摘要：本文針對我國電工電子、新一代移動通信、新能源汽車、航空航天、軌道交通等新興產業和重大工程領域對先進銅合金材料的典型需求，梳理了國內外高強高導銅合金、耐磨耐蝕銅合金、超高強彈性銅合金、先進銅基復合材料、高精度銅及銅合金細微絲、超薄箔材的發展現狀和差距。在此基礎上分析了上述先進銅合金的典型市場需求，論證了我國先進銅合金材料的中長期發展目標和關鍵技術。研究還提出了促進“產學研用管”的統籌規劃和一體化發展，提升裝備開發、技術研發和市場拓展能力，強化產品標準研究與制定，建立青年科技骨干人才培養體系的產業發展建議。期望以國民經濟重點領域和國防建設需求為導向，通過銅合金材料、裝備、技術、產業化等自主創新體系的完善，促進我國先進銅合金材料綠色、高端、智能發展。

關鍵詞：銅合金；高強度；高精度；功能應用

一、前言

《國家中長期科學和技術發展規劃綱要》《新材料產業發展指南》等政策文件明確提出，新一代信息技術、先進軌道交通裝備、航空航天裝備、節能與新能源汽車等產業是我國重點發展的高新技術領域。這些領域的關鍵基礎材料之一是高性能銅合金。高性能銅合金具有高導電性、高導熱性、高強度、高耐蝕以及可鍍性和易加工性等一系列優異性能，是上述領域發展不可或缺的材料類型。

我國銅材產量和消費量均居世界首位。按照包括各種常用銅材在內的總體產量和進口量計算，通用銅材的國內滿足度達到了96%。先進銅合金材料與構件在國家安全、重大工程和經濟建設中具有重要地位，然而各種高性能銅合金材料嚴重依賴進口，如新型高強高導銅合金帶材、超細絲材、超薄帶材等。

開發先進銅合金材料及其高效、短流程制備加工新技術對促進戰略新興產業發展、推動我國由材料大國向材料強國邁進起著重要的支撐作用。本文從國家重大工程和新興產業用銅合金的應用著手，梳理諸多領域內銅合金材料的發展與應用現狀，在分析先進銅合金材料的研發趨勢與典型市場需求的基礎上，提出先進銅合金材料的中長期發展目標與建議。

二、國內外銅合金材料應用現狀

隨著高新技術產業的飛速進步，新材料朝著超高性能、高純度、高迭代方向發展，對相關產品的集成化、功能化、微型化、可靠性等提出了更高要求。先進銅及銅合金作為核心導體材料，廣泛用于電子信息產業超大規模集成電路引線框架，國防裝備的電子對抗、雷達、大功率微波管，高脈沖磁場導體材料，高速軌道交通用架空導線、大功率調頻調速異步牽引電動機導條與端環，新能源汽車用電阻焊電極、電池材料、充電樁彈性材料，冶金工業用連鑄機結晶器、電真空器件，電氣工程用開關觸橋和各種導線等。

（一）高強高導銅合金

高強高導銅合金主要應用于集成電路引線框架帶材、軌道交通接觸線、高壓電器觸頭等部件。國際市場上的高強高導銅合金材料有百余種，獲得廣泛應用的主要是Cu-Fe-P系、Cu-Ni-Si系、Cu-Cr-Zr系等。

Cu-Cr-Zr系合金是高速軌道交通接觸線和超大規模集成電路引線框架的理想材料。

（二）耐磨耐蝕銅合金

常用耐磨耐蝕銅合金包括錫青銅、鋁青銅、錳白銅和復雜黃銅，鑄件的抗拉強度為400~500MPa，硬度為100~200HBS（布氏硬度），延伸率為6%~10%；擠壓材的抗拉強度可達600MPa，硬度超過200HBS。

海洋工程用CuNi系耐蝕銅合金主要是B10（Cu-10Ni-1Fe-1Mn）和B30（Cu-30Ni-1Fe-1Mn）合金。德國、韓國生產的海洋工程用無縫耐蝕白銅排水管的最大直徑超過520mm，壁厚最薄達0.7mm。國內在大口徑耐蝕白銅管研制方面起步較晚，存在耐蝕性不穩定、使用壽命低的問題，部分高端耐蝕Cu-Ni-Fe合金管材產品依賴進口。CuNiSn系合金的抗拉強度可達1000MPa，且耐蝕性能優異，在海水或酸性、油氣環境下的耐蝕性能以及高負載條件下的耐磨性能均優于鈹銅、鋁青銅。

（三）超高強彈性銅合金

超高強彈性銅合金一般指具有1000MPa以上強度、125GPa以上彈性模量的銅合金。高可靠性連接器用彈性銅合金主要是鈹銅合金。工業發達國家在鈹銅合金材料的生產和應用方面達到了極高水平，且相關裝備與生產技術仍在革新；

鈹銅合金含劇毒物質鈹，在高于150℃環境下的應力松弛率急劇增大，極易導致彈性元器件在工作狀態下的接觸壓力發生改變，致使連接器工作失效。開發新型的環保超高強、高抗應力松弛、成形性能優良、可靠性高的導電彈性銅合金成為彈性材料研究熱點。Cu-Ni-Mn、Cu-Ti和Cu-Ni-Sn等合金均屬于時效強化型合金，經過形變熱處理后，可獲得與鈹銅合金相媲美的強度和彈性性能以及更加優越的耐腐蝕和抗應力松弛性能。這些合金相繼由法國、美國、日本等企業研究開發，已部分替代鈹銅合金的產業應用。國內部分銅加工企業正在試制Cu-Ti合金產品，但規模化生產的關鍵加工制備技術仍待全面突破，導致現有Cu-Ti合金材料無法實現自給。

（四）先進銅基復合材料

先進銅基復合材料是液氫/液氧火箭發動機內襯、超高壓開關、電極等部件的關鍵用材。在高導銅基復合材料方面，引入碳納米管和石墨烯，發展高強度、高電導率的碳納米管/石墨烯增強銅基復合材料成為國內外研發的前沿方向之一。實驗室制備的該系列銅基復合材料樣品，抗拉強度大于500MPa，導電率達到115%IACS。在抗電磁屏蔽銅基復合材料方面，日本企業開發了系列CFA合金，如CFA95對磁場具有50~80dB的屏蔽效果，對電場具有超過80dB的屏蔽效果，同時自身導電率為60%~70%IACS。寧波金田銅業（集團）股份有限公司等國內企業也在興建CuFe合金制造基地。

（五）高精度銅及銅合金細微絲、超薄箔材

微電子及超微電子、新一代移動通信、智能機器人等產品的普及率不斷提升，對超精細高性能銅絲、高性能超薄銅箔的需求越來越大。在細微絲方面，國內市場不同規格銅細微線的供需關系存在巨大差別：直徑0.04mm以上的銅導線供大于求，價格低廉、競爭激烈；超細（直徑為0.015~0.04mm）銅導線的國內需求大于生產能力，60%以上依靠進口；直徑在0.015mm以下的超精細銅導線則基本依賴進口。近年來，國內一些廠家啟動了銅細微絲研發工作，但受限于設備和技術，產品成材率低、性能不均一，尚不能滿足微電子行業的需求。

三、我國先進銅合金材料應用需求分析

（一）高強高導銅合金

近年來，以銅鎂、銅銀、銅鉻系合金為代表的高強高導銅合金的產業化技術取得了突破，在導電率保持在80%IACS以上水平的同時，強度較純銅提高數十倍，大幅提升產品性能；在超大規模集成電路引線框架、電氣化鐵道接觸網用接觸線、高端精密電線電纜等方面獲得廣泛應用。例如，高強高導Cu-Ni-Si-(Co)系合金的抗拉強度為700~900MPa、導電率為45%~55%IACS；國內部分銅加工企業已經開展試生產及小批量市場供貨，預計2020年后得到大量應用。

高強高導Cu-Cr-Zr系合金是軌道交通接觸網線、航空航天線纜、大規模集成電路引線框架、汽車工業和電子控制系統、電焊電極、高脈沖磁場導體、大型高速渦輪發電機轉子導線等部件的理想材料。我國300km/h及以下速度的高速鐵路接觸網線主要有Cu-Ag線、Cu-Sn線、Cu-Mg線，已實現自給自足；380km/h及以上速度的高速鐵路接觸網線試驗線路采用Cu-Cr-Zr合金接觸線，包括京滬高速鐵路棗莊至蚌埠高速試驗段、大西高速鐵路太原北至原平西高速試驗段。鐵道行業標準TB/T2809—2017《電氣化鐵道用銅及銅合金接觸線》明確了Cu-Cr-Zr系合金接觸線產品標準，為后續推廣應用掃清了障礙。

新一代電子信息技術集成電路引線框架、未來柔性電網材料都對高導高強的Cu-Cr-Zr系合金板/帶/箔提出了迫切需求。引線框架帶材是集成電路的芯片載體，是電子信息產業中重要的基礎材料。預計到2035年，Cu-Cr系合金在高速鐵路接觸線應用可替代超過60%的同類普通材料，在引線框架銅合金應用可替代超過30%的同類普通材料。

（二）耐磨耐蝕銅合金

耐蝕銅合金廣泛應用于海水淡化、艦船、海上石油平臺等領域用冷凝器、熱交換器管材和各種高強耐蝕件（閥體、法蘭、接頭等）。隨著我國航空航天、機械制造行業的快速發展，航空發動機、高速軸承等部件對高強耐磨耐蝕耐熱銅合金的性能要求和需求量顯著提高。Cu-Ni-Sn系合金抗拉強度可達1000MPa，耐蝕性能優于鈹銅、鋁青銅，是航空、重載裝備、石油化工、高檔數控機床、機器人等核心零組件的關鍵基礎材料。這類材料的應用對象有：民航飛機起落架、翼型控制軸承、軸套及液壓系統耐磨部件，重型裝備、數控機床和汽車的氣門導管、凸輪滾動銷軸、滾子軸承，液壓柱塞泵的缸體、配流盤、柱塞、軸套、磨耗增強板、成形輥/沖頭等。

（三）超高強彈性銅合金

超高強彈性銅合金一般要求材料抗拉強度≥1000MPa，彈性模量≥130GPa。對于鈹銅（如QBe2和C17200等）板帶材產品，有60%用于制造彈性元件，如膜片、波紋管、發電機刷彈簧、繼電器彈簧、彈簧接觸片、斷路器彈簧、航空儀表用各類彈簧；還用于精密儀器制造，軸承、齒輪、雙輥連續鑄軋鋁板坯用輥套、特殊的無火花工具制造等；在電動車充電樁、海洋工程用通信裝備方面也有廣闊的市場需求。目前全球鈹銅板帶材供不應求的形勢更顯突出，年需求量以約12%的速度增長；國內市場年需求量更是以20%~39%的速度增長，且高精度板帶材（厚度小于0.4mm）仍然依賴進口。

近年來，超高強彈性銅合金朝著高抗應力松弛環保型彈性銅合金方向發展，如Cu-Ni-Co-Si、Cu-Ti、Cu-Ni-Sn系合金等。國內團隊研究發現，經多級形變熱處理后的Cu-Ni-Co-Si系合金抗拉強度可達1086MPa、導電率超過30%IACS。鈦青銅具有高的強度和彈性、優良的耐磨性，無磁性、易軟釬焊和電鍍，碰擊時不產生火花，可用于高強度、高彈性、高耐磨性元件，如電器開關、繼電器彈性元件、精密小型齒輪、各種軸承等。QTi6-1合金耐高溫性能優于鈹青銅，可代替用作精密儀器和儀表的彈性元件，如振動變流器的振動片和膜片、超高頻標準器的接觸彈性元件、行程開關彈片、新能源汽車/電子產品用高性能連接器等。預計到2035年，QTi6-1合金可實現對鈹銅合金材料約70%的替代。

（四）先進銅基復合材料

具有高強、高導、耐高溫、耐電蝕、抗電磁屏蔽等特性的銅基復合材料成為眾多高端裝備的亟需材料，包括相控陣雷達、大功率高頻脈沖磁場、大功率電子器件封裝、液氫/液氧火箭發動機內襯、超高壓開關觸頭、電焊電極觸頭等。

新一代銅鐵電磁屏蔽材料（Fe含量為5%~40%）是新型顯示器的關鍵材料，導電率高、散熱性好，具有電磁屏蔽功能，在計算機、通信、汽車、電子、航天、航空等領域的電磁兼容方面應用廣泛；在醫療設備、醫院等場所用于電磁場屏蔽，在通信、電力等領域用作電磁屏蔽材料。

通過引入石墨烯或納米陶瓷顆粒形成具有特種功能的銅基復合材料也進一步獲得應用。Cu-Al2O3彌散強化銅合金具有優異的抗高溫軟化性能，在雷達、電子對抗、遙控遙測、粒子加速器等設備中的微波管內腔體、發射管柵支持桿、行波管慢波線、電阻焊電極等方面具有廣闊應用前景。

在電加工領域，采用鎢銅合金作為觸頭材料成為主流。鎢銅合金成本相對低廉，具備高導熱、高導電、高耐熱、低熱膨脹、高耐電流侵蝕的特性，滿足高功率、高電壓、大電流接觸類材料的性能要求，廣泛用作大規模集成電路中的基片材料和芯片散熱材料。

（五）高品質超細導電銅合金線

超細導電銅合金線作為關鍵基礎材料，用于制備集成電路封裝導線、微型電機輸電線、高頻超細同軸電線、高速寬頻傳輸線纜、通信終端傳輸線和醫用精密導線等。目前超細銅線材主要有Cu-Ag、Cu-Sn系合金。微細電磁線是電子元器件中極為重要的電流載體，其導電線芯要求有極高的導電率和良好的力學性能以滿足電子元器件的制造工藝要求；主要用于微特電機、繼電器、電子變壓器、互感器、電磁閥等電子元器件，涉及智能機器人、交通運輸、儀器儀表、國防軍工等裝備應用。

無氧銅、銀銅合金等超細絲材是高新技術產業用微型電機的關鍵材料。例如，對于微型電機線圈繞組、電磁線芯等，絲材直徑普遍小于80μm，制備加工難度較大。隨著國內原材料制備技術和裝備能力的提升，直徑小于30μm的超細線制備技術研究有所進展。預計到2035年，國產同類產品對進口產品的替代率超過50%。

（六）高強高導壓鑄銅合金材料

目前我國各類電動機的耗電量占社會總用電量的60%左右。大多數鼠籠型三相異步電動機使用的鑄鋁轉子，體積大、能耗高、效率低，是電動機功率損失的重要部件，嚴重制約了電動機效率提升。銅具有良好的導電性、散熱性和耐磨性，以鑄銅轉子來替代鑄鋁轉子成為研發超高效率電動機的可行方向。在研的鑄銅轉子轉速低于3000r/min，可用于減速機、水泵等工業電機；但相關制備工藝尚不穩定，成材率低、缺陷多，涉及的關鍵技術有待攻克。在電動汽車及中主軸用電動機方面，因轉速高于8000r/min，對銅轉子提出了高致密、高強度等更嚴格要求，后續需進一步開發保持高導電率、兼具高屈服強度和抗拉強度的銅合金壓鑄材料。

（七）電子用超薄壓延銅箔

柔性電路板是有機發光二級管（OLED）屏幕中不可或缺的配件，而壓延銅箔是制造屏蔽材料、柔性印刷線路板、石墨烯透明導電薄膜的重要材料。目前，OLED屏幕已被手機廣泛采用，未來隨著可穿戴電子設備、高分辨率顯示裝置、折疊顯示屏、智能醫療、無人駕駛等科技的普及，鑒于柔性電路板的極高性能要求，壓延銅箔的使用比例將會越來越高。

根據中國電子材料協會統計，2016年全國柔性覆銅板（FCCL）產量達到5.464×107m2，其中壓延銅箔使用量約為4600t，年均增長率為19.9%。2017年全球壓延銅箔產量為6.9×104t，而我國4家主要企業的總產量僅約為7×103t。按此估算，到2035年，我國高性能壓延銅箔替代國外材料的比例有望達到40%。

（八）環保易切削系列銅合金材料

鉛黃銅廣泛應用于電子電氣、水管龍頭、閥體、鐘表、鎖具、玩具、接插件、耐磨件等方面。鉛為有毒元素，眾多國家設立相關法案對鉛黃銅在電子電氣設備、供水系統方面的使用進行了限制，開發環保易切削銅合金成為必然發展趨勢。現有的供應替代有鉍黃銅、硅黃銅等。鉍黃銅，材料成本高，易出現應力開裂和應力腐蝕現象。硅黃銅的銅含量為70%~80%，成本較高。其他材料，如銻黃銅、鎂黃銅、磷鈣黃銅、石墨黃銅等尚未得到大規模的推廣應用。

環保易切削銅合金未來發展趨勢是開發切削性優異的低成本銅合金。預計到2035年，在電子電氣設備、供水系統方面的環保易切削銅合金替代量將達到60%。

四、我國先進銅合金材料的研發趨勢與面臨問題

（一）技術研發趨勢

近年來，我國高性能銅合金及其制備技術的整體水平取得了長足進步，擁有自主知識產權的高性能銅合金產品種類不斷增加，銅合金材料加工裝機水平已接近國際先進水平。先進銅合金材料的研發和產業化的發展趨勢呈現如下特點。

（1）由單一性能要求朝著多功能特性要求的方向發展。例如，兼具高導熱、高電磁屏蔽性能的銅基材料應滿足脈沖強磁場系統、粒子加速電磁發射器等高精尖領域中對導體材料的需求；380km/h速度的高速鐵路電網接觸線，除了需要高導電性能外，還應具有更高的強度、耐磨性和抗疲勞特性；超大規模集成電路用銅合金要求具有高強高導、耐熱、耐彎折、易刻蝕等特性。

（2）銅加工材料向細、薄、長和高精度的方向發展。超細線、超薄帶、薄壁管、超長管、超長帶、螺紋管、異形管、異形棒、異形帶等產品的需求持續增加，如引線框架體現了多腳化、高密度化、超薄、微型化的發展趨勢。

（3）銅的高純化。工業用銅的含銅量由99.9%提高到99.95%，再提高到99.99%甚至更高，目的是盡可能地提高材料的導電和導熱性。含銅量為99.9999%的超純銅，將最大限度地減少雜質對導電和導熱性的影響。

（4）材料復合化。單一的材料強化方式潛力有限，采用復合化的方法使銅材的綜合性能得到進一步提升成為研究熱點。例如，在銅合金中加入第二相顆粒、晶須或纖維對銅基體進行復合強化，開發新型多功能銅基復合材料，對高性能銅合金的設計理論與高新技術領域中的實際應用具有重要價值。

（二）面臨的問題

我國雖是世界銅合金材料第一大生產國，但依然不是銅合金材料強國。我國航空航天、電子信息、海洋工程、高端裝備等眾多高新技術領域亟需的高性能銅合金仍較多依賴進口；銅合金材料生產企業眾多、產業集中度低、產品競爭力弱、行業利潤微薄，無法支撐高新技術產業發展。涉及的銅合金材料產業問題主要如下。

（1）高性能銅合金材料的品種和牌號少，部分高性能銅合金綜合性能普遍低于同類進口產品，如自主研發生產的Cu-Ni-Si、Cu-Cr-Zr引線框架帶材牌號極少。

（2）大規格高品質銅合金產品的穩定生產能力亟待提高，如高精度彈性銅合金帶材產品性能穩定性、表面質量、綜合成材仍待取得突破。

（3）高性能銅合金的加工過程環境污染大，資源浪費較為嚴重；高效短流程制備技術還不成熟，產品質量和性能也待提高。

（4）部分高端生產裝備的自主制造技術缺乏，使得新產品開發受限，如大部分高精度箔材生產裝備依賴進口。

（5）部分高端銅合金材料缺乏自主知識產權和公共研發平臺，材料性能、生產技術、標準規范等方面的數據庫建設滯后。

（6）超高純、超低氧含量的無氧銅大規格均質化制備技術仍待進一步完善，高精度大口徑長壽命的耐蝕白銅制備技術有待深化突破。

五、我國先進銅合金材料的發展路徑

（一）中長期發展目標

“十四五”時期，針對高端裝備對于高性能、高精度銅及銅合金板/帶/箔材與管、棒、線的重大需求，在先進銅合金材料產業的產品性能提升、綠色制造、產業升級、集成創新等方面進行重點突破，促進先進銅合金材料在國民經濟關鍵領域的示范和推廣應用。重點開發新一代超高強高導電銅合金及其復合材料，進一步提升高端銅合金產品的性能穩定性和產量。預期經過5~15年的努力，構建完整的先進銅合金材料綠色、高性能化制造產業體系，整體技術水平邁入國際先進行列。

調整產業結構，促進先進銅合金材料的綠色、高端、智能化發展。①注重產品的定位調整優化，堅持走綠色、高端發展之路，向高性能化、高精細化靠攏，提高產品質量，保障國內高端市場并推動出口。②實現碎片化技術的集成，建立銅合金材料設計、加工、設備、應用等系統大數據庫。③通過技術研發與創新，實現高端銅合金產品的國產化，擺脫先進銅合金原材料受制于人的局面；提高產品在重大工程領域中的應用比例，提升產品附加值。

完善自主創新體系，促進高性能銅合金材料產業可持續發展。①通過自主研發先進銅合金的體系、制備和加工技術，完善配套產業鏈，建立自主創新型的研發生產平臺。②進一步整合資源，加強先進銅合金產業文化建設，形成有效的“產學研用管”互動機制；提高先進銅合金產業集群的國際化運營水平，實現健康、協調、穩定發展。

（二）關鍵技術分析

在先進銅合金材料的創新和制備技術方面，為實施有效趕超并突破國產材料的制備技術瓶頸，應進一步加強高端產品、先進制備加工裝備及技術的自主研發力度。這其中涉及了一系列關鍵技術。

（1）先進銅合金材料體系建設。開展先進銅合金材料/工藝/結構一體化設計，基本形成具有知識產權的先進銅合金材料體系和制備新技術體系。以國家重點實驗室、工程技術中心、檢測中心的形式建設先進銅合金創新平臺、分析測試評價（標準）平臺、產業化示范平臺，支持構建先進銅合金自主創新能力。

（2）基于國家重大工程和新型產業需求、具有先進銅合金自主知識產權的關鍵制備加工技術開發及其產業化。主要內容包括：高精度高純無氧銅板/帶/箔材產業化生產技術、Cu-Cr-Zr系合金大盤重超長（＞1500m）接觸線產業化生產技術、Cu-Ni-Si系與Cu-Cr-Zr系合金大卷重（＞8t）高精度超薄框架帶材產業化生產技術、彌散強化銅合金及高導熱低膨脹電子封裝材料高致密無泄漏可靠特種制備技術、高精度大規格高耐蝕銅合金產業化生產技術、長壽命高耐磨環境友好型銅合金產業化生產技術等。自主突破一批具有國際領先水平的先進銅合金高效短流程制備加工技術，推動銅加工業的整體技術進步。

五、對策建議

（一）促進“產學研用管”統籌規劃和一體化發展

在政策引導與支持下，依據國家科技領域布局，聯合銅合金制備加工企業、科研院所、應用單位實施“產學研用管”協同機制。集中“產學研用”優勢力量，突破制約我國重大工程和新興產業發展的高端銅合金基礎原材料產品的關鍵制備加工技術，解決“卡脖子”問題，推進先進銅合金制造強國的建設。建立和完善“技術研發與創新”“人才培養與引進”“信息與交流”“政策支持與保障”4類平臺，為先進銅合金產業集群發展提供可靠且持續的技術和人才支撐，為創建國家級產業開發區提供示范。

（二）提升裝備開發、技術研發和市場拓展能力

借鑒國際先進經驗和發展過程，依靠自主科技創新，建立行業大數據來驅動銅及銅合金材料制造全流程的智能控制工藝。以產業有關裝備開發為核心，涵蓋先進連鑄連軋（連擠）機組、連拉連退機組、連拉連鍍機組、超細拉絲和絲退火鍍覆/涂覆機組等；提高生產能力與生產效率，降低能耗與原材料損耗率，提升產品性能與質量穩定性，提高市場競爭力與占有率。

（三）強化產品標準研究與制定

面向高端制造對先進銅合金材料綜合性能的要求，建立和完善先進銅合金材料產品和生產技術方面的標準體系。建立超細銅線（包括鍍錫線和漆包線）、特種銅基復合材料等新產品的國家或行業技術標準，完善銅資源回收利用的標準與方法，從源頭上規范秩序，確保行業的健康可持續發展。

（四）建立先進銅合金青年科技骨干人才培養體系

豐富學術/技術研討，加強技術專家與青年科技骨干的交流、軍民協同應用對接、跨所有制的企業合作。推行專家團隊服務企業的“引智”模式，群策群力為企業產品攻關建言獻策，以攻克具體技術問題為目標開展專家服務生產“精準扶貧”。建設和提升“老中青”結合的先進銅合金人才隊伍。