銅鋁層狀金屬的研發與應用

李華清，尚鄭平

（1.江蘇亨通精密銅業有限公司，江蘇 蘇州 215026；2.江蘇中色復合材料研究院，江蘇 無錫 214183）

銅鋁均為良導體，經過合金化分別具有優異的力學性能，是導熱、導電、輕量化領域的重要材料。鋁的密度小于銅的密度，是重要的輕量化材料。在現代的新能源電池中，正、負極的集流體分別是鋁箔和銅箔，除了相對穩定的化學性質之外，重點應用了兩者的傳導性能。

銅和鋁存在電極電勢差，二者物理搭接后，在潮濕環境下形成源電池，接觸面發生電化學腐蝕，因此，銅、鋁這兩種重要的導電材料之間的連接與防腐蝕問題，需要妥善解決。

銅鋁復合材料的導電、導熱性能介于銅、鋁之間，導電率隨銅的體積比升高而升高，采用電橋測量發現，夾具刃口夾在單金屬面與復合界面兩種裝卡狀態下，電阻數據分散值≤0.6%，檢測數據表明，銅鋁層狀復合金屬板（clad metal sheet，CMS）材料的體積電阻與各金屬體積成正比，表示為：

式中：RCMS為銅鋁CMS 材料的電阻值；RCu為銅的電阻；RAl為鋁的電阻；VCu為銅的體積（或截面層厚）；VAl為鋁的體積（或截面層厚）。

銅鋁CMS 材料的密度，隨鋁的體積比增加而降低，密度值可以使用式(2)計算、驗證。由于現場測量厚度需要鋸切、制樣、顯微鏡測量，周期較長。為了快速判斷銅鋁CMS 材料的層厚，可以采用密度法，測量銅鋁CMS 樣品的比重，快速測算雙金屬CMS 材料的層厚比例。

式中：ρCMS：銅鋁CMS 材料的密度；ρCu為Cu 的密度；ρAl為Al 的密度；VCu為Cu 的體積（或截面層厚比例）；VAl為Al 的體積（或截面層厚比例）。

銅鋁CMS 材料，按照體積比區分，體積比（斷面面積比例或者厚度方向的層厚比例）大于50%的，稱為基體材料，小于50%的稱為覆層材料。

銅鋁CMS 材料的生產主要分為固-固復合法和固-液復合法。固-固復合法主要包括爆炸復合法、包覆焊接法、軋制法等，固-固復合法存在工藝復雜、生產成本高、材料復合強度低、產品質量穩定性有待提高等問題。固-液復合法包括鑄造法、連續鑄軋法、熱浸鍍法等，固-液復合法受鋁合金種類限制，生產品種少，目前可以生產1 系、3 系、8 系鋁合金的銅鋁CMS 產品；尚不能生產2 系、4 系、5 系、6 系、7 系等鋁合金牌號，且銅層厚度受到限制，目前的銅鋁CMS 產品，銅層體積分數為1.5%～75%[1-3]。

合理利用兩種加工技術的優勢，逐步覆蓋新基建各領域對該材料的需求，才能發揮銅鋁雙金屬材料的優異性能。為此，需要科研單位與生產企業聯合攻關，提高產品質量與供應能力，并加大推廣力度。

目前在通訊、新能源發電、儲能、電力、電子、照明、建筑裝飾、散熱等工業領域的應用逐漸推廣開來，下面分類概括性介紹。

1 通訊基站濾波器組件

進入2019 年，中國移動、中國聯通、中國電信相繼進行了持續的5G 試驗。三大運營商分別在各自選定的試點城市建設1 000、600、1 000 個5G 基站。已公布5G 商用計劃的全球移動運營商中，其中40%在2018 年和2019 年商用（中東地區最早），其他60%在2020 年后商用。中國預商用和商用基站規模將位居全球前列。

為了減重與降低成本，4G 基站與部分5G 基站的金屬濾波器殼體蓋板需要選用鋁合金，或者經過金屬鍍層的工程塑料。鍍層材料需要選用電磁波良導體的金屬層，比如單獨的銅層[4-5]，或者銅層上再電鍍銀層，或者銅層上再電鍍錫層。為了在鋁合金表面鍍銅，通常還需要預處理。

金屬腔體濾波器常用蓋板材料為鋁合金、碳鋼、電鍍銅或純銅板材。碳鋼蓋板的缺點是與鋁合金腔體的焊接接頭脆，焊接強度差，因成品率差，通常不予選擇；電鍍銅或者純銅板材成本較高，不利于與腔體的連接。采用銅鋁CMS 材料用作蓋板，充分利用銅的優良導電性與鋁的易焊接、成本低等特點，可使蓋板與腔體具有良好的焊接強度，增強蓋板的自身強度，節約成本。使用銅鋁CMS 材料作為蓋板材料，與純鋁蓋板相比，加工后只需除油做表面抗氧化保護即可使用，省去了傳統純鋁蓋板加工完成后還需要進行除油、電鍍等處理工藝，可節省10%～50%的成本。銅鋁CMS 材料經后續折彎、鉆孔、沖孔、攻絲等加工過程中，不易出現開裂脫離等現象，蓋板材料上的連接孔的表面粗糙度和尺寸精度可得到有效保證。銅層厚度為5～100 μm，銅層致密、均勻，一致性高，耗銅量合理可控，降低了生產成本和使用成本。采用銅鋁CMS 材料的濾波器蓋板材料[6]逐步量產。5G 通訊的濾波器蓋板使用的銅鋁復合材料，對銅表面質量及厚度具有特殊要求，單一的軋制復合法無法滿足要求，需要開發專門的復合工藝。表1 為射頻器用銅鋁CMS 材料規格，表2 為射頻器用銅鋁CMS 材料性能指標。

表1 射頻器用銅鋁CMS 材料規格Tab.1 Specification of Cu-Al CMS material for RF device

表2 射頻器用銅鋁CMS 材料性能指標Tab.2 Performance indexes of Cu-Al CMS materials for RF devices

產品尺寸公差集中在厚度和平直度上。產品厚度允許偏差：（1.5/2.0±0.07）mm，（2.5/3.0±0.1）mm；平直度要求≤5 mm（1 000 mm）。

銅鋁CMS 材料從2018 年開始被市場接受，已經應用在國內及部分國際市場，目前有國內某著名品牌已經開始批量試用，國外某著名品牌在國內的代工廠也在大力推進。

目前，量產的銅鋁CMS 材料產品，鋁基層采用5xxx 系合金，典型牌號為5052 合金；為了提高基材的硬度，6xxx 系合金的雙金屬CMS 材料也已經投入開發，典型的鋁基材料為6063 合金。圖1 為銅鋁CMS 材料產品。

圖1 銅鋁CMS 材料產品Fig.1 Cu-Al CMS products

目前6G 產品的射頻器金屬殼體也在對接銅鋁CMS 材料產品的應用參數，在服務于通訊裝備的巨大市場中，銅鋁雙金屬CMS 材料的應用前景廣闊。

2 光伏組件

光伏發電是新能源發電的重要組成部分，已經進入大規模的商業應用階段。獨立光伏發電系統主要由太陽能電池組件、控制器、蓄電池、交流逆變器幾部分組成。其中電池組件的匯流體為銅箔，光伏焊帶為鍍錫銅帶，鑒于性能與性價比的因素，這兩款材料已經部分使用銅鋁箔和雙面銅鋁復合帶材進行置換。蓄電池（歸類入儲能電站），涉及到正負極載流體的搭接，都需要使用銅鋁復合的轉接材料。該材料在電池組件部分介紹。

表3 為光伏用銅鋁箔的主要規格指標，該材料的加工要求極高，成材率偏低。但是由于優異的綜合性能，在光伏行業的推廣意義巨大。光伏銅鋁箔的密度為銅箔的38.2%，減重效果明顯。復合箔的硬度、撓度以及表面粗糙度，均可以在較大范圍內進行調整，因此，有利于下游的應用。

表3 光伏用銅鋁箔的主要規格指標Tab.3 Main specifications of Cu-Al foil for photovoltaic

目前的光伏銅鋁箔材料主要尺寸為0.055 mm×1 000 mm，后續的開發目標是0.035 mm×1 100 mm。由于坯料及軋制裝備能力的限制，成品幅寬1 050 mm 已達極限狀態。已經量產的55 μm產品，厚度減薄10 μm 意味著單位面積成本降低18.2%，待35 μm 產品上線后，成本降幅將超過36%，因此，供需雙方均有強勁的開發動力。

國內光伏發電組件大量使用光伏焊帶，該材料為純銅帶分條后涂（鍍）鉛錫制成。雙面覆銅的銅鋁CMS 材料，銅層厚度10%，密度為3.38 g/cm3，與鍍錫銅帶相比，相同質量下，產品的比長度增加了163%。降本效果明顯。伴隨著光伏發電行業的大力發展，雙面覆銅的銅-鋁-銅CMS 材料作為光伏焊帶基材，具有廣泛的推廣意義。圖2 為銅-鋁-銅CMS材料帶卷。

圖2 銅-鋁-銅CMS 材料帶卷Fig.2 Cu-Al-Cu CMS material coil

3 儲能單元（鋰離子電池）

本文將二次電池（以車載動力電池為主，不包含氫燃料電池）和儲能電站兩類產品歸入儲能單元。銅鋁復合鋰電池電極材料、電動汽車正負極部件是銅鋁CMS 材料的重點關注領域。

鋰離子電池的正負極，是將正負極材料分別涂覆在作為集流體的鋁箔和銅箔上，形成鋰電池的正負極[7]。集流體材料要求有盡量高的電導率，使用過程安全、穩定，不能與儲能單元的正負極材料發生化學反應，從而影響導電性能和安全性能。

按照導電率排序，銀、銅、金、鋁分列金屬材料的前四位。表4 為本文關注的幾種金屬材料的電導率。

表4 幾種金屬材料的電導率數值Tab.4 Conductivity values of several metal materials

考慮價格因素和導電性能，銅鋁是最佳的集流體材料。因為二次電池的正極電勢高，銅箔在高電勢下易氧化，而鋁的氧化電勢高，作為正極材料的載體更穩定。

負極的電勢低，鋁箔與負極材料之間，容易形成枝晶；而銅的穩定性更優，因此，負極集流體，選用銅箔。

基于降本，以及開發多種正負極材料的需要，對正負極集流體材料的研究與探索持續不斷。采用合金材料、復合材料的嘗試層出不窮。但是到目前為止，工業化的正負極集流體材料，依然是分別采用鋁箔和銅箔。由于集流體材料需要優良的導電性、塑性、強度，以及耐蝕穩定性的要求，針對集流體材料開展的銅、鋁箔加工與后處理技術研究主要集中在減薄、力學性能、表面鈍化、氧化膜厚控、表面粗糙度控制等方面。

二次電池的正負極集流體分別為鋁箔和銅箔，電池模組中串聯升壓時，涉及到銅、鋁之間的連接。銅、鋁材料之間的連接和防腐成為涉及效率與安全的關鍵環節。使用銅鋁CMS 材料作為過渡連接的轉換部件，將異質材料之間的連接轉換為同質金屬之間的連接。可以方便地使用激光焊、電阻焊等連接方式。從而避免了銅、鋁異質材料連接出現的問題。

車載二次電池以及儲能電站轉換部件采用的銅鋁CMS 材料，其主要規格為3.2～3.9 mm、7.4～10.6 mm，銅層比例為25%～46%。其中3.5、3.8、3.9 mm 均為批量導入產品，7.4 mm 已經進入量產階段，10.0 mm 為儲能電站儲備產品，已經通過形式試驗，屬于量產前期產品。

上述材料的應用場景分別為車載二次電池、電動汽車正負極轉換部件和儲能電站正負極連接件，市場需求巨大，增長幅度大，具有較長的生命周期。圖3 為極柱用及正負極一體件用銅鋁CMS 材料。圖4 為銅鋁CMS 材料制品。

圖3 極柱用及正負極一體件用銅鋁CMS 材料Fig.3 Cu-Al CMS materials for pole and positive and negative pole integrated parts

圖4 銅鋁CMS 材料制品Fig.4 Cu-Al CMS material products

鑒于巨大的市場需求，該材料的開發投入巨大，先期采用焊接技術，包括激光焊、超聲焊、摩擦焊，目前進入批量采用銅鋁CMS 材料的階段。隨著工藝技術的進步，銅鋁CMS 材料制備技術，先后經歷了軋制復合、溫軋復合、固液雙向復合工藝。目前3.9 mm 以下產品，可以采用軋制擴散工藝、溫軋復合工藝和固液雙向復合工藝生產，厚度3.9 mm 以上產品序列，需要采用固液雙相復合技術生產。

作為二次電池的正負極轉換部件和電動汽車的正負極一體件材料，剝離強度和復合率是銅鋁CMS 材料產品的重要參數。作為新材料，二次電池的剝離強度指標參照GB/T32468—2015 銅鋁復合板帶標準[8]的規定，要求不低于12 N/mm，實際使用過程，剝離強度要求均高于該標準，電池組件與總成企業使用內部驗收標準。由于測試設備的限制，3.5 mm 以上厚度的銅鋁CMS 材料剝離強度通常作為參考數據，或者提供定性檢測結果。銅鋁CMS 坯料抗拉強度要求：90～260 MPa，復合部位≥50 MPa，因此，界面剪切強度成為強制檢測的重要內容。圖5 為銅鋁 CMS 材料剪切強度測試樣品示意圖。

圖5 銅鋁CMS 材料剪切強度測試樣品示意圖Fig.5 Schematic diagram of Cu-Al CMS material shear strength test sample

前面所述的基板材料，銅層比例＜3%，電池極柱材料的銅層比例范圍25%～65%，正負極一體件某些部件的銅層比例達到75%，上下限均大幅超出GB/T32468—2015 標準的銅層比例范圍。界面結合強度的量化參數，也需要出具簡便的行業標準。

厚度已經達到0.055 mm，并有繼續減薄的需求，導電材料的CMS 厚度上限達到16 mm，上下限超出國標的上下限。

隨著該類材料的推廣應用，銅鋁CMS 材料的復合形式，出現了多種組合方式和尺寸公差要求。

4 電力

高壓輸送電多用鋼芯鋁線或者鋁合金線，而低壓端通常為銅質母線或導線，由于銅鋁金屬物理搭接造成的腐蝕問題，需要使用銅鋁過渡排。傳統的銅鋁過渡排，使用閃光焊或者摩擦焊工藝，以保障銅鋁線纜或母線之間安全、便捷的連接。

銅鋁CMS 材料出現后，在電力電氣行業迅速得到推廣應用。機電設備中的銅鋁連接，同樣遇到腐蝕以及發熱問題。利用銅鋁復合材料制作母線槽、連接組件，解決了銅鋁搭建引起的電化學腐蝕問題，減少了發熱，增強了安全性。圖6 為過渡排產品示意圖。表5 為銅鋁過渡排部分產品規格。表6為銅鋁過渡排產品主要力學性能指標。

表5 銅鋁過渡排部分產品規格Tab.5 Some product specifications of Cu-Al transition row

表6 銅鋁過渡排產品主要力學性能指標Tab.6 Main mechanical performance indexes of Cu-Al transition bar

圖6 過渡排產品示意圖Fig.6 Schematic diagram of transition row products

根據GB/T32468—2015 標準的要求，銅鋁過渡排基層和復層的剝離強度要大于12 N/mm，在-40～150 ℃冷熱沖擊下，銅鋁不分層。過渡排產品生產過程需要鈑金折彎，因此折彎性能是過渡排坯料需要重點關注的性能。經90°折彎后，折彎部分圓弧雙側均無目測可見的裂紋為合格產品。彎曲試驗直徑選擇規范如表7 所示。

表7 銅鋁過渡排彎曲直徑選擇表Tab.7 Bending diameter selection table of Cu-Al transition bar

5 照明與燈飾

LED 光源自20 世紀60 年代進入工業化應用至今，應用范圍不斷拓展。與傳統的照明產品相比，LED 照明具有節能、發光效率高、發熱量小、壽命長、安全可靠、輕便宜安裝、無頻閃（有利于視覺健康）、環保等諸多優點。LED 照明與傳統燈具共同構成了一個龐大的市場。

LED 應用廣泛，主要應用在以下環境：指示燈類、LED 背光類、顯示屏、手持產品、閃光類、車輛燈具、通用照明、景觀照明、節日燈飾、特殊照明、綠色農業、生態養殖、醫療及公共場館消殺等。

鑒于LED 的廣泛應用與海量市場容量，與LED 配套的導體材料市場需求旺盛。由于LED 光源屬于低壓微電子產品，與網絡技術和圖像技術相結合，具有可在線編程、方便升級、體積小、重量輕、靈活多變諸多優點[9]。發光效果具有無限升級空間，極大地拓展了LED 光源的應用場景。

LED 電源線與信號線集成度要求高，為了滿足節日燈飾簡潔、高效、快速更新的要求，節日燈飾產品需求量激增，已經成長為照明行業中一個獨立的細分行業。

銅鋁復合線路板、框架材料、銅鋁復合箔，在LED 領域的應用需求正在逐步釋放。

銅鋁復合線、銅鋁屏蔽箔的需求量巨大。燈帶與封裝框架材料市場，傳統的C19400 銅帶市場，已經由銅鋼銅復合帶部分取代。

6 建筑裝飾

建筑裝飾行業大量使用CMS 材料，傳統的CMS 材料采用膠黏、鈑金加工技術生產，隨著軋制復合工藝的出現，應用于建筑裝飾行業的多金屬CMS 材料應用，迎來了新的機遇。

銅鋁雙金屬粘貼工藝流程為：膠膜復合、熱壓預復合、熱壓復合、風冷定型、機械平整、檢驗、卷曲、分切、成品。

雙金屬復合板除了用作幕墻材料以外，還可以用于金屬屋頂、天溝、天花板、百葉窗、墻面、門板、門套、腰線、踢腳線、電梯門、轎廂、櫥柜裝飾、臺面、自動扶梯、食品工廠與醫療衛生行業的裝飾用板等，雙金屬版可以進行拉絲、著色、壓花處理，應用范圍極其廣泛。

裝飾用銅鋁復合板、鈦鋁復合板，密度降低，比表面積增加，單重下降后，便于安裝固定。銅鋁CMS 材料界面為銅鋁金屬間化合物，形成了穩定的冶金結合層，界面結合強度提高，裝飾板壽命延長，有利于幕墻的整體維護，防火等級也隨之提高。

裝飾板銅鋁 CMS 材料的規格及主要性能見表8 和表9。雙金屬復合板的主要特點總結如下：強度高、表面平整度好、密度小、加工性能好、防火性能優越、節能環保、性價比高。

表8 銅鋁CMS 材料裝飾板規格參數Tab.8 Specifications and parameters of Cu-Al CMS material decorative plate

表9 裝飾板銅鋁CMS 材料主要性能參數Tab.9 Main performance parameters of decorative plate Cu-Al CMS material

建筑裝飾用銅鋁CMS 材料的需求，從大型商業建筑到民用建筑均有應用，并逐步得到普及。根據客戶的需求，鋁基材料可以使用1 系和8 系鋁合金。如果為了增加背板的強度和硬度，也可以提供3 系、5 系鋁合金材料。

7 結論

銅鋁CMS 材料在應用與推廣方面，逐步得到市場的認可，根據應用端的反饋，加工技術與產品規格得到提升和拓展。CMS 材料已經由銅鋁雙金屬拓展到銅、鋁、碳鋼、不銹鋼、鈦、鎳等六類金屬，復合形式從雙層雙金屬，拓展為多層多金屬。

CMS 材料加工技術，將材料的物理性能、化學能能與力學性能選擇性的保留、集成，是合金化復合材料的補充和升級。是一個需要眾多企業攜手發展的廣闊市場。

上述涉及領域的頭部企業已經給予肯定并展開了產業化應用。隨著產業規模的擴展，產學研力量將集中在工藝優化、機制研究與性能拓展方面。CMS 材料的市場前景廣闊，國內的生產工藝與產品應用，在通訊基站器件、電池組件、電動汽車部件、光伏組件、LED、建筑裝飾、電力、電子等領域均走在世界前列。期待著優秀技術力量廣泛深入的全面介入，支持該領域的快速發展。