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铜包铝导体性能介绍

2019-07-09 01:55

分别对金属导体的导电机制、铜包铝的复合机理、铜包铝用作电缆主要材料的优点和目前的一些问题加以概述,最后对这些问题给出相应的几点看法。

1 金属的导电机理及铜包铝复合机理

1.1 金属导电机理

由能带理论知金属导体的能带结构中最高占有带仅部分充满,即除了满带和空带外还存在不满带。在费米能级附近的电子,在热或其他作用的激发下,产生定向运动而导电。因此,材料的导电性取决于能带的结构和电子的填充情况。对金属导电有贡献的仅仅是费米能级附近的电子,这些自由电子即为金属导体的载流子,也只有这些电子才能在电场的作用下进入较高的能级,从而实现金属导体的导电。金属载流子在外电场和温度梯度的驱动下会发生定向运动,但他们同时也受到杂质、缺陷和晶格振动的散射,两种因素相互竞争、最终达到平衡,从而形成稳态的输运现象,其中弛豫时间t大致就是系统恢复平衡所用的时间。所以说电子在费米能级处的能态密度和弛豫时间对金属电导有着紧密的影响。

电镀铜包铝

1.2 铜包铝复合机理

在单一的金属材料的结构中,各原子依靠较高强度的键合力连接在一起,因此冶金结合就是金属在这种稳固的原子间的键合力作用下连接在一起。铜包铝的复合机理就是在去除铜-铝接触面的氧化物层,再通过外界压力将这两种金属新产生的活性表面压合在一起而实现金属原子间的键和作用,得到的一种复合导体材料。

铜包铝线示意图.jpg

2  铜包铝用作电缆主要材料的优点

2.1 降低交流电阻

  2.1.1  交流电阻是电流载流量的主要依据,根据集肤效应的原理,单根导线的表面,其单位面积通过的电流比导线的圆心单位面积通过的电流要大,也就是说,大截面导体的圆心在相同导体相成的圆面积内,圆心比圆周通过的电流要小,所以把圆心导体与圆周导体用不同的金属组成是最合理、最经济的。

   2.1.2  影响交流电阻指标除直流电阻、集肤效应外,还有邻近效应,与相同直流电阻的铜导体相比,采用铜复合导体后,单根导体内,铝在圆心,铜在外缘;在绞合导体内,内层是铜包铝,外层是纯铜,而铝对集肤效应和邻近效应都没有铜敏感,同时铜复合导体会使导体总截面增加一部份,因此也增加了导体的表面积,改善了电缆的散热条件,增加了散热面积,而铝的导热系数与铜相近,在同等的材料成本条件下,交流电阻的指标要经济得多。

2.2 具有良好的耐腐蚀性

铝比铜易腐蚀,但由于铜包铝材料已经完全冶金化,铝完全被铜所覆,不会被水、空气接触,完全达到与铜一样的性能。铜包铝/铜复合导体还更用利于避免电缆在长期使用过程中由于腐蚀、碰伤或因紧压、锡焊接不好使导体与接线端子接触不良、发热引起铜层脱落和铜铝两种金属之间形成电势差,加速电化腐蚀,造成电缆端部烧毁的隐患。对于铝导体,特别是在沿海地区,大气中盐雾所含有的氯离子会凝聚在铝的表面,易在表面的杂质和缺陷周围引起局部腐蚀,形成孔洞、裂纹和微电池,加剧铝导体的腐蚀。

2.3 成本低重量轻

与相同技术指标的铜芯电缆相比,铜包铝导体电缆可节约成本40%以上,铜包铝/铜复合导体电缆可节约成本20%以上。铜包铝线的比重仅为纯铜线的37%-40%。在线径、重量相等的情况下,其长度是纯铜线的2.5倍。

2.4 良好的焊接性

铜包铝线由于其表面同心包覆了一层纯铜,因此具有跟纯铜线一样的可焊性,方便生产。

3  目前应用复合导体电缆中的一些问题

3.1 尚无相应的国家标准

早在上个世纪60年代欧美一些国家就在研究和应用铜包铝复合导体电缆,并制定了相应的标准,现已进入了实用阶段;而我国铜包铝或铜包铝/铜复合导体电缆的生产和应用还处于起步阶段,国家还没有制定相应的标准。各个厂家的产品还没有通过3C认证,当然,这些都是要经过一段时间应用积累后才能逐步形成。正是由于这个原因.造成目前选用复合导体电缆存在一些问题。

3.2 集肤效应和邻近效应

有的厂家资料介绍复合导体电缆充分利用了电流的集肤效应原理,导体表面通过的电流比中心要大,把电阻率低的铜包在电阻率高的铝的外表是一种最合理的导体结构,在这里显然是把集肤效应的作用夸大了,甚至易使人进入认识误区,以为铜包铝复合导体就是利用了电流的集肤效应。其实集肤效应还会使导体表面的发热加剧,这对载流导体来说是不利的。导体通过交流电流时应按下式计算其交流电阻:

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