能源汽車用銅量中：電池占比約48%，電機占比約12%，高壓線束占比約6%，低壓線束占比約28%，其他占比6%；
每輛新能源汽車低壓線束用銅量為約23kg，高壓線束用銅為約5kg。低壓線束系統(tǒng)中，低壓線纜（一般采用無氧銅絲）用銅占比約85%，低壓連接器（一般采用紫銅帶、C192等）用銅量占比約15%。
高壓線束系統(tǒng)中，高壓線纜（采用退火純銅）銅量占比約75%，高壓連接器（采用磷青銅、鈹青銅、銅鉻鋯、銅鎳硅、C194等銅合金）用銅量占比約15%；經(jīng)測算，單車低壓線纜用銅量約19.8kg，單車低壓連接器用銅量約3.49kg，單車高壓線纜用銅量約3.7kg，單車高壓連接器用銅量約0.75kg。
驅動電機用銅桿
驅動電機：單車銅桿用量為約14公斤
驅動電機是電動汽車的動力來源，關鍵部件是定子和轉子。
永磁同步電機和交流異步電機已成為乘用車領域主流選擇。
永磁同步電機本身具有轉矩密度、功率密度、效率較高、調(diào)速性能好等優(yōu)點，永磁同步電機在國內(nèi)驅動電機市場中份超94%。
2021年來特斯拉、廣汽換裝扁線電機，比亞迪DMI全系采用扁線電機，上汽、長城的新車型也紛紛轉為扁線電機，占有率已超過23.9%。
國內(nèi)生產(chǎn)企業(yè)有精達股份、金杯電工、金田銅業(yè)和長城科技等。
采用無氧銅桿（氧含量低于10ppm）加工，大部分無氧銅桿為外購。
高純度、優(yōu)異的導電性、導熱性、切削加工性能和良好的焊接性能，無“氫病”或少“氫病”。
新能源汽車連接器端子用銅合金
汽車連接器是各個電子系統(tǒng)連接的信號樞紐，應用于各子系統(tǒng)中，包括動力系統(tǒng)、車身系統(tǒng)、信息控制系統(tǒng)、安全系統(tǒng)、車載設備等方面。傳統(tǒng)燃油車單車所用連接器數(shù)量約為500個，而新能源汽車單車將運用800-1000個連接器，在新能源整車中成本占比達到45%-65%。
新能源汽車主要由充電和換電兩種能源補給模式，這兩種補能模式的載體一種是充電樁，另一種是換電站，使用的電連接器與換電連接器均屬于高壓連接器。與充電樁的充電模式不同，換電是通過集中型充電站對大量電池集中存儲充電，在電池配送站內(nèi)直接完成對電動車進行電池更換。
銅合金應用于連接器端子，約占其總成本的26.4%。電鍍材料的選擇，以鍍金、鍍錫、鍍鎳和鍍銀等為主。
高鐵接觸網(wǎng)線用銅合金
高鐵接觸網(wǎng)線用銅合金
接觸網(wǎng)包括接觸線、承力索、吊弦等。
接觸線是最重要的組成部分，電力機車運行中，其受電弓滑板直接與接觸線摩擦并獲得電能。
承力索的作用是懸掛接觸線，同時承載一定電流來減小牽引網(wǎng)阻抗，降低電壓損耗和能耗。
吊弦是連接接觸線和承力索的連接線。
貫通地線是將鐵路沿線的牽引供電回流、電力供電、信號、通信及其他電子信息系統(tǒng)、各種設備連接在一起的接地導體，形成等電位連接，實現(xiàn)鐵路沿線設備的防電磁感應干擾、靜電干擾以及防雷電侵入等功能。
震波速度（接觸導線波動轉播速度）。
可行的措施：提高接觸線的抗拉強度保證其在滿足安全系數(shù)的前提下提高接觸線的張力。
電氣化鐵路接觸線國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢：其從國內(nèi)外接觸導線的主要技術指標比較、幾種銅合金接觸線的抗拉強度、導電率進行了介紹。此外，日本PHC接觸線綜合性能優(yōu)異，對中國技術封鎖。未見相關制備技術數(shù)據(jù)。
其對Cu-Mg接觸導線及其生產(chǎn)工藝進行了說明。
探明了Cu-Cr-Zr系合金的強化和耐熱機制，解釋了Zr元素在合金中的存在形式，及其對納米Cr強化相形核和長大的影響規(guī)律。
提出Cu-Cr系合金多尺度、多維度設計與制備理論框架。
Zr元素易氧化，造渣，易于爐襯材料反應，和熔體微量的氧化物形成絡合物，熔體粘度變化，導致連續(xù)鑄造困難。
合金熔體預處理，銅-鋯中間合金添加方式優(yōu)化，渣-氣聯(lián)合保護，拉鑄工藝的調(diào)控（核心參數(shù)：拉鑄溫度，拉停比例等），實現(xiàn)CuCrZr合金非真空連鑄和大坯錠半連鑄。實現(xiàn)Zr的均勻分布：Zr:0.02-0.1wt%。
二次冷軋時效可有效提高合金性能，強度可達620MPa以上，電導率可達82%IACS，軟化溫度高達550℃。
超高強彈性銅合金
超高強CuNiSn合金的制備工藝流程
Cu-Ni-Sn合金是一種既具有高強度、高韌性又具有優(yōu)良耐磨和耐蝕性能的銅合金材料：Cu-15Ni-8Sn合金的強度最高可達1350MPa以上，導電率8%IACS；Cu-9Ni-6Sn合金的強度最高可達1000MPa以上，導電率12%IACS。
Cu-Ti合金組織結構與性能
作為超高強彈性銅合金，Cu-Ti系合金具有高彈性、抗疲勞、無磁性、無沖擊火花、易電鍍和釬焊、耐磨等性能以及優(yōu)異的彎曲性能(r/t小)；廣泛應用于用作傳輸電力信號的接插件、連接器、開關觸片以及彈簧等導電彈性元件。



銅合金發(fā)展趨勢
銅材減碳加工技術
銅工業(yè)碳減排實施路徑主要包括：低碳原料應用、低碳工藝推廣與開發(fā)、低碳能源結構優(yōu)化等。
（1）低碳原料應用與廢舊銅合金的循環(huán)利用（城市礦山）
廢雜銅的精確分選、廢雜銅有害雜質元素的去除與降低技術；廢雜銅熔煉過程中的高效造渣劑、精煉劑等的研制；高效熔化爐開發(fā)，利用廢雜銅實現(xiàn)綜合性能好的再生銅合金開發(fā)。
開發(fā)黃銅、紫銅、引線框架和白銅等重點產(chǎn)品同級回收技術；
建立完善的回收體系，所有銅合金材料服役完畢后均能夠進入循環(huán)回收體系并進行同級或升級利用。
（2）銅合金綠色智能制造技術
高效低能耗鑄造、高效熱處理及加工技術。
（1）銅合金多流多頭高效熔鑄技術和潛液轉流鑄造技術；
（2）燃燒控制技術、煙氣余熱利用技術和計算機控制技術。
（3）大規(guī)格鑄坯高速熱變形裝備與技術以及強冷塑性變形技術，加大產(chǎn)能，減少材料幾何損失。
建立先進短流程生產(chǎn)線，實現(xiàn)高端銅基合金產(chǎn)品,如集成電路引線框架用銅合金板帶材、接觸網(wǎng)線、鍵合絲銅合金、微電機超細絲、海洋工程用白銅合金管材等的工業(yè)化生產(chǎn)。
建立銅合金制備全流程全耦合仿真模擬技術，實現(xiàn)生產(chǎn)工藝參數(shù)的快速優(yōu)化。形成基于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的智能生產(chǎn)、物流、倉儲技術，實現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈智能制造。
（3）銅材設計的數(shù)字化技術
合金化數(shù)字化技術實現(xiàn)了合金的從成分設計到工藝設計的理性設計以及高效實驗。
合金的成分設計是開發(fā)的源頭，利用熱力學、動力學以及相場計算的方法，設計出理論最優(yōu)的合金成分，并預測合金的目標性能，減少試驗試錯；
高通量實驗技術以最小的成本、最低的能耗實現(xiàn)最大效率的試制，以此確定產(chǎn)品最優(yōu)成分設計；
利用有限元技術實現(xiàn)熔鑄、熱處理和加工過程中工裝模具的優(yōu)化設計，生產(chǎn)工藝參數(shù)的優(yōu)化設計，快速且精準確定合金生產(chǎn)工藝。

銅合金加工全流程高效加工技術
銅合金高效熔鑄技術：多流多頭鑄造和潛液轉流鑄造技術。
節(jié)能式步進爐加熱技術：通過調(diào)節(jié)大型銅加工步進爐的步進速度和間距，控制錠坯加熱質量，以進一步提高加熱效率。
強變形高效熱變形技術：燃燒控制技術、煙氣余熱利用技術等提高熱能利用率；大規(guī)格鑄錠高速變形熱軋裝備與工藝，實現(xiàn)大產(chǎn)能、低材料幾何損的高速變形熱加工技術；高速變形提高帶坯的終軋溫度，減少帶坯頭尾溫差，使帶坯性能均勻、穩(wěn)定，提高冷軋帶材的精度和成材率。
強冷塑性變形技術：強變形裝備與工藝，實現(xiàn)大壓下量冷變形，結合快速退火，實現(xiàn)細晶化合金組織，提高力學性能、綜合成材率。
銅材先進短流程加工技術
短流程加工技術是指由液態(tài)金屬直接凝固、軋制或拉拔等變形的生產(chǎn)方式，綜合成材率較傳統(tǒng)工藝提高30%左右，能耗為傳統(tǒng)工藝70%左右。
基于應用場景的材料設計
微通道換熱器，就是通道當量直徑在10-1000μm的換熱器。與常規(guī)換熱器相比,微通道換熱器不僅體積小換熱系數(shù)大，換熱效率高。銅基微通道換熱器技術節(jié)能環(huán)保效果：
環(huán)保優(yōu)勢：制冷劑用量減少達70%；
節(jié)能優(yōu)勢：換熱效率提高30%以上；
成本優(yōu)勢：減重30%以上，成本降低30%；
比翅片銅管式換熱器系統(tǒng)的制冷量提升3.4%，功率降1.4%，能效比提升0.16；制冷劑充注量可減少20%～35%。
銅基復合材料
銅/石墨烯復合材料
石墨烯是已知載流子遷移率最高的材料，其室溫遷移率大于150000Cm2/（V·S），為硅的100倍，理論電導率達10×10?S/m，比銅（5.7×10?）和銀（6.3×10?）還高。
如果將現(xiàn)有銅材替換成銅/石墨烯復合材料可以將20KW電機銅耗降低12.33%，若將中國的電機都替換為超級銅電機，每年可以節(jié)約用電約185億度。
銅/石墨烯復合材料屬于銅的深加工行業(yè)，還處于中試的階段，暫時沒有進行市場開發(fā)，但是也有小批量的銷售。
彌散強化銅
其對彌散強化銅產(chǎn)品性能特點以及工藝流程等進行了講述。
雙金屬復合板帶制備方法
其從軋制復合法、銅鋼復合帶材工藝路線、冷軋復合工藝等進行了說明。
**2024SMM第十九屆銅業(yè)大會暨銅產(chǎn)業(yè)博覽會專題報道**