导体材料及其重要性分析

ⓘ重要的导体材料有：

•铜。

•铜合金。

•铝。

•铝合金。

导体材料必须具有的重要特性是高的导电率γ。

铜和铝的导电率γ为：

铜：。

铝：。

图16-4 电动机的部件与材料

因此，在材料中要有数量极大的自由运动的载流子。在生产非铁金属及其合金时，把金属原子凝固成电离的晶体。被斥开的电子称为导电电子（表16-1），这种自由电子因为其数量多及在导体无规则的运动方向类似于气体质点，所以也称为“电子气体”。导电电子的迁移率b同样影响材料的导电率（表16-1）。

表16-1 重要导体材料的导电电子数量n、电子迁移率b与导电率γ

导电电子迁移率减少的过程，导电率也降低。对此的例子是在电流流过时导电电子频繁地撞击金属离子并且使导体的温度升高。如在炼制合金时随机夹杂进外表原子或受到掺杂（图16-5）或导体加工过程中的冷变形干扰了均匀的晶格结构，因而使导体导电率下降。为了消去内部的干扰和重新提高导电率，则应冷轧制的铜线材进行退火处理。

导体材料的导电率γ与材料的每平方厘米的导电电子数量、迁移率（表）、材料纯度、加工方法和导体温度有关。

图16-5 掺杂对纯铜导电率的影响

表16-2给出了对导体材料的重要要求。材料的使用目的决定了材料的选择与单独特性的重要性。如用于电缆的导体材料，则要求其导电率高、延展率好，但用作架空线的重要要求首先是抗拉强度高和耐腐蚀性能好。

表16-2 对导体材料的重要要求

16.1.2.1 铜（Cu）

纯度高达99.98%的铜是通过图16-6所示的电解法获得的。

这种金属称为阴极铜并有一个标准标志KE-Cu。通过再熔炼而形成在电工学中优先使用的电解铜，如具有γ≥57m/（Ω×mm²）的E-Cu57，其氧的成分为0.01～0.05%。铜在焊接或硬焊时，应使用无氧铜（SE-Cu）。

特性。铜是一种极好的导电体，排在银之后，具有最好的导热能力和导电能力，并在干燥空气中不被侵蚀（表16-3）。在潮湿的空气中形成一种保护铜不受进一步腐蚀的不透气的氯锈层（碳酸铜）。防硫影响是由天然橡胶对柔性导线进行绝缘处理，铜序镀锌保护。铜软，所以不易切削，但铜易无切削成型，如通过轧制或拉制（导线加工）。冷成型的导线脆。通过退火，金属变软。铜的化合物有毒。铜对水稳定。

应用。电解铜（E-Cu）在电工学中优先用于电线、汇流排、线圈线的导体材料和在印制电路中用于线路板线路。在电动机和发电机中，E-Cu用于整流子。另外，E-Cu还可用于接点材料和铜合金的主要成分。作为很好的导热体，铜也用于电烙铁头和作为半导体之器件散热材料。

16.1.2.2 铝（Al）

铝的导电率是铜的60%（表16-3）。

图16-6 铜的电解(www.xing528.com)

表16-3 导体材料说明

铝是由含氧化铝55%～65%的棕褐色矿石的铝土矿电解加工而成。生产1吨铝需要4吨铝土矿和15MWh电能。电解铝的纯度为99.5%～99.99%。

特性。铝是一种具有良好的导热性能的导电体。在空气中覆盖有能防止材料被进一步腐蚀的氧化层。在与如铜的重金属结合时，水使铝电化分解（接触腐蚀）。碱液能使铝溶解。铝比铜轻，而且软、可延伸，但强度低（表16-3）。在压力作用下材料“流动”，加热时压力可以减少（螺钉连接铝汇流排不牢固）。

应用。纯铝（EAl）可用作汇流排、电缆芯线、电缆护套以及架空线（多与铜相结合）。另外也可以制成箔材用作变压器的箔绕组和电容器的铝箔。铝还可以用作半导体元器件的散热体。在电气焊以及钎焊时，应使用一种特殊的焊剂以溶掉氧化膜。铝不适合与铜直接连接。用于普通导线的导体材料多数不使用铝。铝合金在电工学中将得到继续应用。

16.1.2.3 铜合金与铝合金

通过合金可以改变纯金属的性能。硬度和强度通过合金大多数都得以提高，但延展性降低了。合金后导电性降低，但熔点大多数都低于基质金属。合金的符号是由添加到合金中的基质金属的化学符号，大多数以其质量含量的百分数组成。合金的名称是按金属组成成分超过50%的元素名称来命名，如铜合金CuZn10，它是由90%铜和10%的锌组成的合金。铜合金和铝合金是重要的导体材料。

合金指的是多种金属的结合或金属和非金属的熔融体。

低合金铜材料（表16-4）。添加少量的铍（Be）、镉（Cd）、镁（Mn）、镍（Ni）、磷（P）、硅（Si）和碲（Te）能使强度和切削加工性能得到改善，而保留了高导电性和导热性，并且防腐蚀性得以进一步提高。合金元素的成分只占1%～2%。

表16-4 低合金铜材料

①缩写后面的数字表示百分数含量，如CuCa1表示Ca含量为1%，其余99%为铜。

铜锌合金（表16-5）的锌含量为5%～45%的合金也称为黄铜。铜锌合金有金黄色至黄红色颜色。黄铜的导电性比铜差很多，仅为10～30m/（Ω×mm²），抗拉强度为300～600N/mm²。

表16-5 铜锌合金

铜锡合金也称为青铜，锡含量为2%～13%，并添加了少量的铅、锌或镍，导电性能仅为10～25m/（Ω×mm²），强度从300N/mm²提高到超过1200N/mm²并与其应用目的相匹配，并且其耐腐蚀性能特别好。铜锡合金作为导体材料，如图16-7所示，首先用于扁插头和其他小部件。

ⓘ黄铜=铜+锌

青铜=铜+锡

铝合金。作为用于架空线导体材料由铝、镁和硅制成的合金是有意义的。这种合金也称为阿尔德里铝合金并有标准符号ENAW-6101B。与纯铝相比其抗拉强度高（最小300N/mm²），但其导电率低[30～33m/（Ω×mm²）]。

图16-7 由青铜（SuSn合金）制成的电子部件

复习题

1.举出影响导体材料导电率的因素。

2.为什么铜每立方分米有许多导电电子而其导电率没有银高？

3.举出有关ECu的几个特性。

4.铝作为导体材料与铜相比有何缺点？

5.如何理解合金？

6.通过合金其导电性有何变化？

7.举出黄铜的几个应用范例。