銅和鋁的性質及在包裝中的應用

武漢大學動力機械學院 龔雪婷

一、銅和鋁的性能對比分析

銅和鋁都有優良的導電性能，銅的導電能力僅位于銀之后，鋁的導電能力位于金之后，分別列于第二和第四位，銅的電導率為 58m/Ω·mm2，鋁的電導率為 37.5m/Ω·mm2。因此相同截面積鋁的導電能力只有銅的65%左右，以傳導等量電流而論，鋁的截面積大約是銅的1.6倍，然而銅的密度為8.92g/cm3，鋁的密度僅為 2.7g/cm3，鋁的密度只有銅的 30%，按重量計算，傳導等量電流鋁的用量還是節省了一半左右。

二、應用分析

1.供配電系統中的應用

（1）銅質材料在供配電系統中的應用

在供配電系統應用中，銅芯電纜比鋁芯電纜有著更多的優勢。

1）電壓損失低：由于銅芯電纜的電阻率低，在同截面流過相同電流的情況下。銅芯電纜的電壓降小。因此，同樣的輸電距離，能保證較高的電壓質量；或者說，在允許的電壓降條件下，銅芯電纜輸電能達到較遠的距離，即供電覆蓋面積大，有利于網絡的規劃，減少供電點的設置數量。

2）發熱溫度低：在同樣的電流下，同截面的銅芯電纜的發熱量比鋁心電纜小得多，使得運行更安全。

3）能耗低：由于銅的電阻率低，相比鋁電纜而言，銅電纜的電能損耗低，這是顯而易見的，這有利于提高發電利用率和保護環境。

表1 銅和鋁的性質對比

4）施工方便：由于銅芯柔性好，允許的彎折半徑小，所以拐彎方便，穿管容易；由于銅芯抗疲勞、反復折彎不易斷裂，所以接線方便；又由于銅芯的機械強度高，能承受較大的機械拉力，給施工敷設帶來很大便利，也為機械化施工創造了條件。

在建筑內進行暗設或預埋暗線時，常常采用的是銅芯導線，因為在更換暗線時，需要較高及較大的機械強度才能將預埋的線拉出，一旦線被拉斷，整個暗線系統就將報廢，失去意義。

因此，銅電纜在電纜供電中，特別是地下電纜供電領域，具有突出的優勢。地下使用銅芯電纜供電具有事故率低、耐腐蝕、可靠性高、施工維護方便等特點。這正是國內目前在地下電纜供電中主要采用銅電纜的原因所在。從物理性質上來說，銅的氧化物仍舊具有導電能力，在銅線纜老化后仍然不影響用電安全，而這是鋁所不具備的。

（2）鋁質材料在供配電系統中的應用

在國內低壓輸配電系統中鋁導體受材料、工藝、安裝質量等方面的影響，容易出現過熱、腐蝕、斷路等問題。因此鋁導體在低壓配電中應用較少，大都使用銅導體。但高壓輸電一般采用鋼芯鋁絞線，因為鋁的密度小，相等體積情況下，鋁的質量比鐵、銅小，鋁導電性比鐵好，而電流的傳輸具有一種“趨膚效應”的物理現象，就是沿著導線表面流動。因此鋁導體在高壓輸電領域用量居首位，90%的6—110KV以上的電力線路使用鋼芯鋁絞線。

在國外，特別是在歐美等發達國家，由于鋁材具有價格低廉，加工容易、重量輕、安裝運輸便利等特點，鋁材是主要的母線導體原材料。在美國，30%的母線導體采用鋁材，在歐洲，60%母線導體采用鋁材。例如施耐德等一些國際知名電氣設備制造商，均提供鋁母線產品。由于鋁質材料重量輕，鋁母線在汽車制造，電子，航空等高技術領域，均已得到廣泛的應用。

2.機電行業綜合應用

目前，在機電安裝領域，一種新型的電纜——銅包鋁電纜研究和應用正在增長。銅包鋁線纜是指以鋁芯線代替銅成為線纜主體，外面包一定比例的銅層的電線電纜。它是利用電流的集膚效應，銅的高導電性，銅良好的耐腐蝕性，以及鋁的重量輕，價格低的特點而生產的電纜。

銅包鋁線的電阻率比純銅線大，約為純銅線的1.5倍，在阻值相同時，銅包鋁線重量約為純銅線的1/2。根據集膚效應計算，在5MHz以上高頻時，與相同截面的銅導體相比，其電阻率相等。

因此，在選擇應用時，在安全或其它要求高的，重要的，電壓損失要求少的，強度要求高的情況下選擇銅導體。而在要求重量輕，成本低，加工容易的情況下選擇鋁導體。在頻率高于5MHz以上的情況下，可考慮選擇銅包鋁線纜。

3.包裝中的應用

在各方面應用中，包裝可以改變貿易和銷售途徑。銅、鋁因綜合性能好，無毒，與多數物品及工業品不會發生反應而生成有害化合物，因而是理想的包裝材料。銅鋁金屬包裝有防止生物的、化學的、物理的外來因素的損害，它也可以有保持物品本身穩定質量的功能。銅和鋁都有優良的熱傳導性能，但由于鋁儲量豐富且鋁價低，密封性能好，能有效地防止水蒸汽、氣體和芳香物質的擴散，因此現在越來越多的情況下使用鋁代替銅制作包裝材料。鋁箔是一種萬能的包裝材料，不管是素材還是有涂層與襯有其它材料的復合箔，在食品與飲料等包裝方面用量最大，不同國家與地區由于經濟發展不同，生活方式的差異，鋁包裝材料的應用比例有所不同。在杯形包裝薄蓋方面，鋁塑復合材料的應用滿足了用戶隨身攜帶和容易開啟的需求。

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4.銅、鋁合金材料的應用分析

銅和鋁形成合金的能力都很強，能形成多種性能的合金。

其中以鋅為主要合金元素的銅合金稱為黃銅。黃銅中鋅的含量越高，其強度也較高，塑性稍低。在黃銅中加1%的錫能顯著改善黃銅的抗海水和海洋大氣腐蝕的能力，因此稱為“海軍黃銅”。錫能改善黃銅的切削加工性能。

鉛黃銅即我們通常所說的易削國標銅，加鉛的主要目的是改善切削加工性和提高耐磨性，鉛對黃銅的強度影響不大。雕刻銅也是鉛黃銅的一種。多數黃銅具有良好色澤、加工性、延展性，易于電鍍或涂裝。

銅與錫的合金叫青銅，因色青而得名。青銅一般具有較好的耐腐蝕性、耐磨性、鑄造性和優良的機械性能。可用于制造精密軸承、高壓軸承、船舶上抗海水腐蝕的機械零件。

如果在鋁中加入適量的其他元素配制成鋁合金，如硬鋁、超硬鋁、防銹鋁、鑄鋁等，具有強度高、塑性好、比強度大、重量輕等特性，可與優質合金鋼媲美，成為優秀的輕型結構材料，有“會飛的金屬”之稱，飛機結構中鋁材占50%以上。機動車以鋁合金代替部分鋼材制作構件，可使其重量減輕20%-75%，燃料消耗減少8%，機械部件壽命延長15%。鋁合金在車輛船舶建造業用鋁發展很快。鋁合金在建筑工業中也得到廣泛應用，經常用作房屋的門窗及結構材料。

銅合金與鋁合金相比較有以下特點：

2）銅合金密度大、熔點高；鋁合金密度小、熔點低。

3）銅合金具有小的摩擦系數，線膨脹系數也較小，而耐磨性、疲勞極限和導熱性都很高；鋁合金也具有高導熱性，但耐磨性較差。

4）銅合金在大氣中的化學穩定性較好，鋁合金較易氧化，因此鋁合金使用時經常作表面陽極氧化處理。

5）銅資源相對較少，銅合金價格較高；鋁資源相對豐富，因此鋁合金價格較低。

因此在應用時，要求在銅和鋁之間作選擇，那么要求強度較高、熔點高、耐磨性好、化學穩定性好，選用銅合金；要求重量輕，價格低時選用鋁合金。

雖然銅的很多性能都高于鋁，但由于鋁重量輕，鋁資源儲量豐富，價格較低，因此隨著科學技術的進步，鋁及鋁合金的使用越來越廣泛。

三、結論

1.在低壓配電系統和在建筑內進行暗線敷設時，一般采用銅質材料較為合適，但高壓輸電領域可使用鋼芯鋁絞線。

2.在高頻領域采用銅包鋁材料不會影響使用性能，同時可獲得較好的經濟效益。

3.在散熱材料領域，以鋁代替銅越來越普遍，可獲得較好的經濟效益。

4.在銅或鋁中加入適量的其他元素配制成合金，可大大改變和提高銅或鋁的各種性能，廣泛應用密軸承、高壓軸承、船舶上抗海水腐蝕的機械零件和航空領域。