（材料加工工程专业论文）退火工艺对铜包铝线组织与性能的影响.pdf

学位论文版权使用授权书 江苏大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致， 允许论文被查阅和借阅，同时授权中国科学技术信息研究所将本论文编入中国 学位论文全文数据库并向社会提供查询，授权中国学术期刊( 光盘版) 电子杂 志社将本论文编入中国优秀博硕士学位论文全文数据库并向社会提供查询。 论文的公布( 包括刊登) 授权江苏大学研究生处办理。 本学位论文属于不保密函。 学位论文作者签名专彳阳处 矽i 年厂月拍e l 指导教师签名：司7 嘲 跏 1 年r 只6n 退火工艺对铜包铝线组织与性能的影响 t h ee f f e c to fm i c r o s t r u c t u r ea n d p r o p e r t i e so fc o p p e r c l a da l u m i n u m b ya n n e a l i n gp r o c e s s 专 2 0 1 1 年0 5 月 江苏大学硕士学位论文 摘要 双金属复合材料是两种不同性能、不同形态的组分材料通过复合手段结合而 成的一种多相材料。目前，双金属复合线主要包含铜包铝线、铜包钢线和铝包钢 线，而且铜包铝线是线缆行业中应用最广泛的双金属复合线材。它同时具有铝的 密度小和铜的良好导电性的特点。铜包铝线的表层为铜导体，对具有“趋肤效应 的高频信号传输是良好的载体。正是由于高频信号的电流“趋肤效应，采用铜 包铝复合线作为传输导线或作为内导体的同轴电缆，不仅具有高的信号传输特 性，而且具有质量轻、生产成本低等优点，特别在节约日益增长的铜资源需求上 有着重大的实际意义。 目前，在我国生产铜包铝线的主要方法是包覆拉拔法，因为这种方法工艺比 较简单，操作起来比较方便，生产速度快，铜和铝结合良好，产品质量优良。但 是与包覆拉拔法所对应的金属结合理论及材料组织与性能的研究比较薄弱，不利 于其质量的提高和技术的改进。 本课题研究了包覆拉拔过程中铜包铝线中c u a i 界面结合机理和退火工艺 对铜包铝线组织与性能的影响，从而确定其最佳退火工艺。 c u - a 1 双金属固相结合前处于分离表面，其电子结构具有定域性，为了实现 结合而施加的能量包括两部分：使双原子接近到引力作用距离的原子间结合能； 使表面态的价电子恢复为离域性的激活能。包覆拉拔前的铜带和铝芯线经过刷洗 加工形成较大的表面粗糙度，使拉拔过程中的塑性变形的第一阶段的凸起处的无 定向变形量加大，打碎残留的氧化膜或新形成的薄氧化膜提供洁净的接触表面， 减小界面间的相对滑移。随拉拔道次增加总变形量加大，界面锯齿状高度减小， 界面锯齿状形貌起着镶嵌作用，大大降低了双金属间的相对滑移。塑性变形可以 增大双金属的结合面积，铜包铝线在包覆拉拔过程中的塑性变形可以分成无定向 变形和整体定向变形两个阶段。 室温拉拔的铜包铝线经过多道次拉拔，产生了加工硬化现象，抗拉强度随着 形变量的增大而增大，延伸率随着形变量增加而减小。通过对室温拉拔的铜包铝 线进行退火，加速原子间重新排列和减少铜包铝线内部晶格缺陷，可以消除拉拔 过程中产生的加工硬化现象，消除内应力，软化组织，提高细线的力学性能和电 退火工艺对铜包铝线组织与性能的影响 学性能。从力学性能的角度，使得铜包铝线延伸率上升到最大值，抗拉强度降到 最小值，便于后续拉拔工艺，使其力学性能达到最佳配合。保温时间为一定的情 形下，温度较低使得铜包铝线组织处于回复阶段，加工硬化现象开始消除，扩散 层厚度由于铜铝原子相互扩散较慢，形成一层薄薄的扩散层，当处于最佳退火温 度时，其组织再结晶过程已经完成，晶粒排列比较均匀，c u - a i 界面形成合适的 扩散层，其厚度值达到了最佳值，这时铜包铝线的力学性能也达到了最佳配合。 温度过高，导致其晶粒组织异常粗大，c u a i 界面产生了大量硬而脆的金属间化 合物，使得铜包铝线性能急剧下降，c u - a 1 界面形成了非常厚的扩散层；在退火 温度一定的情形下，保温时间过低，c u - a i 界面铜铝原子没有来得及发生扩散， 铜包铝线的力学性能没有太多变化。当处于最佳保温时间时，铜包铝线此时再结 晶过程已经完成，晶粒排列均匀，力学性能达到最好的配合，并且在c u a i 界面 处形成合适的扩散层。当保温时间过高时，c u - a i 界面处也会产生大量金属间化 合物，使得扩散层厚度增加明显，从而导致铜包铝线性能下降幅度很大。相比于 保温时间对铜包铝线力学性能的影响，退火温度对其性能与组织的影响占主要因 素，而保温时间占次要因素。总体来说，电阻率经过退火后变化并不是很大，退 火主要是为了提高铜包铝线的延伸率，降低其抗拉强度。退火工艺中，退火温度 过高或者保温时间过长，都会使得c u - a i 界面扩散层中产生大量的金属脆性化合 物，如舢2 c u 、a 1 2 c u 3 等，导致扩散层厚度非常厚，严重降低了铜包铝线的性能。 合适的扩散层厚度对于铜包铝线的组织与性能有着重要的影响。 对于为由2 0 5 r a m 的铜包铝线，最佳退火工艺为3 5 0 3 0 m i n ，它的延伸率 为3 2 8 ，抗拉强度为1 0 3 4 m p a ，电阻率为0 0 2 4 3 4 q 聊聊2m ；对于为巾1 0 6 m m 的铜包铝线，最佳退火工艺为3 1 0 6 0 m i n ，其中延伸率为2 5 2 ，抗拉强度 为1 1 5 9 m p a ，电阻率为0 0 2 4 4 1q m m 2m ；对于为巾0 5 0 r a m 的铜包铝线，最 佳退火工艺为3 1 0 x 5 0 m i n ，其中延伸率为2 5 3 ，抗拉强度为1 2 0 5 m p a ，电 阻率为0 0 2 5 6 2 q m m 2m 。 关键词：铜包铝线；包覆拉拔法；退火工艺；组织与性能；固相结合 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h eb i m e t a l l i cw i r ei sam u l t i p h a s em a t e r i a l 丽t hd i f f e r e n ta g g r e g a t i v e c h a r a c t e r i s t i ca n dd i f f e r e n tf o r m so fd o u b l em e t a l sb ym e a n so fac o m b i n a t i o n f r o m n o wo n ，t h eb i m e t a l l i cw i r ei n c l u d e sc o p p e rc l a da l u m i n u mw i r e ，c o p p e rc l a ds t e e l w i r e ，a l u m i n u mc l a ds t e e lw i r e ，a n dc o p p e rc l a da l u m i n u mw i r ei st h em o s tw i d e l y u s e db i m e t a l l i cw i r ei nt h ec a b l ei n d u s t r y t h ec o p p e rc l a da l u m i n u mw i r ec o m b i n e s t h eb e n e f i c i a lp r o p e r t i e so ft h ew o n d e r f u lc o n d u c t i v i t yo fc o p p e ra n dt h el i g h t - w e i g h t o fa l u m i n u m t h es u r f a c eo fc o p p e rc l a da l u m i n u mw i r ei sc o p p e rc o n d u c t o r , a n di ti s ag o o dc a r r i e rw i t hs k i ne f f e c to fh i g h f r e q u e n c ys i g n a lt r a n s m i s s i o n j u s tb e c a u s eo f s k i ne f f e c tf o ra l t e r n a t i n gc u r r e n t ，u s i n gc o p p e rc l a da l u m i n u m 勰i n n e rc o n d u c t o r , c o a x i a lc a b l eh a sw o n d e r f u ls i g n a lt r a n s m i t t i n gp e r f o r m a n c ew i ml i g h t - w e i g h t ，a n d o f t e ns e r v e sa tal o w e rc o s tt h a nc o p p e rw i r e s e s p e c i a l l y , i ti si m p o r t a n tm e a n i n gf o r i n c r e m e n t a ln e e do fc o p p e ri ni n d u s t r i a ld e v e l o p m e n t f r o mn o wo n ，t h em a i np r o d u c t i o no fc o p p e rc l a da l u m i n u mw i r ei sc l a dd r a w i n g m e t h o d ，b e c a u s et h i sp r o c e s si sr e l a t i v e l ym e t h o d ，i t so p e r a t i o ni sm o r ec o n v e n i e n t ，i t s p r o d u c t i o ni sf a s t e r , t h ec o m b i n a t i o no fc o p p e ra n da l u m i n u m i sb e t t e r , a n di t sq u a l i t y o fp r o d u c t i o ni sb e t t e r b u tt h ei n v e s t i g a t i o no nt h eb o n d i n gm e c h a n i s mo ft h e b i m e t a l l i cw i r eb yc l a dd r a w i n gm e t h o da n dm i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so fc l a d d i n g w i r ei sv e r yd e f i c i e n c y s oi ti sd i s a d v a n t a g e o u sf o rq u a l i t yc o n t r o la n dt e c h n o l o g y d e v e l o p m e n t t h i st o p i cr e s e a r c h e sc u - a ii n t e r f a c eb o n d i n gm e c h a n i s mo fc o p p e rc l a d a l u m i n u mi nt h ec l a dd r a w i n gp r o c e s sa n dt h ee f f e c t so nm i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e s o fc o p p e rc l a da l u m i n u mi nt h ea n n e a l i n gp r o c e s s t h e nw ec a nd e t e r m i n et h eo p t i m a l a n n e a l i n gp r o c e s s t h ec u - a 1b i m e t a l l i ci si nt h es e p a r a t i o no ft h es u r f a c eb e f o r es o l i dc o m b i n a t i o n ， i t se l e c t r o n i cs t r u c t u r eh a ss o l i d p h a s el o c a l i t y t h ee n e r g ya p p l i e dc o n s i s t so ft w o p a r t sf o ra c h i e v i n gt h ec o m b i n a t i o n ：m a k et h ea t o m sc l o s et ot h eg r a v i t a t i o n a lb i n d i n g e n e r g yo ft h ed i s t a n c eb e t w e e na t o m s ；m a k et h ev a l e n c ee l e c t r o n so fs u r f a c es t a t e s 1 1 1 退火工艺对铜包铝线组织与性能的影响 r e s t o r et h ea c t i v a t i o ne n e r g yo fd e l o c a l i z a t i o n t h es t a t i cd e f o r m a t i o no ft h ec o n v e x i t y o fc o n t r a c ts u r f a c el a y e ri si n c e n s e m e n ta tt h ef i r s tm o m e n to ft h ep l a s t i cd e f o r m a t i o n b yd r a w i n gp r o c e s s a tt h es a m et i m e ，t h er u d i m e n t a lo x i d el a y e ro rt h i no x i d el a y e r a r ec r u s h e da n dn e wc l e a ns u r f a c ea r ep r o v i d e d ，a n dt h a tt h eo p p o s i t er e m o v ew i m i i l c o n t a c t s u r f a c ei sr e d u c e ds i n c et h ef r i c t i o nf o r c ew i t i l i nt w om e t a lc o n t a c ts u r f a c e p l a s t i cd e f o r m a t i o nc a ni n c r e a s et h ec o m b i n e da r e ao fb i m e t a l t h ep l a s t i c d e f o r m a t i o no fc o p p e rc l a da l u m i n u mi nt h ec l a dd r a w i n gp r o c e s sc a nb ed i v i d e di n t o n od i r e c t i o n a lo r i e n t a t i o nd e f o r m a t i o na n do v e r a l ld i r e c t i o n a lo r i e n t a t i o nd e f o r m a t i o n c o p p e rc l a da l u m i n u mb yd r a w i n ga tr o o mt e m p e r a t u r ei st h r o u g ht h em u l t i - p a s s d r a w i n g ，i tp r o d u c e sh a r d e n i n g t e n s i l es t r e n g t hi s i n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo f d e f o r m a t i o n ，e l o n g a t i o nd e c r e a s e s 丽t l lt h ei n c r e a s eo fd e f o r m a t i o n t h ec o p p e rc l a d a l u m i n u mb yd r a w i n ga tr o o mt e m p e r a t u r ei sa n n e a l e dm a ya c c e l e r a t et h ea t o m st o r e a r r a n g ea n dr e d u c et h ei n t e r n a ll a t t i c ed e f e c t so fc o p p e rc l a d a l u m i n u mw i r e a n n e a l i n gc a l le l i m i n a t eh a r d e n i n gw h i c hp r o d u c e si nt h ed r a w i n gp r o c e s s ，e l i m i n a t e s t r e s s ，s o f t e n i n go r g a n i z a t i o n s ，a n d c a ni m p r o v et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa n d e l e c t r i c a lp r o p e r t i e so fm i nw i r e f r o mt h ep e r s p e c t i v eo fm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ， a n n e a l i n gc a nm a k e t h ec o p p e rc l a da l u m i n u mu pt ot h em a x i m u me l o n g a t i o n ，m a k e t e n s i l es t r e n g t hd r o pt ot h em i n i m u mv a l u e f o rb e i n ge a s yt of o l l o wd r a w i n gp r o c e s s ， a n n e a l i n gm a k et h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa c h i e v et h eb e s tm a t c h i nt h ec e r t a i nc a s e o fa n n e a l i n gt i m e ，l o w e rt e m p e r a t u r em a k e st h ec o p p e rc l a da l u m i n u mw i r ei nt h e b a c ks t a g eo r g a n i z a t i o n t h ep h e n o m e n o no fh a r d e n i n gb e g i n st oe l i m i n a t e t h e d i f f u s i o nl a y e rt h i c k n e s sf o r m sat h i nd i f f u s i o nl a y e rd u et ot h ec o p p e ra n da l u m i n u m a t o m si n t e r - d i f f u s i o ns l o w l y w h e nt h ec c ai s a n n e a l i n ga tt h eb e s ta n n e a l i n g t e m p e r a t u r e ，r e c r y s t a l l i z a t i o np r o c e s sh a sb e e nc o m p l e t e d ，t h ea l i g n m e n to fg r a i ni s m o r eu n i f o r m ，t h ec u - a ii n t e r f a c ef o r m sas u i t a b l ed i f f u s i o nl a y e r , t h ed i f f u s i o nl a y e r t h i c k n e s sa c h i e v et h eb e s tv a l u e t h e nt h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fc c ah a sr e a c h e d t h eb e s tf i t w h e nt h et e m p e r a t u r ei sh i 曲e r , i tm a k et h eg r a i n sa b n o r m a lc o a r s e ，a l a r g en u m b e ro fh a r da n db r i t t l ei n t e r - m e t a l l i cc o m p o u n d sa r ep r o d u c e dd u r i n gt h e c u - a 1i n t e r f a c e t h i sm a k es h a r pd e c l i n ei nt h ep e r f o r m a n c eo fc o p p e rc l a da l u m i n u m w i r e ，c u - a li n t e r f a c ef o r m sat l l i c kd i f f u s i o nl a y e r i nt h ec e r t a i nc a s eo fa n n e a l i n g 江苏大学硕士学位论文 t e m p e r a t u r e ，a n n e a l i n gt i m ei ss h o r t e r , t h ea t o m so fc o p p e ra n da l u m i n u mi nt h e c u - a ii n t e r f a c ed o e sn o to c c u r , t h em e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fc c ad on o tc h a n g e m u c h w h e nt h ea n n e a l i n gi st h eb e s tt i m e ，t h er e - c r y s t a l l i z a t i o np r o c e s so fc o p p e r c l a da l u m i n u mh a sb e e nc o m p l e t e da tt h i st i m e t h eg r a i na r r a n g e se v e n l y t h eb e s t m e c h a n i c a lp r o p e r t i e sa r eg o r e n a n dt h ea p p r o p r i a t ed i f f u s i o nl a y e ri sf o r m e di nt h e c u - a li n t e r f a c e w h e nt h ea n n e a l i n gt i m ei sl o n g e r , al a r g en u m b e ro fc o m p o u n d sa r e p r o d u c e di nt h ec u a 1i n t e r f a c e t h i sm a k et h ed i f f u s i o nl a y e rt h i c k n e s si n c r e a s e d s i g n i f i c a n t l y , s o i tm a k et h e p r o p e r t i e so fc c ad e c r e a s eg r e a t l y c o m p a r e dt o a n n e a l i n gt i m e ，a n n e a l i n gt e m p e r a t u r eo nt h ep r o p e r t i e sa n dm i c r o s t r u c t u r eo fc c ai s t h em a i nf a c t o r s t h ea n n e a l i n gt i m ei sa c c o u n t e df o rt h es e c o n d a r yf a c t o r s i ng e n e r a l ， t h er e s i s t i v i t yd o e sn o tc h a n g es i g n i f i c a n t l ya f t e r a n n e a l i n g a n n e a l i n gm a i n l yt o i m p r o v et h ee l o n g a t i o no fc c a w i r ea n dr e d u c ei t st e n s i l es t r e n g t h i nt h ea n n e a l i n g p r o c e s s ，l o n g e ra n n e a l i n gt i m eo rh i g h e ra n n e a l i n gt e m p e r a t u r ew i l lm a k et h ec u - a i i n t e r f a c ed i f f u s i o nl a y e rp r o d u c el a r g ea m o u n t so fm e t a lb r i t t l ec o m p o u n d ss u c ha s a 1 2 c n , a 1 2 c u 3 t h i sm a k et h et h i c k n e s so fd i f f u s i o nl a y e rv e r yt h i c ka n ds e v e r e l y r e d u c et h ep e r f o r m a n c eo fc c aw i r e t h ea p p r o p r i a t et h i c k n e s so fd i f f u s i o nl a y e ro f c c ah a sas i g n i f i c a n ti m p a c to nt h eo r g a n i z a t i o na n dp e r f o r m a n c e a st h ed i a m e t e ro fq b2 0 5 m mo fc c a w i r e ，t h eb e s ta n n e a l i n gp r o c e s si s3 5 0 c x 3 0 m i n ，i t se l o n g a t i o n ，t e n s i l es t r e n g t ha n dr e s i s t i v i t yr e s p e c t i v e l ya r e3 2 8 ， 1 0 3 4 m p a ，0 0 2 4 3 4f 2 , , m m 2 聊舡t h ed i a m e t e ro f 巾1 0 6 m mo fc c aw i r e ，t h eb e s t a n n e a l i n gp r o c e s si s3 1 0 cx6 0 r a i n ，i t se l o n g a t i o n ，t e n s i l es t r e n g t ha n dr e s i s t i v i t y r e s p e c t i v e l ya r e2 5 2 ，1 1 5 9 m p a , 0 0 2 4 4 1q m 聊2m a st h ed i a m e t e ro f 由 0 5 0 m mo fc c aw i r e ，t h eb e s ta n n e a l i n gp r o c e s si s3 1 0 cx 5 0 m i n ，i t se l o n g a t i o n , t e n s i l es t r e n g t ha n dr e s i s t i v i t yr e s p e c t i v e l ya r e2 5 3 ，1 2 0 5 m p a ，0 0 2 5 6 2q m m 2 m k e yw o r d s ：c o p p e rc l a da l u m i n u mw i r e ，c l a dd r a w i n g ，a n n e a l i n g p r o c e s s ，m i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e s ，s o l i dc o m b i n a t i o n v 退火工艺对铜包铝线组织与性能的影响 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 目录 l 1 1 研究背景。1 1 1 1 铜包铝线的优越性2 1 2 国内外发展与研究现状4 1 2 1c u - a 1 双金属导线制备工艺与发展4 1 2 2 包覆焊拉拔法生产工艺与研究7 1 2 3 包覆焊拉拔法固相焊接理论8 1 3 本课题研究的内容与意义1 1 1 3 1 本课题研究的内容1 1 1 3 2 本课题研究的意义1 2 第二章实验条件及方案 1 4 2 1 实验准备1 4 2 1 1 原材料准备1 4 2 1 2 实验设备1 4 2 2 实验方案1 5 2 2 1 表面处理1 5 2 2 2 包覆拉拔1 7 2 2 3 扩散退火2 0 2 2 4 力学与电学性能检测2 1 2 2 5 微观分析。2 2 2 3 本章小结2 3 第三章铜包铝线的包覆焊拉拔工艺 3 1 包覆焊接工艺2 4 3 1 1 包覆焊接制备铜包铝线的工艺过程2 4 3 1 2 包覆焊接法铜铝双金属固相结合理论研究。2 7 3 1 3 铜包铝线经包覆焊接出现的缺陷，产生原因及防止方法2 8 3 2 室温拉拔工艺2 9 3 2 1 拉拔工艺2 9 3 2 2 塑性变形作用3 2 v 退火工艺对铜包铝线组织与性能的影响 3 2 3c u a i 双金属界面及其他问题3 4 3 3 本章小结3 6 第四章铜包铝线的力学性能与电学性能 3 7 4 1 铜包铝线的力学性能3 7 4 1 1 室温拉拔后的铜包铝线的抗拉强度、延伸率与形变量的关系3 7 4 1 2 退火温度对经室温拉拔后的铜包铝线力学性能的影响4 0 4 1 3 室温拉拔后退火保温时间对铜包铝线力学性能的影响。4 4 4 2 铜包铝线的电学性能4 7 4 2 1 包覆双金属线的电阻率计算4 7 4 2 2 退火温度对铜包铝线电阻率的影响4 8 4 2 3 保温时间对铜包铝线电阻率的影响5 0 4 3 本章小结。5 1 第五章铜包铝线的退火工艺 5 1 退火温度对铜包铝线组织与形貌的影响5 3 5 1 1 退火温度对铜包铝线铜包覆层显微组织的影响5 4 5 1 2 退火温度对铜包铝线界面形貌的影响。5 5 5 1 3 退火温度对铜包铝线界面扩散层厚度的影响。5 6 5 2 保温时间对铜包铝线组织与形貌的影响。5 8 5 2 1 保温时间对铜包铝线界面形貌的影响5 9 5 2 2 保温时间对铜包铝线界面扩散层厚度的影响6 0 5 3 影响铜包铝线组织与性能的金属间化合物。6 1 5 4 本章小节6 2 第六章结论及展望 6 1 结论6 4 6 2 展望6 5 参考文献 致谢 硕士期间发表论文 v 6 7 7 1 7 2 江苏大学硕士学位论文 1 1研究背景 第一章绪论 自古以来，新材料的出现与发展对人类社会的发展有着很大的影响。材料是 人类物质文明的基础与支柱。随着科技技术的不断发展，特别是航天航空、机械 制造、电子、以及汽车的发展和各种新技术、新产业的出现，人们对材料性能的 要求日益增高，在某些工作条件下单一组元材料的性能已经很难满足要求。为了 满足质量轻，导电性能优异，节约铜资源，降低生产成本的要求，铜包铝双金属 线这时就应运而生了。铜包铝( c c a - - c o p p e rc l a d a l u m i n u m ) 是以铝为基体， 外层包覆铜，并使他们之间形成原子间结合的双金属复合材料。铜包铝线材充分 发挥了铜的优良导电性和铝的低密度性能，在微型精密仪器、微型电控仪表、无 线电元件、半导体器件等方面有着重要的应用前景【蚓。 复合材料 4 1 是用两种或两种以上不同性能、不同形态的组分材料通过复合手 段组合而成的一种多相材料【5 】，与传统材料相比，复合材料具有性能可设计性、 材料与结构同一性、复合效应、材料性能对复合工艺的依赖性等特点，由此可具 有高比强度、高比刚性、高硬度、破损安全性高、阻尼减震性好等突出优点，自 上世纪年代兴起以来，一直成为世界关注、研究的热点，得到迅速发展。双金属 复合导线是上世纪6 0 年代由德国发明的，随后在美、英、法等发达国家推广，广 泛用于高频信号传输电缆、电力电缆、控制电缆、电磁线和特殊漆包线等领域 6 , 7 1 。 纯铜具有优异的导电和导热性能，是电流传输的主要载体。但是在工频范围 内，电信号的传输具有“集肤效应”，即电信号主要沿导体表层传输，因此芯部材 料的导电性能未能得到充分发挥，因而可采用导电性能稍低，但密度很低且与铜 有良好相容性的铝作为芯部填充材料，既不损失其导电导热性能，又能保证其强 度与刚度，于是开发出铜铝双金属复合材料。目前看来，双金属复合线主要包含 铜包铝线、铜包钢线和铝包钢线，而且铜包铝线是线缆行业中应用最广泛的双金 属复合线材。铜包铝线作为一种新型复合导电材料不仅具有铜的高导电导热性、 低接触电阻性和良好的外观，而且还具有铝的轻质、耐蚀和经济等优点。铜包铝 线的表层为铜导体，对具有“趋肤效应 的高频信号传输是良好的载体。正是由 退火工艺对铜包铝线组织与性能的影响 于铜具有良好的“趋肤效应 ，采用铜包铝复合线作为传输导线或作为内导体的 同轴电缆，不仅具有高的信号传输特性，而且具有质量轻、生产成本低等优点， 特别在节约日益增长的铜资源需求上有着重大的实际意义【8 , 9 1 。因为对于我国这 样一个铜资源贫乏而铝资源相对丰富的国家，这种“以铝代铜”和“以铝节铜9 9 的新 技术和新材料，更能显示其显著的优势和广阔的市场前景。随着国民经济的高速 发展，国内铜消费量逐年猛增，近年已达年消费近4 0 0 万吨的水平，而铜价居高 不下，对进口的依赖日趋严重，因此，研究开发铜铝复合材料来代替纯铜材料已 是大势所趋。 上世纪6 0 年代以后，双金属复合导线的生产发展加快，国外工业发达国家， 如德国、美国、英国、日本、法国、瑞典等国。从上世纪6 0 年代开始就采用各 种不同的制造方法生产双金属复合导线，并形成巨大的产业，应用范围也在不断 地扩大。我国的双金属复合导线的研制起步较晚，大约是从上世纪7 0 年代开始 的，产业化、商品化是从上世纪9 0 年代开始的，至今在国内已形成一个新兴产 业，对我国线缆行业发展起到了很大的推动作用。双金属复合导线对国民经济发 展的重要作用，对其制备方法、工艺技术、材料性能等的研究，在国内外都给予 很大的重视。而在我国，由于产业化起步较晚，大量的相关研究也主要集中在上 世纪6 0 年代以后，其研究的重点是制备方法和工艺技术，而对应的双金属结合 理论及其材料组织和性能的研究相对薄弱，究其原因是制备方法和工艺技术与生 产实际直接关联，而且复杂和多样。但是，各种加工制备的双金属结合机理及其 材料组织和性能的研究，亦关乎制备方法和工艺技术的正确应用，并直接与产品 性能的提高和推广应用紧密相连。因此，进一步对其深入研究和理论探讨，不仅 有着重要的理论价值，而且，对于指导生产实际和提高产品质量有重要的实际意 义。 1 1 1 铜包铝线的优越性 电缆电线行业的发展，离不开铝、更离不开铜等导电材料。铜具有良好的电 学性能，是传统的导电材料，但在铜资源的匮乏和市场价格不断提高的今天，这 促使电缆行业积极寻求代用材料。铝是铜理想的代替材料，铝的资源丰富，价格 比较低廉，密度比较小，电导率相对较高，但是铝的耐腐蚀性较差，强度较低， 2 江苏大学硕士学位论文 表面极易形成曙固的氧化膜，且接触电阻很大，接头难以形成牢固的连接。随着 双金属线复合技术的发展，人们利用铜的良好导电性与铝密度小的特点，在铝芯 线外部牢固复合铜薄层，制成铜包铝线。铜包铝线大多是采用包覆焊接拉拔法， 将铜层均匀而同心地包覆在铝芯线上。它具有密度小，导电性好，柔软，易焊接， 耐腐蚀，价格较低等特点。在铜价节节攀升，居高不下的今天，铜包铝线更能显 示性能上、经济上的种种特点，很多电线电缆企业都积极使用铜包铝线，以减少 用铜量，降低原材料成本。 直流和交流电流在导体截面上的分布是不同的。直流电流在导体横截面上的 电流密度基本为均匀分布。随着交流频率的增加，交流电流往往集中于导体表面 传输，愈向导体中心，电流密度愈小，甚至没有电流通过，这种现象称为“趋肤 效应”。有线电视及移动通信用电缆的工作频率可达上千兆赫兹，趋肤效应现象 非常明显，其信号主要集中在导体表面传输，导体的中心几乎不传输信号。如用 纯铜线作内导体时，其截面中心部分的铜没有起到传输信号的作用；用铜管作内 导体是最节省的，但这样不仅电缆强度较低，而且电缆弯曲时易将铜管压瘪，会 大大降低信号传输质量。因此人们设计出在铜管中充填具有优良导电性能并且价 格相对便宜的金属铝，制成铜包铝线，用作高频电缆的内导体。高频信号在导体 表面的趋肤深度6 与信号频率侑关。对于铜导体有： | 、 万= 6 7 厂2 ( 1 1 ) 只要所设计的铜包铝线的铜层厚度大于信号的趋肤深度6 ，就不会影响导体 的传输特性。 铜包铝线的优越性在于：密度低、弹性模量低、线膨胀系数与铝管外导体相 接近、比热容大。 密度低 铜层体积比有1 0 或1 5 的铜包铝线，例如对于铜层体积比为1 5 的铜包铝 线，它的密度约为3 6 3g c m 3 ，大约是纯铜线密度( 8 8 9g c m 3 ) 的3 9 ，这 就意味着，在相同质量和直径的条件下，铜包铝线的长度可达到纯铜线的2 4 倍 2 7 倍，因而使用铜包铝线可以大大降低原材料成本，节省铜资源。 弹性模量低 弹性模量是表征铜包铝线抵抗弹性形变的能力。铜包铝线的弹性模量比纯铜 3 退火工艺对铜包铝线组织与性能的影响 线的弹性模量要低得多，所以在操作中，电缆电线弯曲时不容易发生回弹，不会 因弹力而压迫绝缘介质，引起阻抗变化。 线膨胀系数与铝管外导体相接近 当电缆的外导体