铜和铝的性质及在包装中的应用

2013-09-25武汉大学动力机械学院龚雪婷

湖南包装 2013年2期

武汉大学动力机械学院龚雪婷

一、铜和铝的性能对比分析

铜和铝都有优良的导电性能，铜的导电能力仅位于银之后，铝的导电能力位于金之后，分别列于第二和第四位，铜的电导率为 58m/Ω·mm2，铝的电导率为 37.5m/Ω·mm2。因此相同截面积铝的导电能力只有铜的65%左右，以传导等量电流而论，铝的截面积大约是铜的1.6倍，然而铜的密度为8.92g/cm3，铝的密度仅为 2.7g/cm3，铝的密度只有铜的 30%，按重量计算，传导等量电流铝的用量还是节省了一半左右。

二、应用分析

1.供配电系统中的应用

（1）铜质材料在供配电系统中的应用

在供配电系统应用中，铜芯电缆比铝芯电缆有着更多的优势。

1）电压损失低：由于铜芯电缆的电阻率低，在同截面流过相同电流的情况下。铜芯电缆的电压降小。因此，同样的输电距离，能保证较高的电压质量；或者说，在允许的电压降条件下，铜芯电缆输电能达到较远的距离，即供电覆盖面积大，有利于网络的规划，减少供电点的设置数量。

2）发热温度低：在同样的电流下，同截面的铜芯电缆的发热量比铝心电缆小得多，使得运行更安全。

3）能耗低：由于铜的电阻率低，相比铝电缆而言，铜电缆的电能损耗低，这是显而易见的，这有利于提高发电利用率和保护环境。

表1 铜和铝的性质对比

4）施工方便：由于铜芯柔性好，允许的弯折半径小，所以拐弯方便，穿管容易；由于铜芯抗疲劳、反复折弯不易断裂，所以接线方便；又由于铜芯的机械强度高，能承受较大的机械拉力，给施工敷设带来很大便利，也为机械化施工创造了条件。

在建筑内进行暗设或预埋暗线时，常常采用的是铜芯导线，因为在更换暗线时，需要较高及较大的机械强度才能将预埋的线拉出，一旦线被拉断，整个暗线系统就将报废，失去意义。

因此，铜电缆在电缆供电中，特别是地下电缆供电领域，具有突出的优势。地下使用铜芯电缆供电具有事故率低、耐腐蚀、可靠性高、施工维护方便等特点。这正是国内目前在地下电缆供电中主要采用铜电缆的原因所在。从物理性质上来说，铜的氧化物仍旧具有导电能力，在铜线缆老化后仍然不影响用电安全，而这是铝所不具备的。

（2）铝质材料在供配电系统中的应用

在国内低压输配电系统中铝导体受材料、工艺、安装质量等方面的影响，容易出现过热、腐蚀、断路等问题。因此铝导体在低压配电中应用较少，大都使用铜导体。但高压输电一般采用钢芯铝绞线，因为铝的密度小，相等体积情况下，铝的质量比铁、铜小，铝导电性比铁好，而电流的传输具有一种“趋肤效应”的物理现象，就是沿着导线表面流动。因此铝导体在高压输电领域用量居首位，90%的6—110KV以上的电力线路使用钢芯铝绞线。

在国外，特别是在欧美等发达国家，由于铝材具有价格低廉，加工容易、重量轻、安装运输便利等特点，铝材是主要的母线导体原材料。在美国，30%的母线导体采用铝材，在欧洲，60%母线导体采用铝材。例如施耐德等一些国际知名电气设备制造商，均提供铝母线产品。由于铝质材料重量轻，铝母线在汽车制造，电子，航空等高技术领域，均已得到广泛的应用。

2.机电行业综合应用

目前，在机电安装领域，一种新型的电缆——铜包铝电缆研究和应用正在增长。铜包铝线缆是指以铝芯线代替铜成为线缆主体，外面包一定比例的铜层的电线电缆。它是利用电流的集肤效应，铜的高导电性，铜良好的耐腐蚀性，以及铝的重量轻，价格低的特点而生产的电缆。

铜包铝线的电阻率比纯铜线大，约为纯铜线的1.5倍，在阻值相同时，铜包铝线重量约为纯铜线的1/2。根据集肤效应计算，在5MHz以上高频时，与相同截面的铜导体相比，其电阻率相等。

因此，在选择应用时，在安全或其它要求高的，重要的，电压损失要求少的，强度要求高的情况下选择铜导体。而在要求重量轻，成本低，加工容易的情况下选择铝导体。在频率高于5MHz以上的情况下，可考虑选择铜包铝线缆。

3.包装中的应用

在各方面应用中，包装可以改变贸易和销售途径。铜、铝因综合性能好，无毒，与多数物品及工业品不会发生反应而生成有害化合物，因而是理想的包装材料。铜铝金属包装有防止生物的、化学的、物理的外来因素的损害，它也可以有保持物品本身稳定质量的功能。铜和铝都有优良的热传导性能，但由于铝储量丰富且铝价低，密封性能好，能有效地防止水蒸汽、气体和芳香物质的扩散，因此现在越来越多的情况下使用铝代替铜制作包装材料。铝箔是一种万能的包装材料，不管是素材还是有涂层与衬有其它材料的复合箔，在食品与饮料等包装方面用量最大，不同国家与地区由于经济发展不同，生活方式的差异，铝包装材料的应用比例有所不同。在杯形包装薄盖方面，铝塑复合材料的应用满足了用户随身携带和容易开启的需求。

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4.铜、铝合金材料的应用分析

铜和铝形成合金的能力都很强，能形成多种性能的合金。

其中以锌为主要合金元素的铜合金称为黄铜。黄铜中锌的含量越高，其强度也较高，塑性稍低。在黄铜中加1%的锡能显著改善黄铜的抗海水和海洋大气腐蚀的能力，因此称为“海军黄铜”。锡能改善黄铜的切削加工性能。

铅黄铜即我们通常所说的易削国标铜，加铅的主要目的是改善切削加工性和提高耐磨性，铅对黄铜的强度影响不大。雕刻铜也是铅黄铜的一种。多数黄铜具有良好色泽、加工性、延展性，易于电镀或涂装。

铜与锡的合金叫青铜，因色青而得名。青铜一般具有较好的耐腐蚀性、耐磨性、铸造性和优良的机械性能。可用于制造精密轴承、高压轴承、船舶上抗海水腐蚀的机械零件。

如果在铝中加入适量的其他元素配制成铝合金，如硬铝、超硬铝、防锈铝、铸铝等，具有强度高、塑性好、比强度大、重量轻等特性，可与优质合金钢媲美，成为优秀的轻型结构材料，有“会飞的金属”之称，飞机结构中铝材占50%以上。机动车以铝合金代替部分钢材制作构件，可使其重量减轻20%-75%，燃料消耗减少8%，机械部件寿命延长15%。铝合金在车辆船舶建造业用铝发展很快。铝合金在建筑工业中也得到广泛应用，经常用作房屋的门窗及结构材料。

铜合金与铝合金相比较有以下特点：

2）铜合金密度大、熔点高；铝合金密度小、熔点低。

3）铜合金具有小的摩擦系数，线膨胀系数也较小，而耐磨性、疲劳极限和导热性都很高；铝合金也具有高导热性，但耐磨性较差。

4）铜合金在大气中的化学稳定性较好，铝合金较易氧化，因此铝合金使用时经常作表面阳极氧化处理。

5）铜资源相对较少，铜合金价格较高；铝资源相对丰富，因此铝合金价格较低。

因此在应用时，要求在铜和铝之间作选择，那么要求强度较高、熔点高、耐磨性好、化学稳定性好，选用铜合金；要求重量轻，价格低时选用铝合金。

虽然铜的很多性能都高于铝，但由于铝重量轻，铝资源储量丰富，价格较低，因此随着科学技术的进步，铝及铝合金的使用越来越广泛。