创建资源节约型社会的线缆导体材料—铜包铝线

本文说明了铜包铝线的特性及其在创建资源节约型社会中的战略意义；介绍了我国铜包铝线新兴产业的发展概况及铜包铝导体在线缆行业中应用的现状i论述了在线缆行业中推广和应用铜包铝线应解决的主要问题。铜包铝线铜包铝线缆铜包铝线新兴产业铜包铝线再生利用。

一、  创建资源节约型社会的线缆导体材料——铜包铝线

1什么是铜包铝线

众所周知，铜具有独特的物理性能和电气性能，是传统的导体材料。但是，由于世界上铜资源的匮缺和市场价格较高，促使电工行业积极寻求代用材料。一般认为，铝的资源丰富、价格低廉、重量轻、导电率较高，也是一种是较好的导体。所以，在六十年代就提出“以铝代铜”，用铝线作电能传输线的导体。但是，铝的致命弱点是强度低、容易蠕变、耐蚀性较差、表面极易形成坚固的氧化膜，致使接头部分产生较大的接触电阻，并难以固牢连接。从而限制了“以铝代铜”的进一步推广。

 随着双金属层状复合材料技术的发展，人们将铜层连续、均匀地包覆在铝芯线上，并使两者接触界面上的铜与铝原子间形成冶金结合，开发了铜包铝线，其外观和横截面形状如图1所示。

这种线材既发挥了铜的优良导电性和铝的重量轻的特点，又克服铝易氧化、接触电阻大、接头难以焊接的弊端，是一种新型的导体材料。

2铜包铝线的特性

 铜包铝线的结构参数为铜层面积比（或体积比）和铜层重量比。横截面上铜层面积占整个铜包铝线面积之比，称为铜层面积比，常用的有10%和15%两种。根据铜与铝的密度，可以算出铜层重量比分别26. 8%和36. 3%。

铜包铝线的各项物理和力学性能一般介于铜线与铝线的性能之间。但必须指出，铜包铝线的横截面上显示出电极电位不同的铜与铝两种金属，当其表面处于潮湿介质中时，易产生电化学腐蚀。    

3铜包铝线的经济效益和社会效益分析

首先，从导体材料的密度来分析。

铜包铝线在线缆行业中的应用，根据线缆所传输的电流频率不同，可分为等直径使用（传输高频信号的射频电缆）和等电阻使用（传输低频电流的各种线缆）两种。

纯铜导线的密度为8. 89 g/cm3，而铜包铝导线的密度为3. 32 g/.cm3或3. 63 g/cm3，约为纯铜导线的40%左右。在等直径使用或等电阻使用时，在铜包铝线与铜线的重量相同的条件下，可以算出，铜包铝导线的长度分别比纯铜导线长2.5倍和1.7倍。

由于线缆是按照长度供货的。根据铜包铝线的铜层重量比，生产1吨铜包铝线约需纯铜320kg左右。因此，使用1吨铜包铝线可节省铜2.18吨或1.38吨。如果我国线缆行业每年使用10万吨铜包铝线，则可节省铜资源15至20万吨。由此可知，在线缆行业推广应用铜包铝线，是创建资源节约型社会的重要措施。

此外，使用铜包铝线还可大大降低线缆的生产成本，约可降低40%～50%左右。在铜价飞涨情况下，铜包铝线的推广将促使线缆行业持续发展。

其次，从导体材料的比热来分析。

铜包铝线的比热比纯铜线的大。因此，在相同电阻、电流和通电时间的条件下，线缆或绕组的温升较低，从而降低了绝缘的老化过程，延长了线缆的使用寿命。

此外，使用铜包铝线还可提高高频线缆的传输特牲，降低工人成缆或网络施工的劳动强度。

二、  我国铜包铝线新兴产业发展概况

我国从1977年由本公司用包覆焊接法开发生产铜包铝线，至今己有十年历史。在铜包铝线产品问世的初期，就受到各级政府的关怀与支持，特别是国家科技部不仅将“包覆焊接法铜包铝线的开发”列为国家“十五”科技攻关项目，还与国家对外贸经部、国家技术质量监督总局、国家税务总局和国家环保总局等五部委联合将通发铜包铝线定为“国家重点新产品”，极大地鼓舞了铜包铝线产业的发展。布公司还受信息产业部委托，主特制定了SJ/T 11223-2000《铜包铝线》电子行业标准，为提高铜包铝线质量、规范铜包铝线市场，促进铜包铝线与国际接轨，-起到了积极作用。

十年来，我国铜包铝线产业的发展极其迅速，主要表现在：

在线径方面，由过去主要生产2mm～3mm的线径，现发展到能生产最大线径为+7mm、最小线径为0. 04mm的圆形铜包铝线。

在品种方面，除生产普通铜包铝线外，还生产铜包铝漆包线、镀锡铜包铝线、铜包铝屏蔽线等品种；

在性能方面，除生产普通强度铜包铝线外，还生产高强度铜包铝镁合金线；

在形状方面，除生产圆形铜包铝线外，目前己开始试制和生产长方形截面的铜包铝扁线和母线；

在设备方面，研制成高效、智能化的包覆焊接装置，以提高生产率、成材率和产品质量。

在营销方面，彻底打破了九十年代从国外进口铜包铝线的局面，并发展到畅销美国、芬兰、日本、韩国、巴西、加拿大等十多个国家和台湾、香港等地区。

目前我国生产铜包铝线的企业现己发展到200余家，全国铜包铝线的年产量约5万吨左右，至少可为国家节省铜资源8～10万吨。

一个生产铜包铝线的新兴产业己在我国俏然兴起。在铜资源匮缺、铜价不断上扬的情况下，这个产业对我国线缆行业的发展将起很大促进作用。

三、目前在线缆行业中推广和应用铜包铝导体的现状

 1在传输高频信号的射频电缆中的应用

本公司在研究和开发铜包铝线的初衷是应用于传输高频信号的射频电缆内导体。由于高频信号在导体上传输时具有“集肤效应”，可在铜包铝线的铜层中传输。因此，可使用与纯铜内导体相同的直径。不仅节省了较多的铜资源，而且改善了信号传输特性和网络使用性能。这在国内外射频电缆生产企业和使用部门已形成共识，并制定了相应的产品标淮。国际电工委员会标准化组织IEC于1995年制定的IEC 61196《射频电缆第1部分：总规范——总则、定义、要求和试验方法》标准中，将铜包铝线列为射频电缆内导体材料。我国等同采用该标准制定的GB/T 17737. 1-2000《射频电缆》国家标准中，也将其列为内导体材料。该标准的制定使铜包铝线广泛应用于传输电视信号和移动通信信号的同轴电缆中，以及安装于地下铁道、电梯中的漏泄电缆中。

目前，我国在这个领域中应用铜包铝线的数量，估计已趋于饱和状态。

2在电器绕组中的应用

用0. 04mm～2. Omm的铜包铝线制成轻型漆包线，应用于高保真音响线圈、电视机偏转线圈、消磁线圈、微波炉变压器，，电磁炉底盘、微型电机绕组以及航天航空、军工等各种电器绕组，具有重量轻、相对导电率较高、散热性好的特点，并大大降低了生产成本。特别是近年来以铝镁合金为芯线的高强度铜包铝线问世，进一步改善了线材的力学性能，提高了线圈的卷绕速度。

例如，四川长虹电视机公司进行了铜包铝漆包线在电视机偏转线圈中应用的研究。试验表明，在相同电阻、电流和通电时间的条件下，铜包铝漆包线偏转线圈要比铜导体的的温升低，从而提高了图象质量，延长了绝缘的老化过程，提高了偏转线圈的使用寿命，并为该企业节省了大量资金。

近年来，铜包铝漆包线我国及日本应用相当广泛。但遗憾的是至今还没有制定出铜包铝漆包线的行业标淮或国家标淮。

 3在屏蔽线中的应用

线缆的屏蔽层过去主要使用细纯铜线编织或用铝管、铝箔卷绕。由于纯铜线价贵，曾改用铝镁合金丝。虽降低了材料的成本，但电阻率较大、接触性能较差，屏蔽效果不太理想。因此，近年来对于要求屏蔽效果较好的线缆，都采用铜包铝线，特别是高强度铜包铝镁合金线来编织。高强度线的抗拉强度超过240MPa，以满足编织屏蔽网的工艺要求。

4在电力电器工业及输配电工业中的应用

据统计，我国遍布全国各地的生产变压器、交直流电机、高低压配电柜等电力电器工业和输配电工业企业有万余家之多，用铜量估计占全国线缆用铜量的25%左右，约为60万吨。目前这些企业的产品大部分使用铜扁线或母线。由于铜资源的匮缺及铜价的飞涨，使企业不堪负重。

如果在这些产品中有一半（约30万吨）使用如图2所示的铜包铝扁线和母线，在等电阻条件下按1吨铜包铝线的长度为纯铜线的1.7倍计算，则铜包铝扁线和母线的年需求量可达18万吨。如此可观的市场容量，表明铜包铝扁线及母线必将成为供不应求的热门产品。

日本、德国、芬兰等工业发达国家早在上世纪七十年代就开发了铜包铝扁线和母线。但我国至今尚未见这种产品供应市场。为了适应国民经济飞速发展的需要，促进电力电器工业及输配电工业的进步，开发铜包铝扁线及母线生产设备及工艺的任务，己提到议事日程。本公司将义不容辞地承担起开发和生产这种产品的光荣任务。

5在传输低频电流的各类电线电缆中的应用

近几年来，随着铜价的不断上扬，很多线缆企业将铜包铝线用于传输低频电流的各类电线电缆中，如电力电缆、建筑布线、交通运输电线电缆、电焊机电缆等。经国家权威检测部门检测试验，这些线缆的电气特性完全满足铜芯线缆的要求。如果在国内广泛推广使用，将使铜包铝线新兴产业有更大的发展，将为国家节省相当可观的铜资源。

在这个领域推广应用铜包铝线应注意以下几点:

(1)在美国保险商实验所制定的UL标准中，将用于传输低频电流线缆的铜包铝导体与铝导体并列在一起。这就是说铜包铝导体主要起代替铝导体的作用，表面包覆的铜层主要是克服铝导体易于氧化、接触电阻大、难以钎焊等缺点。并不指望铜层能提高多少导电率。因此，生产铜包铝线的企业可将铜层面积比降至10%左右，以降低铜包铝线的成本。  

(2)成缆企业应充分考虑铜包铝线性能的特点，重视线缆承载时的安全性。

①铜包铝线的电阻率较纯铜线的大。由于传输低频电流的线缆一般传输的电流都较大，为保证铜包铝导体所传输的额定电流与纯铜线的相同，必须增大铜包铝线的横截面积或直径。根据铜包铝线与纯铜线的电阻率，可以计算出在等电阻条件下，两者横截面积之比应为1. 43：1（或两者直径之比为1.2：1）。

②铜包铝线的抗拉强度较纯铜线的低，承受交变载荷的疲劳强度也较低。因此，用铜包铝线作导体的线缆，不能只进行电气性能试验，还应进行承载能力的试验，考验其在安装和使用过程中的实际机械强度。

(3)使用铜包铝线缆的部门，应熟悉铜包铝线与纯铜线特性的差异，在安装、施工时应采用适当措施，发挥铜包铝线的特长，防止铜包铝线的铜层破裂。

四、在线缆行业中推广应用铜包铝导体存在的问题

目前，铜包铝线在射频电缆、电器绕组、屏蔽线及电力电器工业和输配电工业中的应用己为人们所接受，但在低频电线电缆中的应用还有争议。主要有以下几个问题，值得重视。

 1对铜包铝线特性的认识问题

铜包铝线虽可作为线缆导体，但具有与纯铜导体不同的特性。例如，铜包铝线的电阻率较纯铜线的大，在低频线缆中使用时必须增大其线径。但在常州、上海的个别企业，在几十根细铜线制成的电缆中，掺入十多根铜包铝线，以降低成本，但却使电缆的电阻增大，强度降低，存在安全隐患。这除了故意制造伪劣产品外，就是对铜包铝线的特性不了解。又如，铜包铝线的铜层较薄，成缆时应防止铜层破裂；再如，铜包铝线的端头露出铜和铝两种金属，两者之间存在电位差，在一定条件下易产生电化学腐蚀。因此，使用部门务必重视终端处理。

为此，建议在线缆行业中应针对恫包铝线的特性进行培训。

2铜包铝线的再生利用问题

有人担心，使用铜包铝线作线缆导体虽然节省了铜资源，但是铜包铝线中含有铜和铝两种金属，在报废的线缆中铜包铝线难以回收再生、循环利用。

实际上，铜包铝线中的铜与铝都是较纯的金属，在有色金属工业中大有“用武之地”。首先，在炼铝工业中可用作熔炼含铜铝合金的添加料。在硬铝合金、超硬铝合金及锻铝合金中，为了提高其强度，必须加入2.5%～7%的铜、0.2%～3%的镁。由于铜包铝线中含铜约30%～40%左右，高强度铜包铝镁合金线中含有1%左右的镁，因而可以直接熔炼成Al-Cu或AL-Cu-Mg中间合金，加入到铝合金中。现以硬铝中含有5%的铜计算，则熔炼1吨硬铝需加入50kg铜。若铜包铝线中含有35%的铜，则加入1-4吨左右的铜包铝线就可满足要求。

其次，在炼铜工业中，为了提高铜合金的强度、硬度、抗大气和海水腐蚀性能，需熔炼铝青铜，即在铜中加入6%～11%铝。这也可用铜包铝线配制成Cu-Al中间合金加入到熔炼炉中，来满足其中含铝量的要求。

以上两项用于回收报废铜包铝线的合金在全国用量很大。因此，铜包铝线与纯铜线或纯铝线一样具有“再生性”。

但是，少量铜包铝线缆废品则难以处理。因此，对于盗窃线缆的案犯，割断少量铜包铝线缆，废品收购站认为其导体材料既不全是铜，又不全是铝，无法处理，一般不予收购。因此，从这一点看，可以认为用铜包铝线缆具有“免盗性”。

3铜包铝线缆产品的标准问题

我国铜包铝线开发十年来，已在全国形成了一个新兴产业。为我国创建铜资源节约型社会及推动线缆行业的发展作出了一定的贡献。目前，这个新兴产业要继续发展，还遇到铜包铝线缆产品的标准问题。

如前所述，近年来很多线缆生产企业应用铜包铝线试制了各种低频线缆，各项电气性能指标完全合格，产品售价也较低，但由于没有相应的线缆产品标准，得不到3C论证标志，难以销售。因此，铜包铝线缆产品标准的制定，已成铜包铝线新兴产业能否进一步发展和影响铜包铝线在线缆行业中推广应用的一个迫在眉睫的问题。

但是，制定铜包铝线缆产品标准是一项科学的、细致的、涉及到国家和人民生命财产安全的问题。我们认为，应该以“科学发展观”为指导，以贯彻资源节约型社会为战略目标，以对国家和人民生命财产负责的态度，组织一个由电缆研究所牵头，由使用某种线缆的中央部委或研究机构、线缆的生产企业和使用部门参加的研究小组，进行如下试验研究。

(1)根据铜包铝线的特性，选择适合于铜包铝线导体的某些线缆作为研究课题。

(2)对试制的铜包铝线缆进行电气性能、力学性能及化学性能的测试与研究，使之满足线缆产品的使用要求.

(3)使用部门根据铜包铝线的特性对线缆的旌工特点进行试验和研究，制定出相应的施工方案，在实际施工时进行考察。

(4)在积累理论与实用资料的基础上，制定相关铜包铝线缆的标准。

经过对多种铜包铝线缆的试验研究，必将确定铜包铝线在线缆行业中最恰当的应用范围，改变铜包铝线在线缆行业中应用的“权宜之计”，使之成为某种线缆的“必用导体”或“专用导体”。

当前，一个创建资源节约型社会的线缆导体材料——铜包铝线正摆在我们全体线缆工作者的面前，让我们伸出抚爱的双手，培育它不断成长壮大！