黃崇祺

（上海電纜研究所上海 200093）

隨著人類文明向現(xiàn)代化、電氣化、自動(dòng)化、信息化和網(wǎng)絡(luò)化方向的邁進(jìn)，許多應(yīng)用領(lǐng)域要求所用材料需同時(shí)具備高的導(dǎo)電性和高的強(qiáng)度。如，為生產(chǎn)高脈沖磁場(chǎng)，所需材料不僅要求具有低電阻率和低熱效應(yīng)，還需要具有足夠的強(qiáng)度以降低熱效應(yīng)，同時(shí)要求其強(qiáng)度大于1 GPa，電導(dǎo)率大于34.8 mS/m[1]。2017 年，我國(guó)銅、鋁導(dǎo)體的總用量分別為670 萬(wàn)t和190 萬(wàn)t，其中電工用銅導(dǎo)體的總用量約占國(guó)際相應(yīng)總量的1/3，占我國(guó)總用銅量的60%以上；電線電纜行業(yè)的銷售總產(chǎn)值已達(dá)1.42 萬(wàn)億元。在大機(jī)械行業(yè)中，除汽車行業(yè)外，銅導(dǎo)體總用量排第二。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外有關(guān)金屬導(dǎo)體先進(jìn)制造的新材料、新工藝、新技術(shù)、新設(shè)備和新產(chǎn)品不斷出現(xiàn)[2-3]。

金屬導(dǎo)體材料主要包括銅和銅合金導(dǎo)體，鋁及鋁合金導(dǎo)體，金屬與金屬、金屬與非金屬?gòu)?fù)合導(dǎo)體，特種導(dǎo)體。其中，銅和銅合金導(dǎo)體中主要有銅銀合金線和“Czochralski”單晶銅；鋁和鋁合金導(dǎo)體主要有膜包和組合膜包換位矩形鋁絞線、鋁和鋁合金電纜[4-5]、Al-Mg-Si 合金線[6-8]；金屬與金屬、金屬與非金屬?gòu)?fù)合導(dǎo)體主要包括改良型復(fù)合芯碳纖維導(dǎo)線、鋁錳合金包鋼線。文獻(xiàn)[9]對(duì)Cu-Ag 合金線，Al-Mg-Si 合金線以及特種導(dǎo)體進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，本文在此基礎(chǔ)上對(duì)其他高性能導(dǎo)體接觸線研究現(xiàn)狀進(jìn)行綜述。

1 銅和銅合金導(dǎo)體

1.1 我國(guó)銅和銅合金導(dǎo)體發(fā)展現(xiàn)狀

在國(guó)家科技部電子材料專項(xiàng)經(jīng)費(fèi)的支持下，電工用銅合金正在向電子用銅合金材料的方向發(fā)展。我國(guó)秉持“獨(dú)立自主，自力更生”的精神，對(duì)銅和銅合金的課題已發(fā)起攻關(guān)，并已取得階段性的成果，相信在不久的將來(lái)定能跟上我國(guó)電子工業(yè)迅猛發(fā)展的需要[10]。

在國(guó)家科技部的支持下，廢雜銅火法精煉（fire refining process of scrap copper, FRHC）制 桿 已 于2014 年通過(guò)科技部驗(yàn)收，當(dāng)即成為科技部重點(diǎn)推廣項(xiàng)目[11]。該FRHC 桿可用于電力電纜、裝備線纜、漆包線和裸銅線等生產(chǎn)。目前，“FRHC 桿”已成為產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)中的專用術(shù)語(yǔ)，先后納入歐標(biāo)、中國(guó)YS/T793—2012 行標(biāo)、美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)起草的美標(biāo)中。FRHC 直接制桿工藝及裝備技術(shù)和產(chǎn)品質(zhì)量已達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平行列。FRHC 桿的性能如表1 所示。綠色環(huán)保要求亦已達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

我國(guó)自主創(chuàng)新開(kāi)發(fā)了超細(xì)晶強(qiáng)化銅鎂合金接觸線。該接觸線可在350～410 km/h 下運(yùn)行[12]，與國(guó)際同類先進(jìn)產(chǎn)品相比，抗拉強(qiáng)度提高了10%，導(dǎo)電率提高了5 %IACS，韌性提高了25%，接觸網(wǎng)能耗降低了5%，同類產(chǎn)品的采購(gòu)成本降低了22%，價(jià)格也比國(guó)外的低了30%以上。該產(chǎn)品的制造工藝屬國(guó)際首創(chuàng)。

表1 FRHC 桿的性能Tab.1 Performance of FRHC bar

Cu-Ag 合金線是架空輸電線路用高強(qiáng)高導(dǎo)的導(dǎo)線，可有效地增加導(dǎo)線的載流量，工作溫度可達(dá)150 ℃，與使用其他高溫導(dǎo)線（鋁鋯耐熱鋁合金導(dǎo)線）的方案相比，傳輸能量損耗最大可降低40%。

“Czochralski”單晶銅制造法有別于日本開(kāi)發(fā)的“Ohno”連鑄法，采用該法制造的單晶銅的導(dǎo)電率高達(dá)105.6 %IACS，在視頻/音頻電纜上應(yīng)用，可改善信號(hào)的傳遞效果[13]。

“晶粒生長(zhǎng)控制”技術(shù)制造的無(wú)氧銅帶具有優(yōu)秀的耐熱性能，隨著電動(dòng)車、混合式動(dòng)力車、風(fēng)電和光伏發(fā)電等的技術(shù)革新，汽車發(fā)動(dòng)機(jī)控制和電力轉(zhuǎn)換等電力組件的高輸出化，將有助于改善電力組件基板與周邊部件的結(jié)合性能[14]。

1.2 “Czochralski”法制銅單晶線在視頻/音頻電纜中的應(yīng)用和規(guī)模生產(chǎn)

“Czochralski”熔體晶體生長(zhǎng)法是從熔體中提拉生長(zhǎng)高質(zhì)量單晶的一種方法，也是最常見(jiàn)的單晶生長(zhǎng)方法之一。其主要特點(diǎn)為能快速拉制大尺寸單晶，且晶體生長(zhǎng)方向容易控制[15]。相關(guān)的晶體生長(zhǎng)過(guò)程如圖1 所示。

圖1 晶體生長(zhǎng)系統(tǒng)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the crystal growth system

圖2 為“Czochralski”熔體晶體生長(zhǎng)法生長(zhǎng)的單 晶 銅（ single-crystal copper， SCC） 照 片。 用“Czochralski”法制造的SCC 線做導(dǎo)線，可降低電阻率和改善信號(hào)的傳遞效果，廣泛應(yīng)用于視頻/音頻電纜。

圖2 SCC 照片F(xiàn)ig. 2 Picture of the single-crystal copper

圖3 為電纜的制備過(guò)程。

圖4 為用SCC 導(dǎo)體制造的視頻/音頻電纜。采用“Czochralski”法制備SCC，通過(guò)線切割法生產(chǎn)SCC 圓盤(pán)以及SCC 線（如圖5 所示），再經(jīng)過(guò)拉線、絞線、絕緣保護(hù)后制備出用于視頻/音頻的電纜。

圖3 制造電纜的全過(guò)程Fig. 3 Whole process of cable manufacturing

圖4 用SCC 導(dǎo)體制造的視頻/音頻電纜Fig. 4 Vedio/audio cable made of SCC conductor

圖5 線切割法制造盤(pán)和線以及成品照片F(xiàn)ig.5 SCC disks and SCC wires making and made by wire-electrode cutting method

圖6 顯示了經(jīng)線切割后，無(wú)氧銅（oxygen free copper，OFC）、單晶無(wú)氧銅、冷拉后的SCC 以及SCC線的縱向截面的微觀形貌。

圖7 為以上材料的橫向界面微觀形貌。

圖6 4 種型號(hào)的銅合金用線切割后的縱向截面離子束掃描電子顯微鏡圖Fig.6 Longitudinal section focus ion beam scanning electron microscope images of the 4 types of copper alloys after wire-electrode cutting

圖7 4 種型號(hào)的銅合金用線切割后的橫截面離子束掃描電子顯微鏡圖Fig.7 Cross-section focus ion beam scanning electron microscope images of the 4 types of copper alloys after wire-electrode cutting

表2 不同型號(hào)銅材料的電阻率和導(dǎo)電率Tab.2 Resistivity and electric conductivity of different types of copper materials

表2 為4 種不同型號(hào)銅材料的電阻率。由表2可知，SCC 線的電阻率最小，為1.594 5×10-8Ω·cm（導(dǎo)電率為105.6 %IACS），因此用SCC 線制造的電纜具有較好的性能，在視頻/音頻線纜中應(yīng)用顯示出更好的特性。

2 鋁及鋁合金導(dǎo)體

2.1 我國(guó)鋁和鋁合金導(dǎo)體發(fā)展現(xiàn)狀

自新疆準(zhǔn)東至皖南，全長(zhǎng)3 324 km，輸送容量增至1 200 萬(wàn)kW，經(jīng)濟(jì)輸電距離延伸到3 000 km 以上的世界第一條±1 100 kV 直流特高壓輸電工程于2018 年底建成，為跨國(guó)聯(lián)網(wǎng)輸電創(chuàng)造了技術(shù)基礎(chǔ)。我國(guó)的1 000 kV、±800 kV 級(jí)交、直流輸電線路及其導(dǎo)線已處于國(guó)際領(lǐng)先水平。其次，膜包和組合膜包換位矩形鋁絞線在高壓、超高壓和特高壓輸電線路上應(yīng)用，并可能應(yīng)用于高速飛行列車上。據(jù)報(bào)導(dǎo)，我國(guó)在2025 年前將每輛乘用新車的百千米油耗降至4 L。隨著汽車輕量化、電動(dòng)化、污染減排化的發(fā)展，車輛用鋁、鋁合金電纜是不可缺少的產(chǎn)品[16]。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO/DIS 19642—4、6、8、10 新標(biāo)準(zhǔn)草案已經(jīng)公布，這將有助于推動(dòng)我國(guó)汽車工業(yè)的發(fā)展。高導(dǎo)電、超高導(dǎo)電和超超高導(dǎo)電Al-Mg-Si 合金在歐洲已開(kāi)發(fā)成功并標(biāo)準(zhǔn)化，有利于用戶選擇，降低架空輸電線路的輸電損耗。先將ZnAl15 合金制成12 mm 的桿和1.2～6.4 mm 的線，然后采用熱噴鍍法噴到零部件或移動(dòng)物件上，其防腐效果要比熱鍍鋅法好得多?？梢岳矛F(xiàn)有的上引法連鑄機(jī)制造ZnAl15 合金桿。加熱處理能有效地增加其伸長(zhǎng)率，從而只要先通過(guò)某種程度的熱變形，然后實(shí)現(xiàn)冷變形制線是可行的。應(yīng)用Al-Mg-Si-Mn-Ni 合金[17]制成的細(xì)線具有高強(qiáng)度、耐沖擊的特性，并兼有適當(dāng)?shù)纳扉L(zhǎng)率和電導(dǎo)率，適于在工業(yè)設(shè)備等場(chǎng)合使用，可減輕質(zhì)量、節(jié)約成本。添加Mn 可細(xì)化晶粒、提高伸長(zhǎng)率；添加Ni 可抑制伸長(zhǎng)率下降，同時(shí)亦可改善強(qiáng)度，從而可獲得高的耐沖擊性能。采用低溫時(shí)效處理，可使抗拉強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率處于較高的水平。

2.2 膜包和組合膜包換位矩形鋁絞線

膜包和組合膜包矩形鋁絞線已成功應(yīng)用于直流±800 kV、±500 kV 和交流1 100 kV 等特、超、高壓輸電線路的多種干式平波電抗器中的繞組線圈，并有可能擴(kuò)大至應(yīng)用于更低電壓等級(jí)線路中的電抗器之中，也有可能在高速飛行列車上用于感應(yīng)無(wú)線充電的線圈。這種組合膜包換位矩形鋁絞線可滿足大載流量的需要[18]。

膜包矩形鋁絞線的特點(diǎn)：1）具有完全換位的長(zhǎng)處；2）單線僅為在絞合時(shí)正常變形，無(wú)其他不規(guī)則變異；3）絕緣單線經(jīng)絞合后所有絕緣單線間無(wú)短路點(diǎn)，極大地改善了趨膚效應(yīng)，減少了渦流損耗，具有良好的均勻的電氣性能。

2.3 鋁和鋁合金電纜

道路車輛用鋁、鋁合金汽車電纜已在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織標(biāo)準(zhǔn)（ISO/DIS 19642—4、6、8、10—2017）中公布。該標(biāo)準(zhǔn)將為我國(guó)汽車輕量化、電動(dòng)化、污染減排化和電纜生產(chǎn)的創(chuàng)新發(fā)展增加動(dòng)力?，F(xiàn)行國(guó)標(biāo)與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織標(biāo)準(zhǔn)差距12 年。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織標(biāo)準(zhǔn)不僅規(guī)定了銅電纜也規(guī)定了鋁和鋁合金電纜，如表3 和表4 所示。

3 金屬與金屬、金屬與非金屬?gòu)?fù)合導(dǎo)體

Al-Mn 合金包鋼線替代鋁包鋼線，可提高輸電線路使用壽命（特別是鹽霧嚴(yán)重地區(qū)）。Al-Mn 合金包鋼線在日本已進(jìn)入試用階段。我國(guó)自主創(chuàng)新開(kāi)發(fā)的改良型復(fù)合芯碳纖維導(dǎo)線已開(kāi)發(fā)成功，并在由中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)組織的新產(chǎn)品技術(shù)鑒定會(huì)上通過(guò)鑒定。該改良的新型導(dǎo)線，已在國(guó)家電網(wǎng)山東和寧夏公司的10、35、110 kV 和330 kV 架空輸配電線路上掛網(wǎng)試運(yùn)行[19-20]。

3.1 改良型復(fù)合芯碳纖維導(dǎo)線

3.1.1 特點(diǎn)

改良型復(fù)合芯碳纖維導(dǎo)線應(yīng)用包覆導(dǎo)體技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)碳纖維芯的有效應(yīng)力處理。改良的導(dǎo)線避

免了在不正常施工時(shí)導(dǎo)線可能經(jīng)歷的尖角現(xiàn)象，并有效地利用了復(fù)合芯棒的預(yù)應(yīng)力處理，大大地改善了抗彎曲損傷能力，保證了線路運(yùn)行的安全[21]；復(fù)合材料芯被全部包覆隔離，不再受環(huán)境因素影響，確保了線路的安全運(yùn)行；導(dǎo)體包覆層避免了復(fù)合材料芯被直接壓迫，包覆芯與普通導(dǎo)線鋼芯一樣，可以用普通金具及普通方法施工，安全匹配，極大地降低了工程(金具及施工)的成本；進(jìn)一步完善了碳纖維導(dǎo)線的性能(增加了載流量，提高了輸送效率至40%以上，大幅增加了芯棒及導(dǎo)線的強(qiáng)度及彈性模量，有效地解決了冰區(qū)及大跨越大導(dǎo)線的弧垂問(wèn)題；提高了承力芯及導(dǎo)線的彎曲剛度，完善了導(dǎo)線抗風(fēng)、抗舞動(dòng)能力)；可廣泛采用智能制造技術(shù)（渦流，X 光，激光等成熟的手段，無(wú)盲區(qū)在線監(jiān)控），實(shí)現(xiàn)了包覆芯每厘米段監(jiān)造及質(zhì)量追遡管理機(jī)制，確保了導(dǎo)線制造環(huán)節(jié)的質(zhì)量。改良型復(fù)合芯碳纖維導(dǎo)線如圖8 所示。

表3 退火后各單根股線的性能Tab.3 Performance of each single strand after annealing

表4 導(dǎo)體電阻和截面積Tab.4 Conductor resistance and cross-sectional area

改良型復(fù)合芯碳纖維導(dǎo)線是一個(gè)改良性的技術(shù)實(shí)現(xiàn)，它圓滿地解決了碳纖維導(dǎo)線的所有缺陷；技術(shù)擁有獨(dú)立的專利保護(hù)，可以廣泛推廣應(yīng)用；國(guó)際領(lǐng)先，在全球范圍擁有專利保護(hù)。

圖8 改良型復(fù)合芯碳纖維導(dǎo)線Fig. 8 Improved composite core carbon fiber conductor

3.1.2 關(guān)鍵性能

改良型復(fù)合芯碳纖維導(dǎo)線的關(guān)鍵性能包括：強(qiáng)度進(jìn)一步提高到3 500 MPa；芯棒密度進(jìn)一步降低至1.6 g/cc；熱膨脹系數(shù)進(jìn)一步減小至0.06×10-6/℃；彈性模量恢復(fù)至165 GPa；改良型復(fù)合芯碳纖維導(dǎo)線/芯具有更良好的彎曲能力，包覆前復(fù)合芯線盤(pán)直徑達(dá)1.4 m，鋁包覆后復(fù)合芯線盤(pán)直徑為0.8 m。表5 給出了改良型與普通碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線（ACCC 導(dǎo)線）應(yīng)用技術(shù)的對(duì)比。

表5 改良型與普通碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線（ACCC 導(dǎo)線）應(yīng)用技術(shù)的對(duì)比Tab.5 Comparison of the application technology between modified and common carbon fiber composite core conductors (ACCC conductors)

3.1.3 推廣應(yīng)用前景

近年來(lái)，城市發(fā)展日新月異，城區(qū)電力負(fù)荷供需矛盾日漸成為不可忽視的矛盾。因此，為解決城市用地難、新建輸電通道阻擋多等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，大力推廣應(yīng)用新型導(dǎo)線刻不容緩。改良型復(fù)合芯碳纖維導(dǎo)線在普通碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化了導(dǎo)線性能及金具性能，降低了建設(shè)成本，同時(shí)優(yōu)化了施工工藝，保證了施工過(guò)程的安全，消除了線路運(yùn)行中的安全隱患，并且后期運(yùn)行維護(hù)成本大幅度降低，經(jīng)濟(jì)效益比高，在新建線路及舊線路改造中的應(yīng)用前景廣闊。

3.2 Al-Mn 合金包鋼線

Al-Mn 合金包鋼線已在架空輸電線路上試運(yùn)行，力圖提高架空輸電線路的安全可靠性和延長(zhǎng)導(dǎo)線的使用壽命。目前實(shí)際架空輸電線路上導(dǎo)線腐蝕的現(xiàn)狀如圖9 所示。由圖9 可知，導(dǎo)線的腐蝕大部分發(fā)生在內(nèi)部的鋁線上，同時(shí)導(dǎo)線內(nèi)部腐蝕產(chǎn)物較多。

圖9 實(shí)際使用輸電線路中受鹽霧腐蝕的鋼芯鋁絞線實(shí)例Fig.9 Aluminum conductor steel reinforced wire examples corroded by salt spray obtained from practical transmission lines

Al-Mn 和Al-Mg 合金包鋼線（直徑2.6 mm）腐蝕深度隨時(shí)間的變化曲線如圖10 所示。通過(guò)對(duì)比發(fā)現(xiàn)，用含質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.5%Mn 的鋁合金新材料包覆鋼線是最合適的線材。它比鋼芯鋁絞線的耐腐蝕性能高1.6～2.0 倍?，F(xiàn)正在試用和推廣應(yīng)用之中。

圖10 鋁錳和鋁鎂合金包鋼線腐蝕深度曲線Fig.10 Corrosion depth curves of Al-Mn and Al-Mg alloy clad steel wires

4 結(jié) 論

金屬導(dǎo)體材料同時(shí)具有高強(qiáng)度和高電導(dǎo)率是矛盾的，通過(guò)兩者適當(dāng)?shù)钠胶饪色@得新的導(dǎo)體材料，這通常有4 個(gè)途徑：

1）材料高純化；

2）材料合金化；

3）應(yīng)用石墨烯（制備單層石墨烯納米帶，用作原電池正極材料）、碳納米管（制備金屬氫，有可能制備出常溫超導(dǎo)體）和錫烯等；

4）開(kāi)發(fā)復(fù)合材料。

致謝

本國(guó)內(nèi)外綜合性論述文在編寫(xiě)中應(yīng)用了波蘭科技大學(xué)Tadeusz Knych 教授（曾于2002，2004 年和2009 年在國(guó)內(nèi)外獲得有聲譽(yù)的科技獎(jiǎng)項(xiàng)）論文中的有關(guān)觀點(diǎn)和圖表；鄭秋工程師提供了有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的資料，特此感謝。