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铜与人类社会作者：朱宇宙单位：西南大学 数学与统计学院学号：222009314011059摘要：铜和铜合金自古以来就为人类社会的进步与发展做出了积极的贡献。从古代的劳动工具、兵器、生活用品、钱币，一直到现代的导电材料、电器、电机。以及各种机器上轴套、轴瓦、船舶上的螺旋桨、化工设备中的许多阀体都是用铜合金制造的。铜与铜合金还与百姓的日常生活密切相关。脸盆、水壶、炊具、取暖用具，等等。过去在江南农村还流传着这样的“顺口溜”：“穷啊穷，家里还有三担铜。”可见铜器用品在老百姓生活中起了多大的作用。关键字：铜 人类 社会 应用 影响 用途 发展 前景提纲：1、 铜的基本性质2、 铜与起源与发展3、 古代铜的冶炼4、 铜的冶铸精品5、 近现代社会铜的应用6、 铜的应用前景7、 总结正文1、铜金属的基本性质1.1导电性 铜有优异的载流容量，其性能比除银之外的其他任何非超导型导体都要好。现在的建筑电线的铜的电导率高出一个世纪前被人们接受的国际退火铜标准(IACS)规定的100%。铜优异的导电性意装有新颖铜转子的电机可以更小，并且与传统的电机相比，运行的环境温度更低。1.2导热性 铜的导热性比其它工程金属要高 8倍。它固有的高抗腐蚀和高可成形性的结合，铜的热导性使得铜成为制作所有类型的热交换器(包括太阳热水系统)的理想金属。因为对任何建筑或家庭来说，气/电水设备都是比较大的能耗设备，铜具有直接或大幅减少能源成本的潜力。1.3可成型性 铜的可成型性可以减少安装时间、降低劳动成本，尤其在管道工程中。管子和管件可以更容易地进行软焊接或硬钎焊、冷压等，因此可以进一步减少安装时间。铜及铜合金被普遍应用于电器和电子器件中，包括开关、载流弹簧、连接器和框架材料。热锻/冷锻铜产品可满足人们对可靠性和良好的切削加工性能的要求。铸铜合金种类繁多其是在需要抗腐蚀性与良好的热或电导性相结合的地方。1.4抗腐蚀性铜金属可以抵抗很多腐蚀环境下的侵蚀，这使铜成为用于滨海发电业、海上油气行业和海水淡化产业的理想金属。在有湿气和各种天然、人为气分情况下，铜最终会风化成一层使人愉悦的铜绿保护层，其功能可维持几个世纪不变。1.5抗菌作用现在，人们对医院感染和食品加工业引发的感染越来越关心。铜、铜的化合、铜合金的杀灭细菌、真菌和一定程度上的杀灭病毒的特性在几个世纪之前就为人们知晓。事实证明，铜或铜合金表面能有效地抑制医疗和空气处理系统中真菌和细菌性病害的传染。色彩绚丽/外表美观铜因其美观悦人的外表和其被广泛鉴赏的合金而被日益广泛的应用。随着铜的应用扩展到抑菌表面，铜也作为“健康”金属而被广泛接受。1.6易于制成合金铜易与其他金属制成合金。随着铜合金的开发，其在工业中的重要性日益增加。致产生了系列广泛的 400多种目前可供使用的材料。而这种努力正方兴未艾。1.7铜合金铜合金按其主要组成和性能，可以分为两类，即黄铜和青铜。所谓青铜，原来仅是指铜与锡的合金。但是近几十年来，因为多种合金元素被采用，出现了许多不以锡也不以锌为主要添加元素的铜合金，在习惯上也把这些新型铜合金称为“青铜”，如“铝青铜”、“铅青铜”、“铍青铜”，等等。为了区别起见，把以锡作为主要添加元素的青铜称作“锡青铜”。而把其他青铜称作“无锡青铜”。所谓黄铜是指铜与锌的合金。这种铜锌二元合金也称作“普通黄铜”。如果再加入第三种其他元素，如添加硅元素，即称为“硅黄铜”；加锰，即称为“锰黄铜”；加铝，即称为“铝黄铜”，等等，习惯上把这些多元黄铜统称为“特殊黄铜”。2、铜的起源与发展2.1世界上几个文明古国大体上是在公元前三千年至二千年先后进入“青铜时代”。在两河流域(底格里斯河、幼发拉底河)、尼罗河、印度河、黄河这四大河域都不同时期地开创了“青铜时代的文明。中国古代青铜的起源是在新石器时代晚期受陶器的熏陶而产生的。经历了由简单到复杂、由低级到高级的发展阶段。按历史朝代来看，大至可以分为六个时期：商器：公元前16世纪至公元前11世纪；西周器：公元前11世纪至公元前771年；春秋器：公元前770年至公元前476年；战国器：公元前475年至公元前221年；汉器：公元前206年至公元220年：汉以后青铜器。2.2按技术发展的阶段，概括起来可以分为三个时期：2.2.1青铜的萌生时期：这个时期是从新石器时代晚期至商初。这个时期主要是跨越夏王朝的五百多年。在黄河的中、上游都发现了夏代铜器的遗物。如在黄河上游甘肃永登县出土了夏朝铜刀，在黄河中游的河南登封也发现了夏朝青铜器。从母系氏旅公社时期的仰韶文化马家窑遗址发展到父系氏族公社时期的龙山文化、齐家文化等。这个时期的一个重大转折就是由原始社会转变为奴隶社会。青铜器的使用是作为从原始社会过渡到奴隶社会的一个重要标。2.2.2青铜的成熟时期：这个时期是从商中期至西周初。此时的青铜器生产已初具规模，技术也逐渐成熟。当时的青铜器不仅是奴隶主拥有的财富。也是奴隶主统治权力的象征。由于生产、战争、祭祀的需要，使用的青铜器品种增多。制造质量提高。大量生产制作了生活上使用的酒具(尊、爵等)、盛食用具(簋、豆等)、烹煮用具(鬲、鼎等)，生产上使用的工具(刀、斧、铲、锯等)。战争使用的兵器(戈、矛、戟等)。这个时代最典型的代表作是“司母戊方鼎”。是我国目前已发现的最大的一个古代青铜器。2.2.3青铜的鼎盛时期：这个时期是从西周中期到春秋战国。到了西周中期有了青铜冶铸业基地。发展了技术而且逐渐形成了独特的风格：体形轻薄、纹饰简朴、实用性强。春秋时期，我同古代的青铜铸造进入了一个新的发展时期。社会的变革，必然反映到技术领域里来。出现了一系列变化：青铜器拥有者从王室和王臣所有，扩大到被列国诸侯及卿大夫所拥有；在商周时代青铜器显得端庄森严而又有神秘感，到了春秋时代其风格则趋于生动写实；技术上日益发展，合金配置上有了青铜的配料规范，按用途和性能来配置不同的合金成分，著名的“六齐”就是该时代具有代表性的品种，即按其成分分为六类。各以其用途命名。它总结了青铜合金规范，也是世界上最早按此合金成分配比规律制作的青铜器。象征奴隶主权力的青铜礼器，随着奴隶社会的崩溃而退出了历史舞台，结束了两于多年的“青铜时代”，但青铜冶铸业仍然随着封建社会经济有了进一步发展，在生活工具、生产工具和艺术品方面有了更广泛的应用：封建社会商品经济重要交换手段的货币铜币大量应用；青铜镜应用日益广泛；铜坯鎏金技术成熟推广，大钟、大佛、铜亭等。这些青铜制品对社会的发展与进步起了积极的贡献。3、古代铜的铸冶技术商周时代是我国青铜器的鼎盛时代。铜的铸冶有了一定的规模。所用的原料是孔雀石(CuCO3CuOH2O)的铜矿石。修筑了炼炉，冶炼粗铜，并进一步得到青铜。从安阳殷墟发掘的资料，经过整理以后，可以清楚地看到当时青铜器的制造过程。在晚商时期我们的祖先已经开始掌握铜合金的配料规律。根据器物的不同用途进行不同的铜合金配比。这也是世界上最早的铜合金配料规律。春秋战国时代齐国人所记录的官书周礼考工记中记载，“言百工之事”，按木工、金工、皮革工、设色工、刮磨工、扶植工六类。其中攻金之工记载：“金有六奇：六分其金，而锡居一，谓之钟鼎之齐；五分其金，而锡居一，谓之斧斤之齐；四分其金，而锡居一，谓之戈戟之齐；三分其金，而锡居一，谓之大刃之齐；五分其金，而锡居二，谓之削杀矢之齐；金锡半，谓之鉴燧之齐。”“齐”同“剂”，现在开药方叫做剂量的，是指各药物的配比。所以“齐”在金属方法应认为是合金，而“六齐”，即是六种合金配料。“六齐”所表述的配比，可以有两种理解，“金”指的可能是纯铜，也可能是铜锡合金。从国内外学者分析化验的资料结果表明。除了鉴燧的配比有较大的出入外，其余几类大体上是符合“金”作为纯铜来配方的。特别值得我们自豪的是，我们的祖先对锡青铜配比的掌握走在世界前列。他们已经掌握了锡青铜中含锡量与力学性能的关系。钟鼎之类青铜器的含锡量控制在14-17，它可满足青铜器既要有一定的强度、硬度，也要有一定的韧性，同时要求敲击后声音洪亮的要求。对于斧斤之类工具，要求较高的强度、硬度，而仍要有一定的韧性，所以含锡量可稍高些。对于刀剑戈一类的兵器，最主要是需要有高的强度和硬度，所含锡量又可再高一些。而鉴燧因要在表面进行磨制达到光亮的银白光泽，所以硬度要求更高，因而在“六齐”中含锡量也是最高的。时代在发展，社会在进步，铜和铜合金的生产技术水平提高、创新与人类社会前进的步伐是相互依存的。封建社会、资本主义社会的生产力领先于奴隶社会，到了社会主义社会，尤其是改革开放的今天，生产力的发展如奔腾的骏马，飞速向前。我国的铜与铜合金生产发生了日新月异的创新，进入了世界先进国家之林。我们能生产出重达几十吨的具有国际先进水平的大型铜合金螺旋桨，适用于各种需求的铜合金应有尽有。新型的铸造生产技术，已为我们掌握、应用金属型铸造、低压铸造、压力铸造、真空吸铸、反压铸造、挤压铸造，等等；熔炼设备日趋现代化：真空炉、感应炉、电炉、坩埚炉，等等，琳琅满目。我们为祖国光辉灿烂的“青铜时代”而自豪，更为今日的繁荣昌盛和发达的科技而骄傲!4、铜的铸冶精品4.1 司母戊方鼎晚商和西周是我国青铜器的鼎盛时代。著名的司母戊方鼎是1939年出自河南安阳殷墟西北岗武官材的文物，此鼎是目前世界上考古发现的最大最重一件青铜器。被誉为世界级珍品。司母戊方鼎高1 330mm，口长1100mm，口宽780mm，重875kg。鼎腹内有三个铭文“司母戊”，；母戊是商朝二十九代王文丁的母亲。此鼎为商王文丁祭母所用外观雄伟，花纹富丽、端庄而具有神秘气氛，制作精细，在三千多年前就能制作出这佯精美的青铜铸件，充分显示了我国古代青铜铸造的高超技艺。我国古代铜鼎，除了“司母戊方鼎”外，还有不少著名的鼎，如商朝的人面纹方鼎（高385mm。口长298mm，口宽237mm)；西周的小克鼎(高565mm。口径490mm)等。鼎早在远古时代是祖先使用的一种炊具。后来发展成为一种重要的礼器。祭祀鬼神，再经过神化，与君权结合，变成了具有无上权威的器具。西汉司马迁所著我国第一部纪传记通史史记中曾有记载：禹收九牧之金，铸九鼎，代表天下九州。九鼎表示中华民族生生不息的民族精神，国家主权与尊严永久鼎立。4.2 世纪宝鼎当今有一座著名的鼎世纪宝鼎。它气势宏伟地屹立在联合国总部大厦绿色的草坪上。这是1995年10月24日，在美国纽约举行的联合国成立50周年盛大庆典上，我国向联合国赠送的一份世纪礼物，为这庆典增光添彩。此宝鼎被称为“夏后氏铸鼎以来最宏伟之作”。它高2.1 m，象征着21世纪的到来。口径1.5m，重1.5 t。三足鼎立，双耳高耸，气势宏伟，古朴典雅。鼎身上分布着商周时代鼎盛的饕餮纹饰。宝鼎的底座(禁)高50cm，象征着联合国成立50周年，2m见方，重1.2t，基座上铸出56条龙，代表着我国56个民族。鼎的正面铸出四个金文大字：“世纪宝鼎”。鼎内的铭文是：“铸赠世纪宝鼎，庆贺联合国五十华诞”。鼎圆禁方，它象征着我国远古时代的宇宙观天圆地方；象征着团结、统一；它是和平、发展、昌盛的吉祥物。此宝鼎凝聚了13亿中国人民对联合国的良好祝愿，也是向全世界再一次展现了中国青铜艺术的无比魅力!“世纪宝鼎”的材料是Cu-Zn-Si合金，分别整体铸出鼎和禁，显示出高超的技术水平。4.3西汉“透光镜”早在四千年前的齐家文化，我国已有了青铜镜。我国青铜镜的悠久历史及其高超的制镜技术闻名全世界。其中，汉、唐制的“透光镜”更以其奇特的“透光现象”，曾使19世纪的一些国外著名学者感到困惑。它是我国古代工匠创造性地利用光学、力学原理，运用高超的冶铸技术，巧夺天工的优秀科学文化遗产。在上海博物馆有一面传世西汉“透光镜”。该镜子由青铜铸成。该镜直径为74mm，重50g。镜背铸有浮凸纹饰；阔厚的镜缘；有几个铭文“见日之光天下大明”。铭文中间有菱花、螺圈浮凸图案；八曲连弧纹；镜钮居中。镜面微凸，明似秋水，毫发可鉴，照脸逼真。初看上去，这面铜镜与一般古时妇女用以梳妆的铜镜似乎没有什么区别。可是，当镜面反射阳光时，竟会产生一种令人不可思议的“透光现象”，即镜面的反射光在墙壁或屏幕上形成一个与镜背纹饰一模一样、明暗相间的反射图像。反射图像清晰，使人感到阳光好像是从薄壁镜面(相应的镜背无浮凸纹饰)透过似的，而厚壁镜面(相应的镜背有浮凸纹饰)才反射阳光。所以被称为“透光镜”。上海博物馆和复旦大学一起采用淬火处理方法，制得了具有“透光”现象的青铜镜。并且提出了铜镜透光的机制。上海交通大学采用与传统制镜工艺相仿的铸磨法也成功地复制出与传世西汉“透光镜”的“透光”效应完全一致的复制“透光镜”。并且阐明了西汉“透光镜”的制作工艺及其“透光”原理。揭开了我国古代青铜器制作上的千古之谜。4.4 曾侯乙编钟春秋战国时期。我国学术界呈现了百家争鸣的繁荣局面，在音乐文化方面也有着飞速的发展，在多种乐器实践中形成了七音和十二律的音阶体系，在长期制作乐器实践中总结出宝贵经验，指导了编钟的制作。曾侯乙编钟是1978年在湖北省随县曾侯乙墓出土的。编钟山土震惊了世界音乐界和铸造界。被誉为“世界的第八大奇迹”这是一套由65个青铜编钟组成的集合体。编钟总重量2 500kg，其中最大的编钟重203.6kg，高1534mm；最小的编钟重2.4kg，高202mm。65个编钟气势磅礴、富丽堂皇，井然有序地悬挂在三层装饰华丽的铜木钟架上。全套编钟音色优美纯朴，有深沉浑厚的低音，圆润明亮的中音，清脆悦耳的高音。总音域包括5个八度音程，比起钢琴仅在两端各少一组音域，中心音域十二个半音阶齐备，音域宽广。音律准确，可演奏古今中外的乐曲。全套编钟每件上都铸有铭文，一共有2 800字，全部都是关于音乐方面的资料，只要准确地敲击编钟的标音部位，即能发出与铭文相符的乐音。铭文还记录了战国时期各诸侯国的音律名及音阶名的相互关系，是令人惊叹的古代音乐资料。1997年7月1日，在香港回归的庆典上，此编钟奏响了“交响曲1997，天、地、人共歌，来自2400年前的钟声，穿越时空，欢唱香港回归祖国的怀抱，奏出了世纪庆典的“天籁之音”。这乐声在香港上空回荡，撞击着香港人和全世界华人的心弦。百年的心愿，终于圆满，普天同庆举国欢腾。4.5永乐大钟我国的大地上有多少名山古寺，就有多少钟的踪影。钟分为奏乐、庆典用的乐钟；朝廷祭祀、戍誓用的朝钟；普渡众生、消灾灭祸的佛钟每一口钟自有一番历史。号称“世界钟王”的永乐大钟，现悬挂在北京大钟寺。1418年(明永乐十六年)，明成祖朱埭迁都北京时，铸造此钟为定鼎之物。大钟重46t，高6 750mm，最大直径3 300mm。为了使大钟达到洪亮幽雅的音响效果，钟的壁厚上下不一，据科学手段测量，最薄处厚94mm，最厚处达185mm，相差约为1倍。此钟有“钟王五绝”的美誉。一绝即高超的铸造技术，巨钟雄浑中透出灵秀之气；二绝即在世界钟林中，铸造历史最久、最大、最重；三绝即由于钟体壁厚不同，故具有极美妙的音响效果，一击钟体，钟壁各部分产生不同的振动频率，汇出圆润、深沉的声音，声传数十里，悠扬悦耳，时远时近，使人心旷神怡；四绝即有灿烂绝佳的书法艺术，大钟通体内、外表面均铸满经文，共有23万字，笔笔工整、字字隽秀；五绝即46 t的巨钟，仅用一根宽60 mm、长1 000 mm的铜销子，穿过钟纽悬挂在木梁上，安然度过了几百年。我国各地还有许多闻名遐迩的古铜钟：苏州寒山寺钟、杭州南屏晚钟、江西上铙鸡鸣寺钟，等等。每逢除夕子夜时分，击钟108下，迎接新的一年的到来。“佛经”上说，人有108种烦恼，随着108响钟声，烦恼去、智慧长，达到了超脱境界。4.6古建筑精华铜殿唐宋以来，用铜来铸造房舍、屋脊、禽兽，典型的代表不少。凡名山胜地，基本都建有铜殿。武当山金殿、颐和园铜亭、北京故宫铜禽兽，构成了绚丽多彩的铜质古建筑瑰宝。武当山金殿是我国铸造水平最高的一座大型铜铸建筑。武当山，又名太和山，位于湖北省均县境内，方圆四百里，具有七十奇峰、二十四涧、十一洞、十池、九泉、三潭诸名胜，风景绝佳，为旅游避暑胜地。武当山又是我国道教圣地，金殿则是武当山的灵魂。武当山金殿建于1416年(明永乐十四年)。金殿高5 540mm，宽5 800mm，深4 200mm；黄铜鎏金的金殿建在海拔1662 m的天柱峰山顶。共用了铜铸件153件，黄金210 kg。屋脊上铜铸的仙人走兽形象逼真，金殿中立柱、梁墙、门等平面件均用黄铜铸造，殿内神像、几梁、供器也无一不是铜的。当雨后初晴，或既露阳光又有薄雾笼罩时，金殿上空会出现一座和金殿一样的殿堂，被称为“金殿叠影”奇观，道士将此渲染为“真武大帝显圣”的传奇。无论是严冬还是酷暑，即使是殿外狂风怒号，风力达到78级，殿内的烛火却始终长明。从不曾被吹灭，可见铸造和装配技术之高超，令人赞叹不已。经过了五百多年风雨雷电的侵袭，现在金殿仍然金碧辉煌，在阳光下放出耀眼金光，确实是我国古代金属材料制备和铸造工艺的一个伟大的杰作。5、近代社会铜的应用5.1电气工业中的应用 5.1.1电力输送电力输送中需要大量消耗高导电性的铜，主要用于动力申线电缆、汇流排、变压器、开关、接插件和联接器等。我国在过去一段时间内，由于铜供不应求，考虑到铝的比重只有铜的 30，在希望减轻重量的架空高压输电线路中曾采取以铝代铜的措施。目前从环境保护考虑，空中输电线将转为铺设地下电缆。在这种情况下，铝与铜相比，存在导电性差和电缆尺寸较大的缺点，而相形见绌。同样的原因，以节能高效的铜绕组变压器，取代铝绕组变压器，也是明智的选择。5.1.2电机制造在电机制造中，广泛使用高导电和高强度的铜合金。主要用铜部位是定子、转子和轴头等。在大型电机中，绕组要用水或氢气冷却，称为双水内冷或氢气冷却电机，这就需要大长度的中空导线。电机是使用电能的大户，约占全部电能供应的60%。一台电机运转累计电费很高，一般在最初工作5 00小时内就达到电机本易的成本，一年内相当于成本的4 16倍，在整个工作寿命期间可以达到成本的200倍。电机效率的少量提高，不但可以节能；而且可以获得显著的经济效益。开发和应用高效电机，是当前世界上的一个热门课题。由于电机内部的能量消耗，主要来源于绕组的电阻损耗；因此，增大铜线截面是发展高效电机的一个关键措施。近年来己率先开发出来的一些高效电机与传统电机相比，铜绕组的使用量增加25 100%。目前，美国能源部正在资助一个开发项目，拟采用铸入铜的技术生产电机转子。5.1.3 通讯电缆80年代以来，由于光纤电缆载流容量大等优点，在通讯干线上不断取代铜电缆，而迅速推广应用。但是，把电能转化为光能，以及输入用户的线路仍需使用大量的铜。随着通讯事业的发展，人们对通讯的依赖越来越大，对光纤电缆和铜电线的需求都会不断增加。5.1.4 住宅电气线路近年来，随着我国人民生活水平提高，家电迅速普及，住宅用电负荷增长很快。如图6.6所示，1987年居民用电量为 269.6亿度（ l度=1千瓦小时），10后年的 1996年猛升到 1131亿度，增加 3.2倍。尽管如此，与发达国家相比仍有很大差距。例如，1995年美国的人均用电量是我国的14.6倍，日本是我国的8.6倍。我国居民用电量今后仍有很大发展。预计从 1996年到2005年，还要增长l4倍。5.2电子工业中的应用电子工业是新兴产业，在它蒸蒸日上的发展过程中，不断开发出钢的新产品和新的应用领域。目前它的应用己从电真空器件和印刷电路，发展到微电子和半导体集成电路中。5.2.1 电真空器件电真空器件主要是高频和超高频发射管、波导管、磁控管等，它们需 要高纯度无氧铜和弥散强化无氧铜。5.2.2印刷电路铜印刷电路，是把铜箔作为表面，粘贴在作为支撑的塑料板上；用照相的办法把电路布线图印制在铜版上；通过浸蚀把多余的部分去掉而留下相互连接的电路。然后，在印刷线路板上与外部的连接处冲孔，把分立元件的接头或其它部分的终端插入，焊接在这个口路上，这样一个完整的线路便组装完成了。如果采用浸镀法，所有接头的焊接可以一次完成。这样，对于那些需要精细布置电路的场合，如无线电、电视机，计算机等，采用印刷电路可以节省大量布线和固定回路的劳动；因而得到广泛应用，需要消费大量的铜箔。此外，在电路的连接中还需用各种价格低廉、熔点低、流动性好的铜基钎焊材料。5.2.3 集成电路微电子技术的核心是集成电路。集成电路是指以半导体晶体材料为基片（芯片），采用专门的工艺技术将组成电路的元器件和互连线集成在基片内部、表面或基片之上的微小型化电路。这种微电路在结构上比最紧凑的分立元件电路在尺寸和重量上小成千上万倍。它的出现引起了计算机的巨大变革，成为现代信息技术的基础，IBM（国际商业机器公司），己采用钢代替硅芯片中的铝作互连线，取得了突破性进展。这种用铜的新型微芯片，可以获得30%的效能增益，电路的线尺寸可以减小到0.12微米，可使在单个芯片上集成的晶体管数目达到200万个。这就为古老的金属铜，在半导体集成电路这个最新技术领域中的应用，开创了新局面。5.2.4引线框架为了保护集成电路或混合电路的正常工作，需要对它进行封装；并在封装时，把电路中大量的接头从密封体内引出来。这些引线要求有一定的强度，构成该集成封装电路的支承骨架，称为引线框架。实际生产中，为了高速大批量生产，引线框架通常在一条金属带上按特定的排列方式连续冲压而成。框架材料占集成电路总成本的13 l4，而且用量很大；因此，必须要有低的成本。铜合金价格低廉，有高的强度、导电性和导热性，加工性能、针焊性和耐蚀性优良，通过合金化能在很大范围内控制其性能，能够较好地满足引线框架的性能要求，己成为引线框架的一个重要材料。它是目前钢在微电子器件中用量最多的一种材料。5.3.能源及石化工业中的应用5.3.1 能源工业火力及原子能发电都要依靠蒸气作功。蒸气的回路如下：锅炉发生蒸气- 蒸气推动汽轮机作功- 作功后的蒸汽送至冷凝器- 冷却成水- 回到锅炉重新变成蒸汽。其间主冷凝器由管板和冷凝管组成。由于铜导热性好并能抗水的腐蚀，所以它们均使用锅黄铜、铝黄铜或白铜制造。根据资料介绍，每万千瓦装机容量需要5吨冷凝管。一个60万千瓦的发电厂就需要3 00吨冷凝管材。太阳能的利用也要使用许多铜管。例如：英国伦敦附近某旅馆的一个游泳池，装备了太阳能加热器，在夏季可以将水温保持在1824。在该太阳能加热器中含有784磅（3 56公斤）铜管。5.3.2 石化工业铜和许多铜合金，在水溶液、盐酸等非氧化性酸、有机酸（如：醋酸、柠檬酸、脂肪酸、乳酸、草酸等）、除氨以外的各种碱及非氧化性的有机化合物（如：油类、酚、醇等）中，均有良好的耐蚀性；因而，在石化工业中大量用于制造接触腐蚀性介质的各种容器、管道系统、过滤器、泵和阀门等器件。还利用它的导热性，制造各种蒸发器、热交换器和冷凝器。由于铜的塑性很好，特别适合于制造现代化工工业中结构错综复杂、铜管交叉编制的热交换器。此外在石油精炼工厂中都使用青铜生产工具；原回是冲击时不迸出火花，可以防止火灾发生。5.3.3海洋工业海洋占地球表面面积70以上，合理地开发利用海洋资源日益受到人们的重视。海水中含确容易造成腐蚀的氯离子，钢铁、铝、甚至不锈钢等许多工程金属材料均不耐海水腐蚀。此外在这些材料，以及木材、玻璃等非金属材料的表面上还会形成海洋生物污损。铜则一枝独秀，不但耐海水腐蚀；而且溶入水中的铜离子有杀菌作用，可以防止海洋生物污损。因而，铜和铜合金是海洋工业中十分重要的材料，业已在海水淡化工厂、海洋采油采气平台、以及其它海岸和海底设施中广泛应用。例如，海水淡化过程中使用的管路系统、泵和阀门，以及采油采气平台上使用的设备，包括飞溅区和水下用的螺栓、钻孔日，抗生物污损包套、泵阀和管路系统等等。关于铜和铜合金在船舶中的应用情况，将在后节中介绍。5.4交通工业中的应用5.4.1 船舶由于良好的耐海水腐蚀性能，许多铜合金，如：铝青铜、锰青铜、铝黄铜、炮铜（锡锌青铜）、白钢以及镍铜合金（蒙乃尔合金）己成为造船的标准材料。一般在军舰和商船的自重中，铜和铜合金占23。 军舰和大部分大型商船的螺旋桨都用铝青铜或黄铜制造。大船的螺旋桨每支重 20 25吨。伊丽莎白皇后号和玛丽皇后号航母的螺旋桨每支重达3 5吨。大船沉重的尾轴常用海军上将炮铜，舵和螺旋浆的锥形螺栓也用同样材料。引擎和锅炉房内也大量用钢和铜合金。世界上第一艘核动力商船，使用了30吨白铜冷凝管。近来用铝黄铜管作油罐的大型加热线圈。在10万吨级的船上就有12个这种储油罐，相应的加热系统规模相当大。船上的电气设备也很复杂，发动机、电动机、通讯系统等几乎完全依靠铜和铜合金来工作。大小船只的船舱内经常用钢和铜合金来装饰。甚至木制小船，也最好用钢合金（通常是硅青铜）的螺丝和钉子来固定木结构，这种螺丝可以用滚轧大量生产出来。 为了防止船壳被海生物污损影响航行，过去经常采用包覆铜加以保护；现在，则普遍用刷含铜油漆的办法来解决。 二次世界大战中，为御防德国磁性水雷对舰船的袭击，曾发展了抗磁性水雷装置，在钢船壳周围附一圈铜带，通上电流以中和船的磁场，这样就可以不引爆水雷。从1944年以后，盟军的所有船只，共计约18，000艘，都装上了这种去磁装置而得到了保护。一些大型主力舰为此需用大量的铜，例如其中一艘用去铜线长 28英里，重约 30吨。5.4.2 汽车汽车用铜每辆102I公斤，随汽车类型和大小而异，对于小轿车约占自重的69%。铜和铜合金主要用于散热器、制动系统管路、液压装置、齿轮、轴承、刹车摩擦片、配电和电力系统、垫圈以及各种接头、配件和饰件等。其中用钢量比较大的是散热器。现代的管带式散热器，用黄铜带焊接成散热器管子，用薄的铜带折曲成散热片。近年来为了进一步提高铜散热器的性能，增强它对铝散热器的竞争力，作 了许多改进。在材质方面，向铜中添加微量元素，以达到在不损失导热性的前 提下，提高其强度和软化点，从而减薄带材的厚度，节省用钢量；在制造工艺 方面，采用高频或激光焊接铜管，并用钢钎焊代替易受铅污染的软焊组装散热 器芯体。这些努力的结果示于表6.2，与钎焊铝散热器相比，在相同的散热条件 下，即在相同的空气和冷却剂的压力降下，新型铜散热器的重量更轻，尺寸显 著缩小；再加上钢的耐蚀性好、使用寿命长，铜散热器的优势就更明显。5.4.3 铁路铁路的电气化对铜和铜合金的需要量很大。每公里的架空导线需用2 吨以上的异型铜线。为了提高它的强度，往往加入少量的铜（约1%）或银 （约of）。此外，列车上的电机、整流器、以及控制、制动、电气和信 号系统等都要依靠铜和铜合金来工作。5.4.4 飞机飞机的航行也离不开铜。例如：飞机中的配线、液压、冷却和气动系统需使用铜材，轴承保持器和起落架轴承采用铝青铜管材，导航仪表应用抗磁钢合金，众多仪表中使用破铜弹性元件等等。5.5机械和冶金工业中的应用5.5.1 机械工程几乎在所有的机器中都可以找到铜制品部件。除了电机、电路、油压系统、气压系统和控制系统中大量用钢以外，种类繁多用黄铜和青铜制造的传动件和固定件，如齿轮、蜗轮、蜗杆、联结件、紧固件、扭拧件、螺钉、螺母等，比比皆是。几乎在所有作机械相对运动的部件之间，都要使用减磨铜合金制作的轴承或轴套，特别是万吨级的大型挤压机、锻压机的缸套、滑板几乎都用青铜制成，铸件重量可达数吨。许多弹性元件，几乎都选用硅青铜和锡青铜作为材料。焊接工具、压铸模具等更离不开铜合金，如此等等。5.5.2 冶金设备冶金工业是消耗电能的大户，素有电老虎之称。在冶金厂的建设中通常必须要有一个依靠铜来进行工作的庞大的输、配电系统和电力运转设备。此外，在火法冶金中，连续铸造技术已占据主导地位，其中的关键部件一结晶器，大都采用铬铜、银铜等高强度和高导热性的铜合金。电冶金中的真空电弧炉和电渣炉水冷坩埚使用钢管材制造，各种感应加热的感应线圈都是用铜管或异型铜管绕制而成，内中通水冷却。5.5.3 合金添加剂铜是钢铁和铝等合金中的重要添加元素。少量铜（0.20.5%）加入低合金结构用钢中，可以提高钢的强度及耐大气和海洋腐蚀性能。在耐蚀铸铁和不锈钢中加入铜，可以进一步提高它们的耐蚀性。含铜30%左右的高镍合金是著名的高强度耐蚀蒙乃尔合金，在核工业中广泛使用。在许多高强度铝合金中都含有铜。通过淬火 一 时效热处理，在合金中析出弥散分布的细小颗粒，而显著提高其强度，称为时效硬化铝合金。其中著名的有杜拉铝或称硬铝，它是一种含铜、锰、镁的铝合金，是制造飞机和火箭的重要结构材料。5.6轻工业中的应用轻工业产品与人民生活密切相关，品种繁多、五花八门。由于铜钢具有良好综合性能，到处可以看到它大显身手的踪影。现仅举数例如下：5.6.1 空调器和冷冻机空调器和冷冻机的控温作用，主要通过热交换器铜管的蒸发及冷凝作 用来实现。热交换传热管的尺寸和传热性能，在很大程度上决定了整个空 调机和制冷装置的效能和小型化。在这些机器上采用的都是高导热性能的异型铜管。利用铜的良好加工性能，最近开发和生产出带有内槽和高翅片的散热管，用于制造空调器、冷冻机、化工及余热口收等装置中的热交换器，可使新型热交换器的总热传导系数提高到用普通管的23倍，和用普通低翅片管的 1.21.3倍，己在国内使用，可节省 40%的铜，并使热交换器体积缩小 13以上。5.6.2 钟表目前生产的钟表，计时器和有钟表机构的装置，其中大部分的工作部件都用钟表黄铜制造。合金中含1.5-2%的铅，有良好加工性能，适合于大规模生产。例如，齿轮由长的挤压黄铜棒切出，平轮由相应厚度的带材冲出，用黄铜或其它铜合金制作搂刻的钟表面以及螺丝和接头等等。大量便宜的手表用炮铜（锡锌青铜）制造，或镀以镍银（白铜）。一些著名的大钟都用钢和铜合金制作。英国大笨钟的时针用的是实心炮铜杆，分针用的是14英尺长的铜管。一个现代化的钟表厂，以铜合金为主要材料，用压力机和精确的模具加工，每天可以生产一万到三万只钟表，费用很低。5.6.3 造纸在当前信息万变的社会里，纸张消费量很大。纸张表面看来简单，但是造纸工艺却很复杂，需要通过许多步骤，应用很多机器，包括冷却器、蒸发器、打浆器、造纸机等等。其中许多部件，如：各种热交换管、辊轮、打击棒、半液体泵和丝网等，大部分都用钢合金制作。例如，目前采用的长网造纸机，它要将制好的纸浆喷到快速运动的具有细小网孔（ 4060目）的网布上。网布由黄铜和磷青铜丝编织而成，它的宽度很大，一般在20英尺以上，要求保持完全平直。网布在一系列小的黄铜或铜辊子上运动，当带着喷附其上的纸浆通过时，湿气从下面空吸出去。网子同时振动以使纸浆中的小纤维粘结在一起。大型造纸机的网布尺寸很大，可以达到宽26英尺8英寸和长100英尺。湿纸浆不但含水，而且含有造纸过程中使用的化学药剂，腐蚀性很强。为了保证纸张质量，对网布材料要求很严，不但要有高的强度和弹性；而且要抗纸浆腐蚀，铜合金完全可以胜任。5.6.4 印刷印刷中用铜版进行照相制版。表面抛光的铜版用感光乳胶敏化后，在它上面照相成像。感光后的铜版需加热使胶硬化。为避免受热软化，铜中往往含有少量的银或砷，以提高软化温度。然后，对版子进行腐蚀，形成分布着凹凸点子图形的印刷表面。在自动排字机上，要通过黄铜字型块的编排，来制造版型，这是铜在印刷中的另一个重要用途。字型块通常用的是含铅黄铜，有时也用铜或青铜。5.6.5 酿酒在世界的啤酒酿造中，铜起重要作用。经常用铜作麦芽桶和发酵罐的内村。在一些著名的啤酒厂中备有十余个容量超过2万加仑的这种大桶。在发酵缸中，为了降温，常用钢管通水冷却。还用钢管通水蒸汽在酿造啤酒时进行加热，以及用钢管输送酒液等。蒸馏威士忌和其它烈性酒时，通常用钢制蒸馏锅。威士忌麦芽酒需蒸馏两次，要用两个大铜蒸馏锅。5.6.6 医药制药工业中，各类蒸、煮、真空装置等都用纯铜制作。在医疗器械中则 广泛使用锌白铜。铜合金还是眼镜架的常用材料等等5.7建筑和艺术用铜5.7.1 管道系统由于铜水管具有美观耐用、安装方便、安全防火、卫生保健等诸多优点，使它与镀锌钢管和塑料管相比存在明显优越的价格性能比。在住宅和公用建筑中，用于供水、供热、供气以及防火喷淋系统，日益受到人们的青睐，成为当前的首选材料。在发达国家中，铜制供水系统己占很大比重。美国纽约号称世界第六高楼的曼哈顿大厦，其中仅供水系统一项，就用去铜管 6万英尺 （l公里）。在欧洲，饮水用钢管消耗量很大。英国的饮水用钢管消耗量平均每人每年1.6公斤，日本为0.2公斤。由于镀锌钢管容易锈蚀，许多国家己明令禁用。香港早于1996年 1月起禁止使用，上海也于 1998年5月起实行。我国在房屋建设中推广使用铜管道系统，势在必行。5.7.2房屋装修在欧洲采用钢板制作屋顶和漏檐已有传统。北欧国家中甚至用它作墙面装饰。铜耐大气腐蚀性能很好、经久耐用、可以回收，它有良好的加工性可以方便地制作成复杂的形状，而且它还有美观的色彩；因而很适合于用做房屋装修。它在教堂等古建筑物屋顶上的应用己有悠久历史，至今仍发出诱人的光彩；而且在现代大型建筑甚至公寓和住宅的建设上的应用也越来越多。例如：在伦敦，代表现代英国建筑艺术的英联邦委员会大厦，屋顶形状复杂，用钢板建造，重25吨；于 1966年开放的水晶宫运动中心，用钢 60吨做成波浪形的屋顶等等。据统计，用做屋顶的铜板，在德国平均每人每年消费0.8公斤，美国为0.2公斤。此外，屋内的装修，如：门把手、锁、百页、按栏、灯具、墙饰以及厨房次具等等，使用钢制品不但经久耐用，消毒卫生，而且装点出高雅的气息，深受人们喜爱。5.7.3 塑像和工艺品世界上没有那一种金属，能够像钢那样广泛应用于制造各种工艺品，从古至今，经久不衰。今天城市建设中，各种纪念物、铸钟、宝鼎、雕像、佛像、仿古制品等等，大量使用铸造铜合金。现代乐器，如长笛使用白钢制成，萨克斯管用的是黄铜材料。各种精美的艺术品，价廉物美的镀金以及仿金、仿银首饰也都需要使用各种成分的铜合金。1996年建成的香港天坛大佛，使用锡、锌、铅青铜铸造拼接而成，高26米，重206吨。1997年建成的浙江普陀山南海观音大佛，高20米，重 70吨，是世界上第一座使用仿金材料建成的巨型铜像。嗣后在无锡落成了高88米的青铜释迹牟尼佛像。更高的佛像正在我国的海南岛和九华山以及日本印度等地筹建中。5.7.4 钱币自从人类祖先使用钱币进行交易以来，就用铜和铜合金来制造钱币，历代相传，沿袭至今。随着现代自动投币电话、乘车和购物等利民活动的发展，造币用钢量有增无减。在铜币的应用中，除了变化尺寸以外，可以很方便地采用不同合金成分、改变合金色彩来制造和区分不同面值的货币。常用的有含2 5镍的银币，含 2 0锌和 1锡的黄铜币以及含少量锡（3%）和锌（l.5%）的铜币。全世界每年生产铜币要消耗成千上万吨的铜。仅伦敦皇家造币厂一家，每年生产7亿个铜币，约需金属七千吨。5.8高科技上的应用钢不但在传统工业中有广泛应用，而且在新兴产业以及高科技领域中也发挥着重要作用，举例如下：5.8.1 中计算机信息技术是高科技的前导。它依靠的是现代人类智慧的结晶 一 计算机 这个工具，对瞬息万变、浩如烟海的信息进行加工和处理。计算机的心脏由 微处理器（包含运算器和控制器）和存储器组成。这些基本部件（硬件）都 是大规模集成电路，在微小的芯片上分布着千万个相互连接的晶体管、电阻。 电容等元件，以进行快速的数值运算，逻辑运算和大量的信息储存。这些集 成电路的芯片要通过引线框架和印刷电路组装起来才能进行工作。从前面电 子工业中的应用一章中可以看到，铜和铜合金不但是引线框架、焊料和印 刷电路版中的重要材料；而且还能够在集成电路的微小元件互连中起重要作用。5.8.2 超导和低温一般材料（除半导体以外）的电阻随温度降低而减小，当温度降得很低时，某些材料的电阻会完全消失，这种现象称为超导性。出现超导性的这个最高温度称为该材料的超导临界温度。超导性的发现为电的利用打开了一个新大地。回为电阻为零，只要施加一个很小的电压就可以产生十分巨大（理论上是无限大）的电流，获得巨大的磁场和磁力；或者当电流通过它时，不发生电压的降低和电能的损耗。显然它的实际应用将会引起人类在生产和生活上的变革，很受人们的关注。但是对通常的金属来说，只有当温度降低到十分接近绝对零度（OK=一 273 C）时才出现超导性，在工程上很难实现。近年来已开发出一些超导合金，它们的临界温度比纯金属的高，例如，Nb3 Sn合金为18.1K。但是它们的应用一点也离不开铜。首先是这些合金要在超低温下工作，要通过气体的液化来获得低温，例如：液氦、液氢和液氮的液化温度分别为4K（一269）、20K（一253）和77K（一 196）。铜在这样低的温度下仍有良好的韧塑性，是低温工程中不可缺少的结构和管路输送材料。此外，Nb3 Sn、NbTi等超导合金很脆，难以加工成型材，需用钢做包套材料把它们结合起来。目前这些超导材料已用于制作强磁体，在医疗诊断的核磁共振仪以及某些矿山强力磁选机上得到了应用。正在筹划中的，时速超过500公里的磁浮列车，也要依靠这些超导材料磁体把列车悬浮起来，避免轮轨接触的阻力，而实现车厢的高速运行。最近发现了一些临界温度更高的材料，称为高温超导材料，它们大多是复合氧化物。较早发现和比较著名的一种是含铅的铜基氧化物（ YB2 Cu3 O7），临界温度为90K，可以在液氮温度下工作。目前还没有获得临界温度在室温附近的材料；而且这些材料难于做成大块物体，它们能通过可保持超导性的电流密度也不够高。因此，目前还未能在强电的场合下应用，有待进一步研究开发。5.8.3航天技术火箭、卫星和航天飞机中，除了微电子控制系统和仪器、仪表设备以外，许多关键性的部件也要用到铜和铜合金。例如：火箭发动机的燃烧室和推力室的内村，可以利用钢的优良导热性来进行冷却，以保持温度在允许的范围内。亚里安那5号火箭的燃烧室内村，用的是铜一银一结合金，在这个村简内加工出360个冷却通道，火箭发射时通入液态氢进行冷却。此外，铜合金也是卫星结构中承载构件用的标准材料。卫星上的太阳翼板通常是由铜与其它几个元素的合金制成的。5.8.4 高能物理揭示物质结构之谜是科学家孜孜以求的重大基础课题。对这个问题的认识每深入一步，都会给人类带来重大的影响。当前原子能的利用就是一个例子。近代物理的最新研究业已发现，物质的最小构成单元不是分子和原子而是比它小亿倍的夸克和轻子。现在对这些基本粒子的研究往往要在比原子弹爆炸时的核作用高数百倍的极高反应能下进行，称为高能物理。这样高的能量是通过带电粒子在强磁场内，经过长距离加速，向固定的靶轰击而获得（高能加速器），或者两个相反方向加速运动的粒子流互相对撞而获得（对撞机）。为此，需要用钢作绕组构筑出长距离的强磁场通道。此外，在受控热核反应装置中也要有类似的结构。为了降低由于通过大电流的发热温升，这些磁通道由中空的异型铜棒绕成，以便通入介质进行冷却。例如：著名的欧洲卢瑟福高能物理实验室中的质子同步加速器，它的水冷磁体由中空的铜管统成，共计使用约 300吨的铜挤压材。1984年我国建成的重粒子加速器，用去每根40米长、外矩内圆的管材共46吨。在此以后建成的正负电子对撞机中，应用这类铜管105吨。在我国研制的受控热核反应装置中，共有16个聚焦线圈。每个线圈用长度55米的铜条绕成。壳体用钢板焊接而成，其上焊有冷却水管。在该装置上共计用钢 50吨。5.9铜化合物的应用铜的化合物，主要有：硫酸铜（五水、一水和无水）、醋酸铜、氧化铜和氧化亚铜、氯化铜和氯化亚铜、氯氧化铜、硝酸铜、氰化铜、脂肪酸铜、环烷酸铜等，在农牧业、工业和医疗卫生等各个领域都有广泛应用。其中应用最广的是硫酸铜，通常是五水硫酸铜（CuSO45H2O），由于呈蓝色，俗称蓝矾。它往往也是生产其它许多盐类的原料。人类应用钢化合物的历史可以追溯到五千多年前，墓葬中发现古埃及人己使用硫酸铜做染色时的媒染剂（留色饰染剂），一直沿用至今。根据统计，目前世界上生产硫酸铜的厂子超过一百家，世界年消费量约2 0万吨，估计其中34用于农牧业，主要用作杀菌剂。5.9.1 在农牧业中的应用钢的化合物是消除病虫害的有效杀菌农药，可以控制所有霉菌或真菌引起的病害。除直接采用硫酸铜泡种子外，在果园和农田中经常使用的是一些铜盐混合液。最重要的有以法国著名葡萄产地命名的波尔多液（石灰硫酸铜液）和伯更狄液（苏打硫酸铜液），还有巴黎绿、菌杀特等。业已报导，用铜杀菌剂可以防治百余种作物中经常发生的3 00多种病害。这些作物包括：-葡萄、柑桔、香蕉、苹果、梨、桃等各种多年生的果木；咖啡、橡胶、棉花、甜菜等经济作物；小麦、大米、玉米、大麦、燕麦等谷物；豆类、西红柿、土豆和莴苣等。铜是保持农作物和畜禽健康成长必须的微量营养素。通常，当农田土壤中的有效铜含量低于2ppmm(1ppmm为百分之一)时，农作物就要因缺铜而减产，严重时甚至颗粒不收，或者当牧场土壤中有效铜含量低于5ppmm时,牲畜就要患缺铜症。目前由于集约性的高产作业，在大量使用有化肥中不含铜或含铜量很低，引起土地瘠化，使缺铜日益成为当前世界上日益 关注的问题。为了纠正和防止缺铜，要及时用钢盐补充。可以直接加入或者和富含氮和磷的肥料一起加入；可以用来改良土壤长期起作用，或者每年喷洒在作物的幼苗上。对于畜禽，除改善牧场外，可以将铜盐掺入饲料中或采用其它办法直接注入有缺铜症状的牲畜体内。 硫酸钢还是猪和鸡的助长剂，可以提高它们的食欲和增进食物的转化。在饲料中拌人0.1的硫酸铜，能够显著地促进猪和肉鸡的增重。铜离子有强烈的消毒灭菌作用，可以防止一些常见牲畜疾病的流行。例如：水中少量铜（不足lppm）就能够消灭水中繁殖的给输、螺和蜗牛等软体动物，这些软体动物是血吸虫的寄主，因而可以防止热带和温带动物中容易出现的肝血吸虫；此外，池塘、水田、水渠和河湖中令人讨厌的绿藻污染，可以加入铜盐来消除。 铜盐可以作为防霉保鲜剂，应用于谷物、水果和蔬菜的储藏。其中一个简便的办法，是用浸过铜盐的纸进行包装。5.9.2在工业上的应用铜化合物在工业上的应用很广，几乎每一行业都都要用到铜。硫酸铜是印染工艺中常用的媒染剂，以提高光泽的持久性和耐洗性，广泛应用于纺织和皮革业.铜的化合物有蓝、绿、红、黑等彩色，可以用做玻璃、陶瓷、水泥、搪瓷的着色剂。它们也是某些染发剂的组成。在烟火中加入硝酸铜发绿光，等等。添加钢化合物的油漆有抗海水生物污损的作用。铜的一些有机化合物是有效的防腐剂，用于纸浆、木材、木制品和帆布等织物的防腐。铜的某些化合物是橡胶、石油和人造纤维生产过程中的重要化学制剂，起催化、净化等作用。硫酸铜电解液，用于镀铜、生产电解铜箔和铜的提